2.2 材料的基本物理性质

2.2.1 材料与水有关的性质

2.2.1.1 亲水性与憎水性

材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性,反之,材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。

材料的亲水性与憎水性程度可用润湿角θ来表示,如图23所示。θ角越小,表明材料越易被水润湿。一般认为,当润湿角θ≤90°时,表明水分子之间的内聚力小于水分子与材料之间的吸引力,材料具有亲水性,此种材料称为亲水性材料,如石材、砖瓦、陶瓷、木材、混凝土等;当润湿角θ>90°时,表明水分子之间的内聚力大于水分子与材料之间的吸引力,材料具有憎水性,此种材料称为憎水性材料,如沥青、石蜡和某些高分子材料等。由此可见,润湿角越小,材料亲水性越强,越易被水润湿,当θ=0时,表示该材料完全被水润湿。

图23 材料润湿示意图

2.2.1.2 吸水性与吸湿性

1.吸水性

材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示,有以下两种表示方法。(1)质量吸水率。

质量吸水率是指材料在吸水饱和时,所吸水的质量占材料干燥状态下质量的百分率,用式

(2 10)表示。

Wm=mbm-gmg×100%

(2 10)

式中 Wm———材料的质量吸水率,%;

mb———材料吸水饱和状态下的质量,g或kg;mg———材料在干燥状态下的质量,g或kg。(2)体积吸水率。

体积吸水率是指材料在吸水饱和时,所吸水的体积占材料表观体积的百分率,用式(211)表示。

Wv=VVw0×100%=Wmρ0

(2 11)

式中 Wv———材料的体积吸水率,%;

Vw———材料吸水饱和时水的体积,cm3或m3

ρw———水的密度,g/cm3

材料的吸水率与其孔隙特征有很大关系。若材料具有封闭孔隙,则水分难以渗入材料内部,吸水率就较小;若材料有较多粗大的开口孔隙,水分虽然容易进入,但不易在孔中保留,吸水率也较小;若材料具有较多细微且连通的孔隙,则吸水率会较大。各种材料的吸水率差异很大,如花岗岩的吸水率只有0.5%~0.7%,混凝土的吸水率为2%~3%,烧结普通砖的吸水率为8%~20%,

木材的吸水率可超过100%。

2.吸湿性

材料的吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。反之,材料在干燥空气中会放出所含水分,称为还湿性。材料的吸湿性用含水率表示,如式(212)。

Wh=msm-gmg×100%

(2 12)

式中 Wh———材料的含水率,%;

ms———材料在吸湿状态下的质量,g或kg;mg———材料在干燥状态下的质量,g或kg。

材料的含水率随空气湿度和环境温度的变化而变化,在空气湿度增大、温度降低时,材料的含水率变大,反之变小。材料中所含水分与空气温度、湿度相平衡时的含水率,称为平衡含水率(或称气干含水率)。材料的开口微孔越多,吸湿性越强。

材料吸水或吸湿后,对材料很多性能产生显著影响,它会使材料的表观密度增大、体积膨胀、强度下降、保温性能降低、抗冻性变差等。

2.2.1.3 耐水性

材料的耐水性是指材料长期在水作用下不破坏、强度也不明显下降的性质。耐水性用软化系数

表示,如式(2 13)。

KR=fb

(2 13)

fg

式中 KR———材料的软化系数;

fb———材料在吸水饱和状态下的抗压强度,MPa;fg———材料在干燥状态下的抗压强度,MPa。

一般地,材料吸水后,强度均会有所降低,强度降低越多,软化系数越小,说明该材料耐水性越差。

材料的KR在0~1之间,工程中将KR>0.85的材料称为耐水材料。长期处于水中或潮湿环境中的重要结构,所用材料必须保证KR>0.85,用于受潮较轻或次要结构的材料,其值也不宜小于0.75。

