任务1.3　材料的物理性质

1.3.1　基本物理性质

1.3.1.1　材料的组成、结构和构造

材料的组成、结构和构造是决定材料性质的内部因素，材料所处环境介质是影响材料性质的外部因素。

1.材料的组成

材料的组成是指材料所含物质的种类及数量，是区别材料种类的主要依据，分为化学组成、矿物组成和相组成。

材料的化学组成是指构成材料的化学元素及其化合物的种类及其数量。金属材料的化学组成以元素含量表示，无机非金属材料常以各种氧化物的含量表示，有机材料则以各种化合物的含量表示。

矿物组成是构成材料的矿物的种类及其数量，例如花岗岩的矿物组成是石英和长石。材料的矿物组成直接影响无机非金属材料的性质。

材料中具有相同的物理、化学性质的均匀部分称为相，一般分为固相、液相和气相。

2.材料的结构

材料的结构是指材料的微观组织，按其成因及存在形式可分为晶体、非晶体及胶体三种结构形式。

（1）晶体结构。晶体结构是由质点（离子、原子或分子）在空间按规则的几何形状排列而成的固体晶格杂乱排列组成的结构。虽然晶格具有各向异性的性质，但晶体是由大量晶格杂乱排列组合而成，故具有各向同性的性质。材料的性质受晶粒的排列方式、晶格中质点的密集程度和各质点的相互结合力的影响。晶格中质点密集程度高的材料，其塑性变形能力强（如钢材），呈塑性；反之，则材料的变形能力弱（如天然石材），呈脆性。从晶体材料的整体看，晶粒越小，分布越均匀，材料的强度越高，所以在钢材使用时常采用热处理的方法使晶粒细化，或对钢筋进行冷加工使晶体滑动和晶格扭曲，来达到提高强度的目的。晶体具有以下特点：具有特定的几何形状；具有各向异性；具有固定的熔点和化学稳定性；结晶接触点和晶面是晶体破坏或变形的薄弱环节。

（2）非晶体结构（玻璃体结构）。非晶体结构是熔融物经急速冷却至凝固点温度以下，熔融物内部质点来不及有规则地排列便凝固形成的固体物质。非晶体内的质点排列没有一定的规律性，无固定的几何形状，因而显示各向同性，没有固定的熔点，熔融时只出现软化现象。非晶体结构形成时没有结晶放热过程，在其内部储存着大量内能，呈现出化学不稳定性，在一定条件下易与其他物质起化学反应。如硅酸盐水泥中掺用的粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰、硅粉等均属这类物质。

（3）胶体结构。胶体结构是指含有粒径为1×10－9～1×10－7m的固体颗粒均匀分散在连续介质中所形成的分散体系结构，分散介质为液体时的胶体称为溶胶；当分散相颗粒极细时，其表面积很大，具有很大的表面能，吸附能力很强，胶粒之间也能相互吸附，形成连续的空间网状结构，包裹了全部液体，使分散系失去流动性，呈半固体或固体状态，称为凝胶。

溶胶结构具有较好的流动性，液体性质对结构的强度及变形性质影响较大。凝胶结构基本不具流动性，强度较高，变形小。一般凝胶体均有触变性，即在搅拌、振动作用下凝胶变成溶胶，恢复其流动性，当除去外力静置一段时间后，溶胶又缓慢恢复成凝胶。新拌的水泥浆、石灰浆等都具有触变性。

3.材料的构造

材料的构造是指材料的宏观组织状态。按材料结构间单元相互组合及搭配情况，材料可分为聚集状（致密状）、多孔状、层状、纤维状、散粒状等构造。

材料的性质除受材料成分与结构的影响外，还与材料的构造密切相关。材料构造越密实、均匀，其密度越大、强度越高。如混凝土的孔隙率每增加1%，其强度将降低3%～5%。一般而言，聚集状和多孔状构造的材料具有各向同性，层状和纤维状及散粒状构造的材料具有各向异性。

1.3.1.2　材料的体积构成及含水状态

1.材料的体积构成

块状材料在自然状态下的体积由固体物质体积和其内部孔隙体积组成。材料内部的孔隙按孔隙特征又可分为开口孔隙和闭口孔隙，开口孔隙与材料周围的介质相通，材料在浸水时易吸水饱和，闭口孔隙不进水，见图1.2。

