建筑材料基本物理性质

1.1.1　与质量有关的性质

自然界的材料，因其单位体积内所含孔（空）隙程度的不同，其基本的物理性质参数即单位体积的质量也有所区别，这就带来了不同的密度概念。

1.1.1.1　密度

密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。用式（1-1）计算:

式中　ρ——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。

材料在绝对密实状态下的体积，是指固体物质的体积，即不包括材料孔隙在内的实体积。常用建筑材料中，除金属、玻璃、单体矿物等少数材料外，绝大多数材料均含有一定的孔隙。测定含孔材料的密度时，应将材料磨成细粉（粒径一般小于0.20mm）除去孔隙，干燥后，用李氏瓶采用排液的方法测定其实体积。磨得越细，所测得的体积越接近实体积，密度值也就越精确。

测定某些较密实的不规则的散粒材料（如砂、石等）的密度时，常直接用排水法测其实体积的近似值，所得的密度为近似密度（旧称视密度）。

1.1.1.2　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。用式（1-2）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，cm3或m3。

材料在自然状态下的体积，也称表观体积，是指包含材料内部孔隙在内的体积。对具有规则外形的材料，其表观体积可用外形尺寸直接计算；对不具有规则外形的材料，可在其表面涂薄蜡层密封，然后采用排液法测定其表观体积。材料含水时，其质量增大，体积也会发生不同程度的变化，影响材料的表观密度。故测定表观密度时，须注明含水情况。一般所指的表观密度是在气干状态下的表观密度。烘干状态下的称为干表观密度，潮湿状态下的称为湿表观密度。

1.1.1.3　堆积密度

散粒材料（粉状、颗粒状或纤维状材料）在堆积状态下单位体积的质量，称为堆积密度。用式（1-3）计算:

式中　——堆积密度，kg/m3；

m——材料的质量，kg；

——材料的堆积体积，m3。

材料的堆积体积，不但包括其表观体积，还包括颗粒间的空隙体积。其值大小不仅取决于材料颗粒的表观密度，而且还与堆积的密实程度有关，故有松散堆积密度和紧密堆积密度之分。此外，材料的含水情况也影响材料的堆积密度。

在建筑工程中，计算材料用量、构件自重、配料计算，材料堆积体积或面积，以及计算运输材料的车辆时，经常要用到材料的上述状态参数。常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率，如表1-1所示。

表1-1　常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率

1.1.1.4　密实度与孔隙率

密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，即固体物质的体积占总体积的比例。密实度反映了材料的致密程度，以D表示，用式（1-4）计算:

含有孔隙的固体材料的密实度均小于1。材料的ρ0与ρ越接近，材料就越密实。材料的许多性能，如强度、吸水率、耐久性、导热性等均与其密实度有关。

孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率。用式（1-5）计算:

材料的孔隙率与密实度是从两个不同的方面反映材料的同一个性质。二者之间的关系如式（1-6）所示:

孔隙率的大小直接反映材料的致密程度。孔隙率越小，说明材料越密实。建筑材料的许多重要性质，如强度、吸水率、抗渗性、抗冻性、导热性、吸声性等都与材料的孔隙率大小和孔隙本身的特征有关。材料内部的孔隙又可分为连通孔与封闭孔两种，孔隙按尺寸大小又可分为微孔、细孔和大孔三种。

一般而言，孔隙率较小且连通孔较少的材料其吸水率较小，强度较高，抗渗性和抗冻性较好，但其保温隔热、吸声隔音性能稍差。

1.1.1.5　填充率与空隙率

填充率是指散粒材料在某堆积体积内，被其颗粒所填充的程度，以D′表示。用式（1-7）计算:

空隙率是指散粒材料的颗粒间的空隙占其堆积体积的百分率。用式（1-8）计算:

填充率与空隙率的关系，如式（1-9）所示:

空隙率的大小反映了散粒材料颗粒间相互填充的程度。在配制混凝土时，砂、石的空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的重要依据。

