学习单元1 材料的基本物理性质
知识目标
（1）了解材料的密度、表观密度、堆积密度、密实度、孔隙率、填充率及空隙率的概念，熟悉各密度指标的表达式。
（2）熟悉耐水性、抗渗性、导热性、热容量与比热、吸声性的表达式。
技能目标
（1）能进行材料的密度、孔隙率、填充率、空隙率、压实度等与质量有关的物理性参数计算。
（2）能够进行吸水率、含水率、耐水性、抗渗性等与水有关的物性参数计算。
（3）能够进行导热性、热容量、比热容、材料的变形值等与热有关的物性参数计算。
（4）能够进行吸声系数和隔声量等与声学有关的物性参数计算。
基础知识
一、材料与质量有关的性质
材料与质量有关的性质主要是指材料的各种密度和描述其孔隙与空隙状况的指标。在这些指标的表达式中都有质量这一参数。
（一）材料的密度、表观密度和堆积密度
1.密度
密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。密度（ρ）的计算公式为
式中，ρ为材料的密度（g/cm3或kg/m3）；m为材料的质量（g或kg）；V为材料在绝对密实状态下的体积，即材料体积内固体物质的实体积（cm3或m3）。
材料的质量是指材料所含物质的多少。材料在绝对密实状态下的体积，是指不包括内部孔隙的材料体积。由于材料在自然状态下并非绝对密实，所以绝对密实体积一般难以直接测定，只有钢材、玻璃等材料可近似地直接测定。
☼小提示
在测定有孔隙的材料的密度时，可以把材料磨成细粉或采用排液置换法测量其体积。材料磨得越细，测得的体积越接近绝对体积，所得密度值就越准确。
2.表观密度
表观密度是材料在自然状态下单位体积的质量，测定材料的表观密度时，材料的质量可以是在任意含水状态下的，但需说明含水情况。表观密度ρ0的计算公式为
式中，ρ0为材料的表观密度（kg/m3或g/cm3）；m为在自然状态下材料的质量（kg或g）；V0为在自然状态下材料的体积（m3或cm3）。
在自然状态下，材料内部的孔隙可分为两类：有的孔之间相互连通，且与外界相通，称为开口孔；有的孔互相独立，不与外界相通，称为闭口孔。大多数材料在使用时，其体积指包括内部所有孔在内的体积，即自然状态下的体积（V0），如砖、石材、混凝土等。有的材料（如砂、石）在拌制混凝土时，因其内部的开口孔被水占据，材料体积只包括材料实体积及其闭口孔体积（以V′表示）。为了区别这两种情况，常将包括所有孔隙在内的密度称为表观密度；把只包括闭口孔在内的密度称为视密度，用
表示，即
视密度在计算砂、石在混凝土中的实际体积时有实用意义。
☼小提示
在自然状态下，材料内部常含有水分，其质量随含水程度而改变，因此视密度应注明其含水程度。材料的视密度除取决于材料的密度及构造状态外，还与其含水程度有关。
3.堆积密度
堆积密度是把粉尘或者粉料自由填充于某一容器中，在刚填充完成后所测得的单位体积质量。堆积密度ρ′0的计算公式为
式中，ρ′0为材料的堆积密度（kg/m3）；m为材料的质量（kg）；V′0为材料的堆积体积（m3）。
材料的堆积体积是指散粒状材料在堆积状态下的总体外观体积。它的体积要比原状态下的材料体积大，即在原状体积下会有一个放大系数。这是因为散粒状材料在堆积过程中，它们之间存在颗粒内部的孔隙，也存在颗粒间的空隙。所以材料的堆积密度与散粒状材料在自然堆积时，颗粒间空隙、颗粒内部结构、含水状态、颗粒间被压实的程度有关。材料的堆积体积常用材料填充容器的容积大小来测量。
☼小提示
根据其堆积状态的不同，同一材料表现的体积大小可能不同，松散堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。
（二）材料的密实度与孔隙率
1.密实度
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。密实度D的计算公式为
