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2014年10月，我国住房和城乡建设部印发了《海绵城市建设技术指南》，就海绵城市在设计过程中可能使用的土木工程材料进行技术分析选择。建设用土木工程材料要与城市所处的地质水文等自然环境因素密切结合、因地制宜，经济高效地形成组合系统，发挥土木工程材料在海绵城市建设方面的优势。那么对于这些土木工程材料而言，具有什么样的物理性质，是我们进行工程建设时选取它的必要条件呢？
1．密度
密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算。
式中 ρ ——材料的密度，kg/m 3 或g/cm 3 ；
m ——材料的质量（干燥至恒重）, kg或g；
V ——材料在绝对密实状态下的体积，m 3 或cm 3 。
密度是材料基本物理性质之一，与材料其他性质关系密切。除了钢材、玻璃等少数材料外，绝大多数材料内部都有一些孔隙。在测定有孔隙材料（如砖、石等）的密度时，应把材料磨成细粉，干燥后，用李氏瓶测定其绝对密实体积。
另外工程上还经常用到相对密度，旧称比重，是指材料的密度与4℃纯水密度之比。
2．表观密度
表观密度是指材料在自然状态下单位体积（含材料实体及闭口孔隙体积）的质量，也称视密度，按下式计算。
式中 ρ 0 ——材料的表观密度，kg/m 3 或g/cm 3 ；
m ——材料的质量，kg或g；
V 0 ——材料在包含闭口孔隙条件下（即只含内部闭口孔，不含开口孔）的体积，m 3 或cm 3 ，如图1.3所示。
通常材料在包含闭口孔隙条件下的体积，采用排液置换法或水中称重法测量。
3．体积密度
体积密度是指材料在自然状态下单位体积（包括材料实体及其开口孔隙、闭口孔隙）的质量，俗称容重，可按下式计算。
式中 ρ ′——材料的体积密度，kg/m 3 或g/cm 3 ；
m ——材料的质量，kg或g；按有关标准规定，该质量是指自然状态下的气干质量，即将试件置于通风良好的室内存放7d后测得的质量；
V ′——材料在自然状态下的体积，包括材料实体及内部孔隙（包括开口孔隙和闭口孔隙）, m 3 或cm 3 ，材料体积示意如图1.3所示。
图1.3 材料体积示意
1—固体；2—闭口孔隙；3—开口孔隙
对于形状规则材料的体积，可用量具测得。例如，加气混凝土砌块可逐块量取长、宽、高三个方向的轴线尺寸，计算其体积。对于形状不规则材料的体积，可用排液法或封蜡排液法测得。
材料的表观体积是包括了内部孔隙的体积。当材料内部孔隙含水时，其质量和体积都会发生变化，故测定体积密度时应注意其含水情况。一般情况下，体积密度是指气干状态下的体积密度，而在烘干状态下的体积密度则称为干体积密度。
4．堆积密度
堆积密度是指散粒状材料单位堆积体积（含物质颗粒固体及其闭口、开口孔隙体积以及颗粒间空隙体积）的物质颗粒的质量，有干堆积密度及湿堆积密度之分，可按下式计算。
式中 ρ′ 0 ——材料的堆积密度，kg/m 3 或g/cm 3 ；
m ——材料的质量，kg或g；
V′ 0 ——材料的堆积体积，m 3 或cm 3 。
材料的堆积体积，包括材料绝对体积、内部所有孔隙体积和颗粒间的空隙体积。材料的堆积密度，反映了散粒结构材料堆积的紧密程度及材料可能的堆放空间。
需要注意的是，表观密度和堆积密度在现行国家标准和行业标准中的表示符号略有差异，但其定义和公式表达与本教材是一致的。
在土木工程材料的使用中，为了计算材料的用量、构件自身质量、材料的配合比及材料堆放空间，经常需要用到密度、表观密度、体积密度和堆积密度等数据。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度见表1-1。
表1-1 常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度 单位：g/cm 3
1．孔隙率与密实度
材料的孔隙率是指材料中的孔隙体积占材料自然状态下总体积的百分率，以 P 表示，按下式计算。
密实度是与孔隙率相对应的概念，指材料体积内被固体物质充实的程度，用符号 D 表示，按下式计算。