2.2.1.4 抗渗性

材料的抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性能。大多数造园材料常含有孔隙、孔洞或其他缺陷,当材料两侧的水压差较大时,水可能从高压侧通过内部的孔隙、孔洞或其他缺陷渗透到低压侧。这种压力水的渗透,不仅会影响工程的使用,而且渗入的水还会带入能腐蚀材料的介质,或将材料内的某些成分带出,造成材料的破坏。

1.渗透系数

材料的抗渗性用渗透系数表示,如式(214)。

K=Qd

(2 14)

AtH

式中 K———材料的渗透系数,cm/h;

Q———渗透水量,cm3;d———试件厚度,cm;A———渗水面积,cm2;t———渗水时间,h;

H———静水压力水头,cm。

上式表明,在一定时间内,透水材料试件的水量与试件的断面积及水头差(液压)成正比,与试件的厚度成反比。渗透系数K反映水在材料中流动的速度。K值越小,说明水在材料中流动的速度越慢,其抗渗性越强。

2.抗渗等级

对于现代园林工程中大量使用的砂浆、混凝土等材料,其抗渗性能常用抗渗等级来表示。抗渗等级是以规定的试件,在标准试验条件下所能承受的最大水压力来确定,用式(215)表示。

Pn=10H-1

(2 15)

式中 Pn———材料的抗渗标号;

H———材料透水前所能承受的最大水压力,MPa。

抗渗等级符号Pn中,n为该材料在标准试验条件下所能承受的最大水压力的10倍数,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。

材料的抗渗性不仅与材料本身的亲水性和憎水性有关,还与材料的孔隙率和孔隙特征有关。材料的孔隙率越小,封闭孔隙越多,其抗渗性越强。经常受压力水作用的园林室外工程,应选用具有一定抗渗性的材料。抗渗性是检验防水材料质量的重要指标。

2.2.1.5 抗冻性

材料的抗冻性是指材料在吸水饱和状态下,能经受多次冻融循环作用而不被破坏,强度也不显著降低的性能。

材料的抗冻性与其内部孔隙构造特征、材料强度、耐水性和吸水饱和度等因素有关。抗冻性良好的材料,其抵抗温度变化、干湿交替等破坏作用的能力较强。所以,抗冻性常作为评价材料耐久性的一个指标。

材料的抗冻性常用抗冻等级表示,如F15,F25,F50,F100,F200等分别表示材料能承受15,25,

50,100,200次的冻融循环。材料抗冻性等级的选择,是根据建筑的类型、使用条件、气候条件等来决定的。例如烧结普通砖、陶瓷面砖、轻混凝土等墙体材料,一般要求其抗冻等级为F15或F25;用于道路和桥梁的混凝土应为F50,F100或F200;水工混凝土要求高达F500

2.2.2 材料与热有关的性质

2.2.2.1 导热性

材料的导热性是指材料传导热量的能力。导热性用导热系数表示,如式(216)。

λ=(t1-Qta2)AZ

(2 16)

式中 λ———材料的导热系数,W/(m·K);

Q———传导热量,J;a———材料厚度,m;A———传热面积,m2;Z———传热时间,s;

t1-t2———材料两侧温度差(t1>t2)(K)。

上式表示,厚度为1m的材料,当其相对两侧表面温度差为1K时,在1s时间内通过1m2面积的热量。因此,材料的导热系数越小,表示其越不易导热,绝热性能越好。在工程中常将

λ≤0.175W/(m·K)的材料称为绝热材料。2.2.2.2 热阻

在工程中常把1/λ称为材料的热阻,用R表示,单位是(m·K)/W。它表明热量通过材料层时所受到的阻力。在同样的温差条件下,热阻越大,通过材料层的热量就越少。

导热系数λ和热阻R是评定材料绝热性能(即保温隔热性能)的主要指标,其大小除与材料的性质、结构、密度有关外,还与材料的含水率及环境温度有关。一般地,材料孔隙率越大,其热阻就越大。材料在受潮或受冻后,其热阻会大大降低。因此,绝热材料应经常处于干燥状态,以利于发挥材料的绝热效能。

2.2.2.3 热容量和比热容

1.热容量

热容量是指材料受热时吸收热量,冷却时放出热量的性质,用式(217)表示。

Q=mc(t1-t2

(2 17)