式中，D为材料的密实度（%）；V为材料中固体物质的体积（cm3或m3）；V0为在自然状态下的材料体积（包括内部孔隙体积，cm3或m3）；ρ0为材料的表观密度（g/cm3或kg/m3）；ρ为材料的密度（g/cm3或kg/m3）。
2.孔隙率
孔隙率指散粒状材料堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。孔隙率包括真孔隙率，闭空隙率和先空隙率。孔隙率P的计算公式为
式中，P为材料的孔隙率（%）。
孔隙率的大小直接影响了材料的诸多性质，其反映的是材料内部空隙的多少。孔隙率相同的情况下，材料的开口孔越多，材料的抗渗性、抗冻性越差。一般情况下，孔越细小、分布越均匀对材料越有利。例如，混凝土的孔隙率对混凝土的强度和耐久度会产生很大的影响。
☼小提示
材料的密实度和孔隙率是相对应的两个概念，它们从不同侧面反映材料的密实程度。
在建筑工程中，计算材料的用量和构件自重，进行配料计算，确定材料堆放空间及组织运输时，经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度。常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度及孔隙率见表1-1。
表1-1 常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度及孔隙率
（三）材料的填充率与空隙率
对于松散颗粒状态材料（如砂、石子等），可用填充率和空隙率表示其填充的疏松致密的程度。
1.填充率
填充率是指散粒状材料在堆积体积内被颗粒所填充的程度。填充率D′的计算公式为
式中，D′为散粒状材料在堆积状态下的填充率（%）。
2.空隙率
空隙率是指散粒状材料在堆积体积内颗粒之间的空隙体积所占的百分率。空隙率P'的计算公式为
式中，P′为散粒状材料在堆积状态下的空隙率（%）。
空隙率的大小反映了散粒体的颗粒之间相互填充的密实程度。在配置混凝土时，砂、石的空隙率是控制混凝土中骨料级配与计算混凝土含砂率时的重要依据。
（四）压实度
材料的压实度是指散粒状材料被压实的程度。即散粒状材料经压实后的干堆积密度ρ′值与该材料经充分压实后的干堆积密度ρ′m值的比率百分数，压实度Ky的计算公式为
式中，Ky为散粒状材料的压实度（%）；ρ′0为散粒状材料经压实后的实测干堆积密度（kg/m3）；ρ′m为散粒状材料经充分压实后的最大干堆积密度（kg/m3）。
课堂案例
经测定，质量为3.4kg，容积为10L的量筒装满绝干石子后的总质量为18.4kg，向量筒内注水，待石子吸水饱和后，为注满此筒共注入水4.27kg，将上述吸水饱和后的石子擦干表面，称得总质量为18.6kg（含筒重），求该石子的视密度、表观密度、堆积密度及开口孔隙率。
解：由已知得V'0=10L
V开=18.6-18.4=0.2(L)
V开+V空=4.27L V空=4.07L V0=10-4.07=5.93(L)
V′=V0-V开=5.93-0.2=5.73(L)
视密度：ρ′=m/V′=（18.4-3.4）/5.73=2.62(g/cm3)
表观密度：ρ0=m/V0=（18.4-3.4）/5.93=2.53(g/cm3)
开口孔隙率：Pk=(m2-m1)/V0×100%=（18.6-18.4）/5.93×100%=3.37%
堆积密度：ρ'0=m/V'0=（18.4-3.4）/10=1.5(g/cm3)
二、材料与水有关的性质
我们常见的建筑材料与水相关的性质有：亲水性与憎水性、吸湿性与吸水性，以及耐水性、抗渗性和冻融性。因此，在建筑材料的正常使用阶段，就要考虑水对建筑材料的侵蚀作用，比如雪、雨、地下水、江河湖水、冻融等都会对与之有相关性质的建筑材料构成危害。
（一）材料的亲水性与憎水性