1.1.2　与水有关的性质

1.1.2.1　亲水性与憎水性

材料在空气中与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些则不能，前者表明材料有亲水性，后者表明材料有憎水性。具有亲水性的材料称为亲水性材料，具有憎水性的材料称为憎水性材料。

材料被水润湿的程度可用湿润角θ表示。当材料与水接触时，在材料、水、空气三相的交点处，沿水滴表面的切线与水和材料的接触面之间的夹角称为湿润角，如图1-1所示。由图可以明显看出，水能否湿润材料，与θ角大小有关。θ角越小，则该材料越容易被水湿润。一般认为，当θ≤90°时[如图1-1（a）所示]，水在材料表面浸润、铺展，则材料为亲水性材料。当θ＞90°时[如图1-1（b）所示]，水不能被吸附到材料上，则材料为憎水性材料。这一概念也可用于其他液体对固体材料表面的润湿情况，相应地称为亲液性材料和憎液性材料。

图1-1　材料的湿润示意图

（a）亲水性材料；（b）憎水性材料

亲水性材料被水润湿，且通过毛细管作用将水吸入材料内部。憎水性材料不能被水润湿，一般能阻止水分渗入毛细管中，从而降低其吸水性。憎水性材料常被用作防水、防潮材料，还可用作亲水材料的表面处理以降低亲水材料的吸水性。大多数建筑材料（如砂、石、水泥、混凝土、木材等）都属于亲水性材料，只有少数材料（如沥青、石蜡和某些塑料等）为憎水性材料。

1.1.2.2　吸水性

材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。其大小用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法:

（1）质量吸水率。材料吸水饱和时，所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，用式（1-10）计算:

式中　Wm——材料的质量吸水率，%；

m1——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。材料吸收水分的体积占干燥材料体积的百分率，用式（1-11）计算:

式中　WV——材料的体积吸水率，%；

VW——材料吸水饱和时水的体积，cm3；

V0——干燥材料在自然状态下的体积，cm3；

ρW——水的密度，1g/cm3。

质量吸水率与体积吸水率二者的关系如式（1-12）所示:

式中　ρ0——材料干燥状态的表观密度。

材料的吸水性，不仅取决于其亲憎水性，也与其孔隙率的大小与特征有关。一般来说，孔隙率越大，吸水性越强。由于封闭的孔隙水分不易进入，粗大开口孔隙水分又不易存留，故在相同孔隙率的情况下，材料内部封闭孔隙、粗大孔隙越多，吸水性越弱。

对某些轻质材料，如软木、加气混凝土等，由于其开口且微小的孔隙很多，故质量吸水率往往超过100%，最好用体积吸水率表示其吸水性。

1.1.2.3　吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。吸湿性的大小用含水率表示。含水率指材料含水的质量占干燥质量的百分率，用式（1-13）计算:

式中　Wh——材料的含水率，%；

mh——材料含水时的质量，g或kg；

m——材料在干燥状态下的质量，g或kg。

材料含水率的大小，除与材料的孔隙率、孔隙特征有关外，还与周围环境的温度、湿度有关。一般而言，材料孔隙率越大，内部细小孔隙、连通孔隙越多，材料的含水率越大；气温越低、相对湿度越大，材料的含水率也就越大。

材料随空气湿度的变化，既能从空气中吸收水分，也能将水分向外界扩散，最终材料中所含水分与空气的湿度达到平衡，此时的含水率成为平衡含水率。

材料的吸水性与吸湿性均会对材料的性能产生不利影响。材料吸水后其导热性增大，强度和耐久性将产生不同程度的降低。材料吸湿与还湿还会引起体积变形，影响使用。所以，对某些材料在工程中的应用要特别注意有效的防护措施。

1.1.2.4　耐水性

材料长期处于饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。一般情况下，材料含有水分时，会减弱其内部的结合力因而使强度降低。耐水性用饱和系数表示，用式（1-14）计算:(www.xing528.com)