式中 Q———材料的热容量,J;

m———材料的质量,g;

c———材料的比热容,J/(g·K);

t1-t2———材料受热或冷却前后的温差,K。2.比热容

比热容是指单位质量的材料,当温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量,用式(218)表示。

c=m(t1Q-t2

(2 18)

式中 c、Q、m、(t1-t2)的意义,同上所述。

比热容是反映材料吸热或放热能力大小的物理量。对保持建筑物内部温度稳定有很大意义。比热容大的材料,利于维持室内温度稳定,减少热量损失,易于实现节约能源的目的。对节约能源起着重要的作用。常见造园材料的热工指标见表22。

表2 2

几种典型造园材料的热工性质指标

2.2.2.4 热变形性

材料的热变形性是指材料在温度变化时的尺寸变化。材料的热变形性常用线膨胀系数来表示,

如式(2 19)。

α=VL

(2 19)

L(t2-t1

式中 α———材料的线膨胀系数,1/K;

L———材料的原长度,mm;

VL———材料的线变形量,mm;

t2-t1———材料在升、降温前后的温差,K。

除个别材料(如水结冰,体积增大)外,一般材料均符合热胀冷缩这一自然规律。线膨胀系数越大,表示材料的热变形性越大。普通混凝土膨胀系数为10×10-6/K,钢材膨胀系数为10×

10-6/K~12×10-6/K,因此,它们能组合成钢筋混凝土共同工作。2.2.2.5 耐燃性和耐火性

1.耐燃性

耐燃性是指材料在火焰和高温作用下可否燃烧的性质。

材料的耐燃性是决定建筑物防火、建筑结构耐火等级的重要因素。我国现行规范《建筑材料及制品燃烧性能分级》(GB8624—2006)将建筑材料及制品分为:不燃材料(A1级匀质材料、A2级复合材料)、难燃材料(B级、C级)、可燃材料(D级、E级)、易燃材料(F级)等4类,共7

个等级。

(1)不燃材料。在空气中受到火烧或高温作用时,不起火、不碳化、不微烧的材料,称为不燃材料。如砖、砂浆、混凝土、金属材料和天然或人工的无机矿物材料。

(2)难燃材料。在空气中受到火烧或高温作用时,难起火、难碳化、离开火源后燃烧或微烧立即停止的材料,称为难燃材料。如石膏板、水泥石棉板、水泥刨花板等。

(3)可燃材料。在空气中受到火烧或高温作用时,立即起火或微燃,离开火源后继续燃烧或微燃的材料,称为可燃材料。如胶合板、纤维板、木材等。

(4)易燃材料。在空气中受到火烧或高温作用时,立即起火并迅速燃烧,且离开火源后仍继续迅速燃烧的材料,称为易燃材料。如油漆、纤维织物等。

2.耐火性

耐火性是指材料在火焰和高温作用下,保持其不破坏、性能不明显下降的能力。

材料的耐火性用其耐火时间(h)来表示,称为耐火极限。耐燃的材料不一定耐火,耐火的材料一般都耐燃。如钢材是非燃烧材料,但其耐火极限仅有0.25h,故钢材虽为重要的建筑结构材料,但其耐火性却较差,使用时须进行特殊的耐火处理。

2.2.3 材料的声学性质

2.2.3.1 吸声性

材料的吸声性是指声能穿透材料和被材料消耗的性质(见图24)。材料的吸声性用吸声系数

表示,如式(2 20)。

Eα

α=

=Eα

(2 20)

Er+Eα+Eζ

Ei

式中 α———材料的吸声系数;

Ei———入射声能;Er———反射声能;Eα———吸声声能;Eζ———透射声能。

材料的吸声效果主要受材料的密度、厚度、孔隙率、孔隙特征影响。

图24 声波的入射、反射、

吸收及透射

2.2.3.2 隔声性

声波在建筑结构中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(在10.4.2隔音材料一节中有详细讲解,此处不再赘述)。