当水与建筑材料在空气中接触时，会出现两种不同的现象。图1-1（a）所示为水在材料表面易于扩展，这种与水的亲和性称为亲水性。表面与水亲和力较强的材料称为亲水性材料。水在亲水性材料表面上的润湿边角（固、气、液三态交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角）θ≤90°。与此相反，材料与水接触时，不与水亲和的性质称为憎水性。水在憎水性材料表面上呈现如图1-1（b）所示的状态，θ＞90°。
常见的亲水性材料有：大多数的无机硅酸盐、石膏、石灰等，这些材料因为具有较多的毛细孔隙，对水有强烈的吸附作用。
常见的最典型憎水材料是沥青，它经常被用作防水材料。
图1-1 材料润湿边角
（二）材料的吸湿性与吸水性
1.吸湿性
材料的吸湿性是指材料在空气中能吸收水分的性质。这种性质和材料的化学组成与结构有关。对于无机非金属材料，吸湿性除了和材料的表面的化学性质有关外，还和材料形成的微结构有关，如果多毛细孔，其吸湿能力就比较强；除此之外还和毛细孔的直径与结构相关。对于有机高分子材料也是如此。金属表面也有吸附水分子的性质，和金属元素的性质以及表面结构状态相关。吸湿性与吸水性不同，吸水性是指材料与液态水接触时吸收水分的特性。
吸湿性常以含水率表示，即吸入水分与干燥材料的质量比。一般来说，开口孔隙率较大的亲水性材料具有较强的吸湿性。材料的含水率还受环境条件的影响，随温度和湿度的变化而改变。最终材料的含水率将与环境湿度达到平衡状态，此时的含水率称为平衡含水率。含水率W的计算公式为
式中，W为材料的含水率（%）；mk为材料吸湿后的质量（g）；m1为材料在绝对干燥状态下的质量（g）。
2.吸水性
材料的吸水性是指材料在水中吸收水分达到饱和的能力，吸水性有质量吸水率和体积吸水率两种表达方式，分别用Ww和Wv表示。
式中，Ww为质量吸水率（%）；Wv为体积吸水率（%）；m2为材料在吸水饱和状态下的质量（g）；m1为材料在绝对干燥状态下的质量（g）；Vw为材料所吸收水分的体积（cm3）；ρw为水的密度，常温下可取1g/cm3。
对于质量吸水率大于100%的材料（如木材等），通常采用体积吸水率；而对于其他大多数材料，经常采用质量吸水率。两种吸水率之间存在着以下关系。
式中，ρ0为材料的干燥体积密度，即表现密度，单位采用g/cm3。
☼小提示
材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对于细微连通孔隙，孔隙率越大，则吸水率越大，闭口孔隙水分不能进去，而开口大孔虽然水分易进入，但不能存留，只能润湿孔壁，所以吸水率仍然较小。各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗石的吸水率只有0.5%～0.7%，混凝土的吸水率为2%～3%，勃土砖的吸水率达8%～20%，而木材的吸水率可超过100%。
（三）材料的耐水性
材料的耐水性是指材料在长期的饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质。材料含水后，将会以不同方式来减弱其内部结合力，使强度产生不同程度的降低。材料的耐水性用软化系数表示为
式中，K为材料的软化系数；f1为材料吸水饱和状态下的抗压强度（MPa）；f为材料在干燥状态下的抗压强度（MPa）。
☼小提示
软化系数在0～1波动，软化系数越小，说明材料吸水饱和后强度降低得越多，耐水性越差。受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑物所选用的材料，其软化系数不得低于0.85。因此，软化系数大于0.85的材料，常被认为是耐水的。干燥环境中使用的材料，可不考虑耐水性。
（四）材料的抗渗性