孔隙率和密实度从不同侧面反映了材料的致密程度，即 P + D =1。
孔隙率的大小直接反映了材料的致密程度。材料的许多性质如强度、热工性质、声学性质、吸水性、吸湿性、抗渗性、抗冻性等都与孔隙相关，不仅与材料的孔隙率大小有关，而且与材料的孔隙特征有关。孔隙特征是指孔的种类（开口孔与闭口孔）、孔径的大小及孔的分布是否均匀等。
一般来说，同一种材料的孔隙率越高，密实度越低，相应地材料的表观密度、体积密度和堆积密度越低，强度也越低。开口孔隙率越高，其耐水性、抗渗性、耐腐蚀性等性能越差；闭口孔隙率越高，材料的保温性能越好。
2．材料的空隙率与填充率
材料空隙率是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率，以符号 P ′表示，按下式计算。
填充率是指散粒状材料在自然堆积状态下，其中的颗粒体积占自然堆积状态下的体积百分率，用符号 D′ 表示，按下式计算。
空隙率和填充率从两个不同侧面反映了粉状或颗粒状材料的颗粒相互填充的疏密程度，即 P′ + D′ =1。
空隙率的大小直接反映了散粒材料的颗粒互相填充的致密程度，可作为计算混凝土骨料级配和砂率的依据。当计算混凝土中粗骨料的空隙率时，由于混凝土拌合物中的水泥浆能进入石子的开口孔内，开口孔体积也算空隙体积的一部分，因此这时应按石颗粒的表观密度 ρ 0来计算。
1．亲水性与憎水性
当水与材料接触时，在材料、水和空气三相交点处，沿水表面的切线与水和固体接触面所成的夹角θ称为润湿角，如图1.4所示。 θ 越小，浸润性越好，如果该值为零，则表示该材料完全被水所浸润。一般认为，当 θ ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子间的相互吸引力，这种性质称为材料的亲水性，具有这种性质的材料称为亲水性材料 [图1.4（a）]；当 θ ＞90°时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子间的吸引力，则材料表面不会被水浸润，这种性质称为材料的憎水性，具有这种性质的材料称为憎水性材料 [图1.4（b）]。含有毛细孔的材料，当孔壁表面具有亲水性时，由于毛细作用会自动将水吸入孔隙内，当孔壁表面表现为憎水性时，则需要施加一定压力才能使水进入孔隙内。这一概念也可用于其他液体对固体材料表面浸润情况，相应的称为亲液或憎液材料。
图1.4 材料的润湿角
土木工程材料中，各种无机胶凝材料、玻璃、陶瓷、金属材料、石材等无机材料和部分木材等为亲水性材料，沥青、油漆、塑料、防水油膏等为憎水性材料。憎水性材料常用作防潮、防水及防腐材料，也可以对亲水性材料进行表面涂覆，以降低亲水性材料与环境中水分的接触。
2．吸水性与吸湿性
1）吸水性
材料的吸水性是指材料在水中吸收水分的性质。材料吸水饱和时的含水率称为材料的吸水率，有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。
（1）质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占干燥材料质量的百分数，用下式表示。
式中 W m ——质量吸水率，%；
m g ——材料在干燥状态下的质量，g；
m b ——材料在吸水饱和状态下的质量，g。
（2）体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占干燥材料体积的百分数，用下式表示。
式中 W v ——体积吸水率，%；
V 0 ——干燥材料体积，cm 3 ；
ρ w——水的密度，g/cm 3 。
材料吸水率的大小不仅取决于材料与水的亲憎性，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。具有细微而连通孔隙且孔隙率大的亲水性材料，吸水率较大；具有粗大孔隙的材料，虽然水分容易渗入，但仅能润湿孔壁表面而不易在孔内存留，因而其吸水率不高；密实材料以及仅有封闭孔隙的材料是不吸水的。各种材料的吸水率相差很大。