散粒材料是指具有一定粒径的颗粒材料的堆积体，如工程中常用的砂、石子等，其体积组成包括固体物质体积、颗粒内部孔隙体积及固体颗粒之间的空隙体积，见图1.3。

2.材料的含水状态

材料在大气或水中会吸附一定的水分，根据材料吸附水分的情况，材料的含水状态分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态及湿润状态，见图1.4。材料的含水状态会对材料的性质产生一定影响。

1.3.2　与质量有关的性质

1.3.2.1　密度与视密度

（1）密度（比重）。密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按式（1.1）计算：

绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的体积。除了钢材、玻璃等少数接近于绝对密实的材料外，绝大多数材料都有一些孔隙，如砖、石材等块状材料。在测定有孔隙的材料密度时，应把材料磨成细粉以排除其内部孔隙，经干燥至恒重后，用密度瓶（李氏瓶）测定其实际体积，该体积即可视为材料绝对密实状态下的体积。材料磨得越细，测定的密度值越精确。

（2）视密度（视比重）。视密度是指散粒材料的密度。当测定散粒材料（砂、碎石）的密度时，其计算体积是指颗粒的体积（包含颗粒内部所含的闭口孔隙）。计算公式与密度相同。

1.3.2.2　表观密度与堆积密度

（1）表观密度。表观密度是指材料在自然状态下单位体积的质量，按式（1.2）计算：

材料在自然状态下的体积是指材料的密实体积与材料内所含全部孔隙体积之和。对于外形规则的材料，其测定很简便，只要测得材料的重量和体积，即可算得表观密度。不规则材料的体积要采用排水法求得，但材料表面应预先涂上蜡，以防水分渗入材料内部而影响测定值。材料的表观密度与材料的含水状态有关，含水状态不同，材料的质量及体积均会发生改变，故在提供材料的表观密度的同时，应提供材料的含水率。

（2）堆积密度。散粒材料在自然堆积状态下单位体积的质量。可用式（1.3）表示：

散粒材料的松散体积包括固体颗粒体积、颗粒内部孔隙体积和颗粒之间的空隙体积。松散体积用容量筒测定，质量是指容量筒内材料的质量。堆积密度与材料的装填条件及含水状态有关。

1.3.2.3　孔隙率与密实度

（1）孔隙率。孔隙率是指材料中孔隙体积占总体积的百分率。可用式（1.4）计算：

（2）密实度。密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料的密实体积与总体积之比，用D表示，按式（1.5）计算：

含孔隙的固体材料的密实度均小于1。材料的表观密度ρ0与密度ρ越接近，材料就越密实。

1.3.2.4　空隙率与填充度

（1）空隙率。空隙率是指散粒材料颗粒之间的空隙体积与总体积之比的百分率，可用式（1.6）计算：

（2）填充度。填充度是指颗粒状材料的堆积体积内，被颗粒所充填的程度，用D′表示，按式（1.7）计算：

材料的密度取决于材料的成分及微观结构，表观密度及孔隙率取决于材料的构造。材料的密度、表观密度和孔隙率是材料最基本的物理性质。材料孔隙率的大小及孔隙特征是影响同种材料强度、耐久性和热学性质的最主要因素。

工程中在计算材料用量、构件自重、配料计算以及确定堆放空间时，均需要用到材料的上述状态参数。常用材料的密度、表观密度、堆积密度、孔隙率见表1.3。

1.3.3　与水有关的性质

1.3.3.1　亲水性与憎水性

建筑材料在使用过程中常遇到水，根据材料能否被水湿润，将材料分为亲水性材料和憎水性材料。

当材料、空气和水三相接触且平衡时，在三相交点处，沿水滴表面作切线与材料表面（水滴一侧）所得夹角（θ）称为湿润角。θ越小，材料浸润性越强，当θ为零时，表示材料完全被水润湿。当0≤θ≤90°时，说明材料分子与水分子之间的相互吸引力大于水分子的凝聚力，材料易被水湿润，称为亲水性材料；当90°＜θ≤180°时，水分子的凝聚力大于材料分子与水分子之间的相互吸引力，材料不易被水湿润，称为憎水性材料。材料的湿润性示意见图1.5。

建筑工程中使用的混凝土、砖石、木材等属亲水性材料，沥青、石蜡、橡胶等属憎水性材料。

上述概念也适用于其他液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。

1.3.3.2　吸水性与吸湿性

（1）吸水性。材料在水中能吸收水分的性质称吸水性。

材料的吸水性用吸水率表示，有质量吸水率与体积吸水率两种表示方法。

质量吸水率是指材料在吸水饱和时，内部所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，用式（1.8）计算：