材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。对于地下建筑以及水工结构物，因常受到压力水的作用，故要求材料具有一定的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。
抗渗性可用渗透系数表示。根据水力学的渗透定律，在一定的时间t内，透过材料试件的水量Q与渗水面积A及材料两侧的水头差H成正比，与试件厚度d成反比，而其比例数k即定义为渗透系数。即由
可得
式中，Q为透过材料试件的水量（cm3）；H为水头差（cm）；A为渗水面积（cm2）；d为试件厚度（cm）；t为渗水时间（h）；k为渗透系数（cm/h）。
材料的抗渗性也可用抗渗等级P表示，即在标准试验条件下，材料的最大渗水压力（MPa）。如抗渗等级为P6，表示该种材料的最大渗水压力为0.6MPa。
☼小提示
材料的抗渗性主要与材料的孔隙状况有关。材料的孔隙率越大，连通孔隙越多，其抗渗性越差。绝对密实的材料和仅有闭口孔或极细微孔的材料，实际上是不渗水的。
（五）材料的抗冻性
材料在使用环境中，经受多次冻融循环而不被破坏，强度也无显著降低的性质，称为抗冻性。
材料在经过多次冻融循环之后，主要表现为材料表面会出现裂纹、剥落等。这主要是由于材料内部孔隙中的水的作用所致。当孔隙水结冰时，体积会增大（约9%），进而对材料内部的孔壁产生压力（每平方米可达100N），冰融化时孔壁压力又随之消失，在反复从结冰到融化的过程中，孔壁压力会产生明显的压力差，最终导致材料出现裂纹、剥落等现象。
材料的抗冻性与其空隙率、孔隙特征、强度及充水程度等因素有关。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性能力较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。抗冻性良好的材料，抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性也经常作为考察材料耐久性的一项指标。
材料的抗冻性试验是使材料吸水至饱和后，在-15℃条件下冻结规定时间，然后在室温的水中融化，经过规定次数的冻融循环后，测定其质量及强度损失情况，以此来衡量材料的抗冻性。有的材料，如烧结普通砖、陶瓷面砖，以反复冻融15次后其质量及强度损失不超过规定值即为抗冻性合格；有的材料，如用于桥梁和道路的混凝土用抗冻等级F来表示，其等级为F50、F100或F200，而水工混凝土要求高达F500。
☼小提示
对于冬季室外温度低于-10℃的地区，工程中使用的材料必须进行抗冻性检验。
三、材料的热工性质
在建筑物中，建筑材料除需要满足强度及其他性能的要求外，还需要具有良好的热工性质，使室内维持一定的温度，为生产、工作及生活创造适宜的条件，并节约建筑物的使用能耗。建筑材料的热工性质有导热性、热容量、比热、耐燃性和耐火性等。
（一）材料的导热性
当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的地一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力称为导热性，即指材料传导热量的能力。
材料导热能力的大小可用导热系数λ表示。导热系数的物理意义是：厚度为1m的材料，当温度每改变1K（-272.15℃）时，在1h时间内通过1m2面积的热量。材料的导热系数越小，表示其绝热性能越好。各种材料的导热系数差别很大，如泡沫塑料λ=0.035W/(m·K)，而大理石λ=3.48W/(m·K)。工程中通常把λ≤0.23W/(m·K)的材料称为绝热材料。
导热系数的计算公式为
式中，λ为材料的导热系数［W/（m·K）］；Q为传导的热量（J）；d为材料厚度（m）；A为材料的传热面积（m2）；t为传热的时间（s）；T2-T1为材料两侧的温度差（K）。
☼小提示