材料含水后，其质量增加，强度降低，保温性能下降，抗冻性能变差，有时还会发生明显的体积膨胀。吸水饱和后，吸入水的体积与孔隙体积之比称为饱和系数。
2）吸湿性
材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，同样以含水率表示。吸湿作用一般是可逆的，也就是说材料既可吸收空气中的水分，又可向空气中释放水分。
含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比，按下式计算。
式中 W b ——材料的含水率，%；
m g ——材料在干燥状态下的质量，g；
m s ——材料在含水状态下的质量，g。
材料的含水率受环境影响，随空气温度和湿度的变化而变化。当材料中的湿度与空气湿度达到平衡时，相应含水率称为平衡含水率。吸湿对材料的性能有显著的影响，如木门、窗在潮湿环境中往往不易开关，就是由于木材吸湿膨胀而引起的，而保温材料在吸湿后导热系数会变大，导致保温性能降低。
影响材料吸湿性的因素较多，除了上面提到的环境温度和湿度的影响外，材料的亲水性、孔隙率与孔隙特征等都对吸湿性有影响。亲水性材料比憎水性材料有更强的吸湿性，材料中孔对吸湿性的影响与其对吸水性的影响相似。
3．耐水性
材料抵抗水的破坏作用的能力，称为材料的耐水性。广义的耐水性，包括在水作用下发生的力学性质、光学性质、装饰性质等多方面性质的劣化作用；狭义的耐水性，是指材料长期在水作用下结构不破坏而且强度也不显著降低的性质。
一般材料含水后，由于材料表面张力的作用，会在材料表面定向吸附，产生劈裂破坏作用，导致材料强度呈现不同程度的降低；同时水分子进入材料内部后，某些材料会出现吸水体积膨胀，从而导致材料开裂破坏；此外，材料内部某些可溶物将发生溶解，导致材料孔隙率增加，进而降低材料的强度。因此，一般材料遇水后，强度都会有不同程度的降低，即使致密度很高的岩石也要受影响，而普通烧结黏土砖、木材等遇水后其强度会受到相当大的影响。材料耐水性用软化系数 K R 表示，按下式计算。
式中 f b ——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；
f g ——材料在干燥状态下的抗压强度，M Pa。
材料的软化系数范围波动在0～1之间，软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低得越大。通常将软化系数大于0.85的材料看作是耐水材料。软化系数的大小，对在潮湿环境中或水中使用的土木工程材料来说，是成为选择该材料与否的重要依据。受水浸泡或长期处于潮湿环境的重要建筑物或构筑物，所用材料的软化系数不应低于0.85。
4．抗渗性
抗渗性是指材料抵抗压力水渗透的性质，常用渗透系数或抗渗等级来表示。渗透系数按下式计算。
式中 K S ——渗透系数，cm/h；
Q ——透水量，cm 3 ；
d ——试件厚度，cm；
A ——透水面积，cm 2 ；
t ——渗透时间，h；
H ——水头高度，cm。
渗透系数 K S 的物理意义是：一定时间内，在一定的水压作用下，单位厚度的材料在单位截面面积上的透水量。渗透系数越小的材料，其抗渗性越好。
抗渗等级常用于混凝土和砂浆等材料评估，是指在规定试验条件下，该材料所能承受的最大水压力，常用抗渗等级 P 表示为
式中 H ——试件开始渗水时的水压力，MPa。
抗渗等级常写为P n ，如P4、P6、P8等，分别表示材料能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa的水压力而不渗水。
材料抗渗性的好坏，与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。材料越密实、闭口孔越多、孔径越小，就越难渗水；具有较大孔隙率且孔连通、孔径较大的材料，其抗渗性较差。
5．抗冻性
抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏、强度又不显著降低的性质。