体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸收水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。对于某些轻质材料，因质量吸水率常超过100%，故最好用体积吸水率表示。体积吸水率用式（1.9）表示：

质量吸水率与体积吸水率的关系为：

材料的吸水性与孔隙率的大小及孔隙特征有关，一般来说，孔隙率越大且孔隙越连通，吸水性越强；反之，孔隙率越小或且孔隙越封闭，吸水性越弱。

（2）吸湿性。材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示，计算公式为

材料的吸水率对某一种材料为定值，而含水率则随空气湿度而改变。干燥的材料能吸收空气中的水分而变湿，湿的材料在空气中会失去水分而逐渐变干，最终使材料中的水分与周围空气中的湿度达到平衡而处于气干状态，这时的含水率称为平衡含水率。平衡含水率随温度、湿度的变化而改变。

材料吸水后，性能会改变，对工程产生不良影响，如材料强度降低，表观密度增大，体积膨胀，抗冻性降低，导热性增大等。

1.3.3.3　耐水性

材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。一般材料在含有水分时，材料微粒间的作用力会减弱，从而使材料的强度降低。材料的耐水性用软化系数Ks表示：

软化系数的大小，反映了材料浸水后强度的变化程度。软化系数越大，材料的耐水性越强。在水工建筑物中，常要求材料软化系数不小于0.85～0.90，位于潮湿环境中的建筑物软化系数也不宜小于0.7～0.85。

软化系数大于0.85的材料，通常可认为是耐水材料。

1.3.3.4　抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。抗渗性常用渗透系数和抗渗等级表示。

根据达西定律，压力水通过试件流出时，在一定时间内，通过试件的水量Q与试件的过水断面面积A及作用于试件的水头差H成正比，与试件的厚度d成反比，比例系数K称为渗透系数。可按式（1.13）计算：

渗透系数反映材料内部组织构造的疏密程度。K值越小，表示材料的渗透性越小，材料的抗渗能力越强。绝对密实的材料或具有封闭孔隙的材料，基本不透水。憎水性材料抗渗性较强，亲水性材料抗渗性较差。

材料的抗渗等级，是指规定的试件在标准的试验方法下试件不透水时所能承受的最大水压力用Pn表示（水利工程用W表示），如P4、P6表示材料能承受0.4MPa、0.6MPa的水压力作用而不渗透。

抗渗等级常用于表示混凝土和砂浆的抗渗能力，Pn越大，材料的抗渗能力越强。材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关，材料孔隙率越小，且孔隙封闭，则抗渗能力较强。

1.3.4　与热有关的性质

1.3.4.1　导热性

导热性是指材料传导热量的能力。当材料两面存在温度差时，热量就会从高温的一侧（端）传导到低温的一侧（端）。导热性的大小用导热系数λ表示，计算公式如下：

材料的导热能力除与材料的成分有关外，还与材料的孔隙率、孔隙特征及材料的含水状态有关。材料的孔隙率越大，其导热系数越小；具有微细或封闭孔隙的材料比具有粗大或连通孔隙的材料导热系数要小。当材料的含水量增加时，其导热系数也随之增大。材料导热系数的大小是衡量材料保温性能的主要依据。材料的导热系数越小，隔热保温效果越好。工程中通常将λ＜0.23W/（m·℃）的材料称为保温或绝热材料。几种常用材料的导热系数见表1.4。

1.3.4.2　比热及热容量

材料受热时吸收热量、温度升高，冷却时放出热量、温度降低的性质称为蓄热性。材料在温度升高（或降低）1℃时所吸收（或放出）的热量称为材料的热容量。单位质量材料的热容量称为材料的比热，用式（1.15）表示：

材料的热容量大，则材料在吸收或放出较多热量时，其自身的温度变化不大，有利于保持室内温度相对稳定。不同材料的比热不同，即使是成分相同的材料，由于形态不同，比热也不相同。如水的比热为4.19kJ/（kg·℃），而结成冰后的比热为2.05kJ/（kg·℃）。几种常用材料的导热系数及比热值见表1.4。

1.3.4.3　热胀性

材料受热时膨胀，冷却时收缩的性质，称为热胀性。热胀性的大小用线膨胀系数表示。

线膨胀系数是指单位长度的材料在温度上升（或下降）1℃时所引起的长度增长（或缩短）值与其在0℃时的长度的比值。如钢筋的线膨胀系数为10×10－6～12×10－6/℃，混凝土的线膨胀系数为5.8×10－6～12.6×10－6/℃。

线膨胀系数是计算材料在温度变化时所引起的变形及温度应力的参数。