材料导热系数的大小与材料的组成、含水率、孔隙率、孔隙尺寸及孔的特征等有关，与材料的表观密度有很好的相关性。当材料的表观密度小、孔隙率大、闭口孔多、孔分布均匀、孔尺寸小、含水率小时，导热性差，绝热性好。通常所说的材料导热系数是指干燥状态下的导热系数，材料一旦吸水或受潮，导热系数会显著增大，绝热性变差。
（二）材料的热容量与比热
1.材料的热容量
热容量是指材料受热时吸收热量或冷却时放出热量的能力。热容量Q的计算公式为
式中，Q为材料的热容量（J）；c为材料的比热［J/(g·K)］；m为材料的质量（g）；T2-T1为材料受热或冷却前后的温度差（K）。
2.材料的比热
材料的比热c是真正反映不同材料热容性差别的参数，它可由式（1-15）导出。
比热表示质量为1g的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出热量的大小。材料的比热值大小与其组成和结构有关。通常所说材料的比热值是指其干燥状态下的比热值。
比热c与质量m的乘积称为热容。选择高热容材料作为墙体、屋面、内装饰，在热流变化较大时，对稳定建筑物内部温度变化有重要意义。
几种常用建筑材料的导热系数和比热值见表1-2。
表1-2 几种常用建筑材料的导热系数和比热值
（三）材料的耐燃性与耐火性
建筑物失火时，材料能够经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能，称为材料的耐燃性。根据耐燃性不同，材料可分为燃烧类（木材、沥青等）、不燃烧类（普通石材、混凝土、砖、石棉等）和难燃烧类（沥青混凝土、经防火处理的木材等）三大类。
材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能称为材料的耐火性，如砌筑窑炉、锅炉、烟道等的材料。按耐火性高低将材料分为耐火材料（耐火砖中的硅砖、镁砖、铝砖、和铬砖等）、难熔材料（耐火混凝土等）、易熔材料（普通黏土砖等）。
常用材料的极限耐火温度见表1-3。
表1-3 常用材料的极限耐火温度
（四）材料的温度变形性
材料的温度变形性是指温度升高或降低时材料的体积变化程度。多数材料在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩。这种变化在单向尺寸上表现为线膨胀或线收缩。对应的技术指标为线膨胀系数（α）。材料的单向线膨胀量或线收缩量计算公式为
式中，ΔL为线膨胀或线收缩量（mm）；（t1-t2）为材料升降温前后的温度差（K）；α为材料在常温下的平均线膨胀系数（1/K）；L为材料原来的长度（mm）。
☼小提示
材料线膨胀系数大小与建筑温度变形的产生有着直接的关系，在工程中需选择合适的材料来满足工程对温度变形的需求。
四、材料的声学性能
材料的声学性能是通过材料与声波相互作用而呈现的，主要有吸声性和隔声性。
（一）吸声性
吸声性是指声能穿透材料和被材料消耗的性质。材料吸声性能用吸声系数α表示。吸声系数是指吸收的能量与声波原先传递给材料的全部能量的百分比。吸声系数的计算公式为
式中，α为材料的吸声系数；E0为传递给材料的全部入射声能；E为被材料吸收（包括透过）的声能。
当声波传播到材料表面时，一部分声波被反射，另一部分穿透材料，而其余部分则在材料内部的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和黏滞阻力，这样相当一部分声能转化为热能而被吸收。
材料的吸声特性除与材料的表观密度、孔隙特征、厚度及表面的条件（有无空气层及空气层的厚度）有关外，还与声波的入射角及频率有关。一般而言，材料内部具有开放、连通的细小孔隙越多，吸声性能越好；增加多孔材料的厚度，可提高对低频声音的吸收效果。同一材料，对于高、中、低不同频率的吸声系数不同。为了全面反映材料的吸声性能，规定取125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz 6个频率的平均吸声系数来表示材料吸声的频率特性。材料的吸声系数在0～1，平均吸声系数≥0.2的材料称为吸声材料。
