水与建筑材料的相关性质

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;材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。

材料被水湿润的程度可以用润湿角θ来表示,当材料与水在空气中接触时,在材料、水、空气三相交点处,沿水滴的表面作切线,切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角,用θ表示。润湿角θ越小,说明材料越容易被水润湿。试验证明,润湿角θ≤90°的材料为亲水性材料,如图1-3(a)所示;反之,θ＞90°的材料不能被水湿润,为憎水性材料,如图1-3(b)所示。当θ＝0°时,表明材料完全被水润湿。

测试题

图1-3　材料的湿润角示意

(a)亲水性材料;(b)憎水性材料

亲水性材料表面能被水湿润,并且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部。大多数建筑材料,如石料、水泥、混凝土、砂、砖、木材等都属于亲水性材料;憎水性材料表面不仅不能被水湿润,而且还能阻止水渗入到毛细管中。因此,建筑中常用憎水性材料作防水、防潮材料,如沥青、石蜡、油漆、塑料等。

2.吸水性和吸湿性

(1)吸水性。材料在水中(通过毛细孔隙)吸收水分的性质称为吸水性。吸水性的大小一般用吸水率表示。吸水率一般有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。

1)质量吸水率是指材料吸水饱和时,其内部吸收水分的质量占干燥质量的百分率。按式(1-9)进行计算。

式中　W m——材料的质量吸水率(%);

mb——材料在吸水饱和状态下的质量(g);

m——材料在干燥状态下的质量(g)。

2)体积吸水率是指材料吸水饱和时,其内部吸收水分的体积占干燥体积的百分率。按式(1-10)进行计算。

式中　W V——材料的体积吸水率(%);

ρ水——水的密度,在常温下取1g/cm3;

m——材料在干燥状态下的质量(g)。

体积吸水率与质量吸水率的关系为

常用的建筑材料,其吸水率一般用质量吸水率表示。而在实际工程中,对于某些轻质材料,如加气混凝土、木材等,由于吸入水分的质量往往超过干燥时的自重,此时,质量吸水率会大于100%,为了方便表示,要采用体积吸水率表示其吸水性。

材料吸水率的大小,不仅与材料的亲水性或憎水性有关,而且与材料的孔隙率和孔隙特征有关系。材料所吸收的水分是通过开口孔隙吸入的。一般来说,孔隙率越大,开口孔隙越多,则材料的吸水率越大;但如果开口孔隙粗大,则水分不宜存留,即使空隙率较大,吸水率也较小;另外,封闭空隙水分不能进入,吸水率也较小。

各种材料的吸水率差异很大,如花岗石的吸水率为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%,而木材的吸水率甚至会超过100%。

(2)吸湿性。材料在潮湿空气中吸附水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性大小,用含水率表示。含水率是指材料内部所含水的质量占干材料质量的百分率。按式(1-12)进行计算。

式中　Wh——材料的含水率(%);

mh——材料在吸湿状态下的质量(g);

m——材料在干燥状态下的质量(g)。(www.xing528.com)

材料的吸水率是一个定值,是材料在规定条件下的最大含水率。而材料的含水率除与本身的成分、组织构造等有关外,还随空气的湿度、温度变化而变化,空气的温度越低,相对湿度越大,材料的含水率越大。

材料吸水或吸湿后将对材料性质产生不良影响,如体积膨胀、强度降低、保温性能下降、抗冻性变差。因此,某些材料在储存、运输、使用过程中应特别注意采取有效的防水、防潮措施。

拓展内容

材料既能在潮湿的空气中吸收水分,又能向干燥的空气释放水分,在一定的温度和湿度条件下,材料中所含水分与周围空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。当材料内部孔隙吸水达到饱和时,此时的含水率等于吸水率。

3.耐水性

材料长期在饱和水作用下不被破坏,同时强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性好坏用软化系数表示。软化系数是指材料在饱和水状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度的比值。按式(1-13)进行计算。

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);

f——材料在干燥状态下的抗压强度(MPa)。

材料的软化系数为0～1。材料在水中浸泡时,其强度都有不同程度的下降,即使是致密的石材,也不能完全避免。如花岗石长期浸泡在水中,其强度将下降3%,烧结普通砖和木材所受的影响更为显著。所以,材料的软化系数一般都小于1。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。经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料,软化系数不宜小于0.85;受潮较轻或次要结构物的材料,软化系数不宜小于0.70。软化系数大于0.85的材料,称为耐水性材料。

4.抗冻性

材料在吸水饱和状态下,能经受多次冻融循环而不被破坏,同时强度也不严重降低的性质称为抗冻性。按照国家标准规定,材料的抗冻性可以采取快冻和慢冻两种试验方法测定,可以用抗冻等级表示材料抗冻性的大小。

(1)快冻试验法是采用100mm×100mm×400mm 的棱柱体试件,以28d龄期后进行试验,试件吸水饱和后承受反复冻融循环,一个循环在2～4h内完成。材料的抗冻性能以相对动弹性模量值不小于60%,而且质量损失率不超过5%时所承受的最大冻融循环次数表示,如F50、F100、F150等。

(2)慢冻试验法是指材料在室内常温(20±2)℃和1 个大气压条件下吸水至饱和后,置于15 ℃以下冻结4h,然后取出放入(20±5)℃的水中融解4h,如此为一次冻融循环。材料的抗冻性能以材料的质量损失不超过5%、压力损失不超过25%,且试件表面无剥落、裂缝、分层及掉边等现象时所承受的最大冻融循环次数表示,如D50、D100、D150等。

抗冻等级越高,材料的抗冻能力越强,材料可以经受的冻融循环次数就越多。材料经受冻融循环作用而破坏,主要是因为材料内部孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积要增大,若材料内部孔隙充满了水,则结冰产生的膨胀会对孔隙壁产生很大的应力,当此应力超过材料的抗拉强度时,孔壁将产生局部开裂。

5.抗渗性

抗渗性是指材料在水、油、酒精等液体的压力作用下抵抗渗透的性能。当材料两侧存在不同水压时,破坏性因素可通过水或气体进入材料内部,然后将所分解的产物压出材料,使材料逐渐破坏,如地下建筑、压力管道等经常受到压力或水头差的作用,所以要求材料具有一定的抗渗性。

材料的抗渗性通常有渗透系数和抗渗等级两种表示方法。

(1)渗透系数。渗透系数的物理意义是指一定厚度的材料在单位压力水头作用下,单位时间内通过单位面积的水量。用式(1-14)表示如下:

测试题

式中　K——渗透系数(cm/h);

W——透过材料试件的水量(cm3);

A——透水面积(cm2);

h——材料两侧的水压差(cm);

d——试件厚度(cm);

t——透水时间(h)。

渗透系数反映了材料抵抗压力水渗透的能力。材料的渗透系数越小,说明材料在单位时间内静水压力水头作用下通过单位面积及高度的渗透水量越小,其抗渗性越好。对于防水、防潮材料,如沥青、油毡等常用渗透系数表示其抗渗性。

(2)抗渗等级。抗渗等级是以28d龄期的标准试件,按标准试验方法进行试验时所能承受的最大水压力来确定的。以符号“P”和材料渗透前的最大水压力表示,在建筑工程中大量使用的砂浆、混凝土的抗渗性用抗渗等级表示。如混凝土的抗渗等级可分为P4、P6、P8、P10,分别表示材料能够承受0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa的水压而不渗水。抗渗等级越大,材料的抗渗性越好。