建筑材料物理性能

2.1建筑材料的基本物理性质建筑材料在建筑物的各个部位的功能不同，均要承受各种不同的作用，因而要求建筑材料必须具有相应的基本性质。物理性质包括密度、密实性、空隙率、孔隙率（计算材料用量、构件自重、配料计算、确定堆放空间）一、材料的密度、表观密度与堆积密度密度是指物质单位体积的质量。单位为g/cm3或kg/m3。由于材料所处的体积状况不同，故有实际密度（密度）、表观密度和堆积密度之分。（1）实际密度(TrueDensity）以前称比重、真实密度)，简称密度(Density)。实际密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：式中:ρ－实际密度（g/cm3）；m－材料在干燥状态下的质量（g）；V－材料在绝对密实状态下的体积（cm3）。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。材料磨得愈细，测定的密度值愈精确。（2）表观密度(ApparentDensity)以前称容重、有的也称毛体积密度。表观密度是指材料在自然状态下，单位体积所具有的质量，按下式计算：式中:ρ0－表观密度（g/cm3或kg/m3）；m－材料的质量（g或kg）；V0－材料在自然状态下的体积，或称表观体积（cm3或m3）。材料在自然状态下的体积是指材料的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，以防水分渗人材料内部而影响测定值。（3）堆积密度(BulkDensity)散粒材料在自然堆积状态下单位体积的重量称为堆积密度。可用下式表示：式中:ρ0'－堆积密度（kg/m3）；m－材料的质量（kg）；V0'－材料的堆积体积（m3）。散粒材料在自然状态下的体积，是指既含颗粒内部的孔隙，又含颗粒之间空隙在内的总体积。测定散粒材料的堆积密度时，材料的质量是指在一定容积的容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积。若以捣实体积计算时，则称紧密堆积密度。土木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。常用土木工程材料的密度见表2.1.1所示。表2.1.1常用建筑材料的密度、表观密度堆积密度及孔隙率材料名称密度（g/cm3）表观密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）孔隙率（％）钢材7.8～7.97850—0花岗岩2.7～3.02500～2900—0.5～3.0石灰岩2.4～2.61800～26001400～1700（碎石）—砂2.5～2.6—1500～1700—粘土2.5～2.7—1600～1800—水泥2.8～3.1—1200～1300—烧结普通砖2.6～2.71600～1900—20～40烧结空心砖2.5～2.71000～1480——红松木1.55～1.60400～600—55～75二、材料的密实度与孔隙率（1）密实度（DenseDegree）密实度是指材料的固体物质部分的体积占总体积的比例，说明材料体积内被固体物质所充填的程度，即反映了材料的致密程度，按下式计算：按孔隙的特征，材料的孔隙可分为开口孔隙和闭口孔隙两种，二者孔隙率之和等于材料的总孔隙率。按孔隙的尺寸大小，又可分为微孔、细孔及大孔三种。不同的孔隙对材料的性能影响各不相同。一般而言，孔隙率较小，且连通孔较少的材料，其吸水性较小，强度较高，抗冻性和抗渗性较好。工程中对需要保温隔热的建筑物或部位，要求其所用材料的孔隙率要较大。相反，对要求高强或不透水的建筑物或部位，则其所用的材料孔隙率应很小。（2）孔隙率（Porosity)孔隙率是指材料体积内孔隙体积（Vp）占材料总体积（V0）的百分率。可用下式计算：孔隙率与密实度的关系为：（3）空隙率（Interstice）空隙率是指散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积（Va）占堆积体积的百分率，以P'表示，因Va＝V’0－V0，则P’值可用下式计算：三、材料与水有关的性质（一）亲水性与憎水性（1）亲水性与憎水性亲水性：材料能被水润湿的性质，如砖、混凝土等。材料产生亲水性的原因是因其与水接触时，材料与水分子之间的亲合力大于水分子之间的内聚力所致。当材料与水接触，材料与水分子之间的亲合力小于水分子之间的内聚力时，材料则表现为憎水性。憎水性材料如沥青、石油等。问题：亲水性材料与憎水性材料在实际工程中有何意义？（2）润湿边角材料被水湿润的情况可用润湿边角θ来表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交界点，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角。图2.1.1材料的润湿示意图（a）亲水性材料（b）憎水性材（3）亲水性材料与憎水性材料θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。当θ＜90°时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。θ90°时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。当θ=0°时，表明材料完全被水润湿。上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。（二）材料的吸水性与吸湿性1.吸水性(WaterAbsorption)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(RatioofWaterAbsorption)表示，有质量吸水率与体积吸水率两种表示方法。（1）质量吸水率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，用下式计算：W质————材料的质量吸水率（％）；m湿————材料在吸水饱和状态下的质量（g）；m干————材料在干燥状态下的质量（g）。（2）体积吸水率体积吸水率是指材料在吸水饱和时，其内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率。用公式表示如下：W体———材料的体积吸水率（％）；V0———干燥材料在自然状态下的体积（cm3）；ρ水———水的密度（g/cm3）。2.吸湿性材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称还湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水的质量占材料干燥质量的百分率。用公式表示为：W含————材料的含水率（％）；m含————材料含水时的质量（g）；m干————材料干燥至恒重时的质量（g）。（三）材料的耐水性材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：K软————材料的软化系数；f饱————材料在饱水状态下的抗压强度（MPa）；f干————材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。软化系数大于0.80的材料，通常可认为是耐水材料。（四）材料的抗渗性（PermeabilityResistance）材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数K表示。渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为：W————透过材料试件的水量(mL)；t————透水时间(t)；A————透水面积(cm2)；h______静水压力水头(cm)；d————试件厚度(cm).K值愈大，表示材料渗透的水量愈多，即抗渗性愈差。混凝土的抗渗性用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大静水压力来确定，以符号Pn表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的十倍的MPa数，如P4、P6、P8、P10、P12等,分别表示材料能承受0.4、0.6、0.8、1.0、1.2MPa的水压而不渗水。材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关。（五）材料的抗冻性（FrostResistance）材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过25％，且质量损失不超过5％时所能承受的最多的循环次数来表示。用符号Fn表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F25、F50等。材料抗冻标号的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。