式中　KR——材料的软化系数；

fb——材料在饱水状态下的抗压强度，MPa；

fg——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

KR的大小表明材料在吸水饱和后强度降低的程度。KR值越小，表明材料吸水饱和后强度越小，即耐水性越差，KR的取值范围在0～1之间。不同材料的KR值相差很大，如黏土KR＝0，而金属KR＝1。通常将KR的值大于0.85的材料称为耐水材料。长期处于水中或潮湿环境的重要建筑物或构筑物，必须选用耐水材料。对用于受潮湿较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.70。处于干燥环境中的材料可以不考虑软化系数。

1.1.2.5　抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，又称不透水性。材料的抗渗性常用渗透系数和抗渗等级表示。材料的渗透系数按式（1-15）计算:

式中　K——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。

渗透系数K越大，表示材料渗透的水量越多，即抗渗性越差。对于防水、防潮材料，如沥青、油毡、沥青混凝土等材料常用渗透系数表示其抗渗性。

对于混凝土、砂浆等材料，常用抗渗等级来表示抗渗性。抗渗等级是以规定时间在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定，以符号“Pn”表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力MPa数的10倍值，如P4、P8、P16等分别表示能承受0.4MPa、0.8MPa、1.6MPa的水压而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越强。

材料的抗渗性与其孔隙率和孔隙特征有关，孔隙率小且封闭孔隙多的材料具有较高的抗渗性。对于地下建筑物、水工建筑物均要求有一定的抗渗性；对于防水材料，则要求具有更高的抗渗性。材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗渗性。

1.1.2.6　抗冻性

材料在吸水饱和状态下，经受多次冻融循环作用而不破坏，其强度也不显著降低的性质，称为抗冻性。

材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件、在标准试验条件下进行冻融循环试验，以试件强度降低及质量损失值不超过规定要求，且无明显损坏和剥落时所能经受的最大循环次数来确定，用符号“Fn”表示，其中n即为最大冻融循环次数，如F50、F100、F250等。

材料遭受冻结破坏，主要是材料孔隙内的水结冰时体积膨胀（增加大约9%）而引起孔壁受力破坏所致。当冰被融化后，某些被冻胀的裂缝中还能再进水，再次结冰，材料会受到更大的冻胀和裂缝扩展。如此反复冻融循环，最终导致材料破坏。

材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度。如果孔隙中水还未达饱和，即使受冻也不会冻坏。极细的孔隙，虽可充满水，但其中水的冰点很低，需很大负温才会结冰。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高。

材料抗冻性良好，对抵抗气温变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐水性的一项重要指标。对于室外温度低于—15℃的地区，其主要工程材料必须进行抗冻试验。在温暖地区，建筑物虽不受冰冻作用，但为抵抗大气的风化作用，确保耐久性，也要求有一定的抗冻性。

1.1.3　与热、与声有关的性质

1.1.3.1　导热性

材料传导热量的能力称为导热性，其大小用导热系数表示，用式（1-16）计算:

式中　λ——导热系数，W/（m•k）；

Q——传导的热量，J；

d——材料的厚度或传到的距离，m；

A——材料的传热面积，m2；

t——热传导时间，h；

△T——材料的两侧温度差，K。

导热系数是确定材料绝热性的重要指标。值越小，则材料绝热性越好。各种建筑材料导热系数差别很大，大致在0.035～3.5W/（cm•k）之间。导热系数在0.175W/（cm•k）以下的称为绝热材料。

影响材料导热性的因素主要有以下几个:

（1）物质组成。金属材料导热性最强，无机非金属次之，有机材料导热性最弱。

（2）孔隙构造。密闭孔隙的导热系数很小，故闭口孔隙率大时导热性弱。若孔隙粗大而且连通，由于对流作用，使导热性提高。

（3）湿度。因固体导热性最强，气体最弱，液体居中，且水的导热系数大约是空气的25倍，冰的导热系数大约是水的4倍，故材料受潮后，会使导热性提高，若水再结冰，则导热性提高更大。因此，绝热材料应经常处于干燥状态，才能发挥其绝热效能。