吸声材料能抑制噪声和减弱声波的反射作用。为了改善声波在室内传播的质量，保持良好的音响效果和减少噪声的危害，在进行音乐厅、电影院、大会堂、播音室等内部装饰时，应使用适当的吸声材料。在噪声大的厂房内，有时也采用吸声材料。
（二）隔声性
声波在传播过程中被减弱或隔断的性能称为材料的隔声性。声波的传播主要通过空气和固体来实现，因而隔声分为隔空气声和隔固体声。
1.隔空气声
声波在空气中传播遇到密实的围护结构（如墙体）时，声波将激发墙体产生振动，并使声音透过墙体传至另一空间中。空气对墙体的激发服从“质量定律”，即墙体的单位面积质量越大，隔声效果越好。因此，砖及混凝土等材料的结构，隔声效果都很好。
☼小提示
透射声功率与入射声功率的比值称为声透射系数τ，该值越大则材料的隔声性能越差。材料或构件的隔声能力用隔声量R［R=10lg(1/τ)］来表示。与声透射系数τ相反，隔声量R越大，材料或构件的隔声越好。对于均质材料，隔声量符合“质量定律”，即材料单位面积的质量越大或材料的体积密度越大，隔声越好，轻质材料的质量较小，隔声性较密实材料差。
2.隔固体声
固体声是由于振源撞击固体材料，引起固体材料受迫振动而发声，并向四周辐射声能。固体声在传播过程中，声能的衰减极少。对固体声隔绝的最有效措施是断绝其声波继续传递的途径，即在产生和传递固体声波的结构层中加入具有一定弹性的衬垫材料，如木板、地毯、壁布、橡胶片等，以阻止或减弱固体声波的继续传播。
（三）影响材料吸声性能的主要因素
1.材料的表观密度
对同一种多孔材料来说，当表观密度增大，对低频的吸声效果有所提高，而对高频的吸声效果则有所降低。
2.材料的厚度
材料厚度的增加，可以提高低频的吸声效果，而对高频吸声没有多大的影响。
3.材料的孔隙特征
孔隙多且细小，吸声效果好。孔隙太大，则效果就差。如果材料中的孔隙大部分为单独的封闭气泡，则因声波不能进入，从吸声机理来讲，不属于多孔性吸声材料。当多孔材料表面涂刷油漆或材料吸湿时，则因材料的孔隙被水分或涂料所堵塞，其吸声效果也将大大降低。
4.吸声材料设置的位置
悬吊在空中的吸声材料，可以控制室内的混响时间和降低噪声。多孔材料或饰物悬吊在空中，其吸声效果比布置在墙面或顶棚上要好，而且使用和安置也比较便利。
（四）吸声材料的种类和应用
吸声材料按材料的吸声机理可分为多孔吸声材料、共振吸声结构和特殊吸声结构3类。
1.多孔性吸声材料
多孔性吸声材料主要包括纤维材料、颗粒材料及泡沫材料。
多孔性吸声材料性能是通过其内部具有的大量内外连通的微小空隙和孔洞实现的。当声波沿着微孔或间隙进入材料内部以后，激发起微孔或间隙内的空气振动，空气和孔壁摩擦产生热传导作用，空气的黏滞性使振动空气的能量不断转化为热能而被消耗，声能转弱，从而达到吸声的目的。
2.共振吸声结构
共振吸声结构是利用共振原理设计的具有吸声功能的结构。
共振吸声结构可分为4种类型：共振吸声器、穿孔板共振吸声结构、板式共振吸声结构和膜式共振吸声结构。
3.工程应用
（1）利用墙体安装共振吸声器。常见的有石膏共振吸声器、共振吸声砖以及利用空心砖砌筑空斗墙等。
（2）穿孔板共振吸声结构。一般板穿孔率较低，后补需留空腔安装，可靠墙安装，也可做共振吸声吊顶。
（3）板式共振吸声结构。建筑物内板式共振构件较多，如胶合板、中密度木纤维板、石膏板、FC板、硅酸钙板、TK板等吊顶以及后部留有空腔的护墙板均可组成板式共振吸声结构；窗玻璃、搁空木地板以及水泥砂浆抹灰顶棚也可以形成板式共振吸声结构。
（4）膜式共振吸声结构。可用多彩塑料膜在室内装修中做出各种复杂体形，即膜式共振吸声结构。