（4）温度。温度越高，材料的导热性越强。因此绝热材料在低温下的使用效果更佳。

（5）热流方向。对于纤维结构的材料，其顺纤维方向的导热性比横纤维方向的大。

1.1.3.2　耐急冷急热性

材料抵抗急冷急热的交替作用，并能保持其原有性质的能力，称为材料的耐急冷急热性，又称材料的抗热震性或热稳定性。

当材料骤然受热或受冷发生膨胀或收缩时，由于其表面和内部不能同时达到均匀一致，各部分的变形相互制约而产生瞬态热应力，这种热应力超过材料的强度极限，材料内会出现裂纹并扩展而发生破坏、开裂或机械强度降低等现象。

许多无机非金属材料在急冷急热交替作用下，易产生巨大的温度应力而使材料开裂或炸裂破坏，如玻璃、瓷砖、釉面砖等。因此，常对这些材料的耐急冷急热性能提出要求，采用一定的标准试验方法进行评定。

1.1.3.3　耐燃性与耐火性

1.耐燃性

燃烧性能是指建筑材料或制品燃烧或遇火时所发生的一切物理和化学变化。材料抵抗燃烧的性质称为耐燃性。耐燃性是影响建筑物防火和耐火等级的重要因素。《建筑内部装修防火设计规范》（GB50222—1995）和《建筑材料燃烧性能分级方法》（GB8624—1997）按建筑材料的燃料性质不同将其分为以下四级:

（1）不燃烧材料（A级）。在空气中遇到火烧或高温作用时不起火、不微燃、不炭化的材料，如钢铁、砖、石、混凝土、玻璃等，但其中某些材料在高温下不稳定。如钢铁在600℃以上就严重变形；石灰石与大理石在900℃以上也会爆裂。用不燃材料制作的构件称为不燃烧体。

（2）难燃材料（B1级）。在空气中遇到火烧或高温作用时难起火、难微燃、难炭化，当火源移走后燃烧或微燃立即停止的材料，如经过阻燃处理的木材、沥青混凝土、水泥刨花板、硬PVC塑料板等。用难燃材料做成的构件或用燃烧材料做成而用不燃材料作保护层的构件称为难燃烧体。

（3）可燃材料（B2级）。在空气中遇到火烧或高温作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧或微燃的材料，如木材、胶合板、玻璃钢等。用这种材料制作的构件称为燃烧体，使用时应作防燃处理。

（4）易燃材料（B3级）。在空气中遇到火烧或高温作用时立即起火，并迅速燃烧，且火源离开后仍继续迅速燃烧的材料，如油漆、纤维织物及其他有机物等。

材料在燃烧时放出的烟气和毒气对人体的危害很大，远远超过火灾本身。在采用装饰、装修、绝热、隔声等表面材料时，应特别注意材料的耐燃性，火焰的扩散、烟雾浓度和燃烧释放毒性的问题。因此，建筑内部装修时，应尽量避免使用燃烧时放出大量浓烟和有毒气体的装饰材料。《建筑内部装修防火设计规范》（GB50222—1995）、《建筑材料燃烧性能分级方法》（GB8624—1997）对用于建筑物内部各部位的建筑装饰材料的燃烧等级作了严格的规定。

另外，国家还规定了下列建筑或部分室内装修宜采用非燃烧材料或难燃烧材料:

（1）高级宾馆的客房和公共场所建筑物。

（2）演播室、录音室及电化教室。

（3）大型、中型电子计算机房、电话总机房。

（4）图书室、资料室、档案室和存放文物的房间。

2.耐火性

耐火性是指材料长期抵抗高温或火的作用，保持其原有性质的能力。钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高热作用会发生变形、熔融，它们是不燃烧材料，但不是耐火材料。建筑材料或构件的耐火极限通常用时间来表示，是指对任一建筑构件按时间—温度标准曲线进行耐火试验，从材料受到火的作用时算起，直到材料失去支持能力、完整性被破坏或失去隔火作用的这段时间，以h或min计。如无保护层的钢柱，其耐火极限仅有0.25h；石膏板的耐火极限也仅为0.30h；普通混凝土砖墙、钢筋混凝土墙、加气混凝土墙的耐火极限，一般在2.5h以上，与厚度基本成正比。

对用于窑炉、壁炉、烟囱等高温部分的耐火材料。按耐火度可分为:普通耐火材料（1580～1770℃），高级耐火材料（1770～2000℃）和特级耐火材料（2000℃以上）三种。

1.1.3.4　吸声性与隔声性

1.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表示。吸声系数是指材料吸收的声能与传递给材料的入射声能的百分比。吸声系数α用式（1-17）计算:

式中　α——材料的吸声系数；

E——被材料吸收（包括透过）的声能；

E0——传递给材料的全部入射声能。

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，而其余部分则沿材料内部的大量微小孔隙深入材料内部，引起空气分子与孔壁的摩擦和粘滞阻力，使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，则吸声性能越好；多孔性吸声材料低频吸收差、高频吸收好，增加其厚度，可改善对低频声音的吸收。在墙面或天花存在空气层的穿孔板，即使材料本身吸声性能很差，也具有吸声性能，如穿孔的石膏板、木板、金属板，甚至是狭缝砖等。

材料的吸声系数并不是固定值。同一种材料，声波入射角不同，则其反射的声波也会有所不同，因而穿透材料和被材料吸收的声波也就有差异。

同一材料，对于高、中、低不同频率的吸声性能不同，或对高频、或对低频、或对某些频率具有良好的吸声性能。为了全面反映材料的吸声性能，规定取125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz六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之间，平均吸声系数不小于0.2的材料称为吸声材料。

房间内声音被界面不断反射而积累会产生混响，不同使用要求的房间需要不同的混响效果。在音乐厅、剧院等演奏音乐的空间，需要混响效果使乐曲更加舒缓而愉悦。对于语言使用的空间，如电影院、教室、礼堂、录音室等，需要减少混响使讲话更加清晰。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音的危害，在对这些空间或房间进行内部装饰时，应使用适当的吸声材料。在噪音大的厂房内有时也采用吸声材料。

2.隔声性

材料能减弱或隔断声波传递的性能称为隔声性。描述材料隔声性能的指标是隔声量，其单位为分贝（dB），用式（1-18）计算:

式中　τ——透射声能与入射声能的比。

声波在建筑中的传播主要通过空气和固体来实现，如谈话声、音乐声等通过空气传播，机器的振动、排水声等通过地板和管道介质传播。因而，隔声分为隔空气声和隔固体声两种:

（1）隔空气声。隔绝空气声的主要依据是声学中的“质量定律”，即材料单位面积的质量越大或材料的密度越大，隔声效果越好。轻质材料的质量越小，隔声性较密实材料差。像砖墙、水泥墙或厚钢板、铅板等单位面积质量大的材料，隔声效果都比较好。

（2）隔固体声。固体声是由于振源撞击固体材料，致使固体材料受迫振动而发生，并向四周辐射声能，在传播过程中，声能的衰减极少。隔绝固体声的最有效措施是断绝其声波继续传递的途径。具有一定弹性的衬垫材料，如软木、橡胶、毛毡、地毯等置于能产生和传递固体声波的结构层中或表面，能阻止或减弱固体声波的继续传播。举个例子来看，楼下一层的住户能很清楚地听到楼上的脚步声以及挪动家具的声音等，原因是通常用的10cm单层楼板的隔声性能较差，若在浇筑楼板前先做一个垫层，则会有很好的效果。

应该特别指出的是，材料的吸声性能和隔声性能是两个不同的概念，有着本质的区别。材料的吸声着眼于声源一侧反射声能的大小，目标是反射声能要小；材料隔声着眼于入射声源另一侧的透射声能的大小，目标是透射声能要小。同一种材料（经特殊处理的除外）不容易兼有吸声和隔声的性能。