材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级代表吸水饱和后的材料经过规定的冻融循环次数后，其试件的质量损失或相对动弹性模量下降符合有关标准规范的规定值。
混凝土的抗冻等级以符号F表示，后面带上可经受冻融循环次数的数字，记为F50、F100、F200、F500等。如F100表示所能承受的最大冻融循环次数不少于100次，试件的相对动弹性模量下降应不超出60%或质量损失不超过5%。
材料在吸水后，如果在负温下受冻，水在材料毛细孔内结冰，体积膨胀约达9%，则冰的冻胀压力将带来材料的内应力，使材料遭到局部破坏。随着冻结和融化的循环进行，冰冻对材料的破坏作用会逐步加剧，这种破坏称为冻融破坏。
材料的抗冻性与强度、孔隙率大小及特征、含水率等因素有关。材料强度越高，抗冻性越好，而孔对抗冻性的影响与其对抗渗性的影响相似。当材料孔隙吸水后还有一定的空间，含水未达到饱和时，可缓解冰冻的破坏作用。
土木工程材料除了要满足必要的强度和其他性能要求外，为了节约土建结构物的使用能耗和提供生产生活适宜条件，常常要求土木工程材料具有一定的热工性质，以维持室内温度。常用的表示材料热工性质的参数有导热性、比热容、热容量等。
1．热容量和比热容
材料的热容量是指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力，可用下式表示。
式中 Q ——材料的热容量，kJ；
m ——材料的质量，kg；
T 2 - T 1 ——材料受热或冷却前后的温度差，K；
c ——材料的比热容，kJ/（k g · K）。
材料比热容的物理意义，是指1kg重的材料，在温度每改变1K时所吸收或放出的热量，用公式表示为
材料的导热系数和热容量是设计建筑物围护结构（墙体、屋盖）进行热工计算时的重要参数，设计时应选用导热系数较小而热容量较大的土木工程材料，以使建筑物保持室内温度的稳定性。导热系数也是工业窑炉热工计算和确定冷藏库绝热层厚度的重要数据。
2．导热性
当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的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。
材料的导热性可用导热系数来表示。导热系数的物理意义是：厚度1m的材料，当温度每改变1K时在1s时间内通过1m 2 面积的热量，用公式表示为
式中 λ ——材料的导热系数，W/（m·K）；
Q ——传导的热量，J；
δ ——材料的厚度，m；
A ——材料传热的面积，m 2 ；
t ——热传导时间，s；
T 2 - T 1 ——材料两侧温度差，K。
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，工程中通常把 λ ＜0.175W/（m·K）的材料称为绝热材料。常用土木工程材料的热工性质指标见表1-2。
表1-2 常用土木工程材料的热工性质指标
材料的组成和结构决定了材料的导热系数，该值一般而言，金属材料＞无机非金属材料＞有机材料，晶体材料＞非晶体材料。材料的导热系数与材料的孔隙构造有密切关系，由于密闭空气导热系数很小，所以材料的孔隙率较大者其导热系数较小，但如果孔隙粗大或贯通，由于对流作用的影响，材料的导热系数反而会增大，另外，材料在受潮或受冻后其导热系数也会大大提高，这是由于水和冰的导热系数比空气高，因此绝热材料应长期处于干燥状态，以保持其绝热效能。
3．耐燃性
材料对火焰和高温的抵抗能力称为材料的耐燃性，是影响建筑物防火性能、建筑结构耐火等级的一项因素。由此出发，可把土木工程材料分为以下三类。
（1）非燃烧材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时不起火、不碳化、不微燃的材料，如钢铁、砖、石等。用非燃烧材料制作的构件，称为非燃烧体。钢铁、铝、玻璃等材料受到火烧或高热作用时会发生变形、熔融，所以虽然是非燃烧材料，都不是耐火材料。
（2）难燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时难起火、难微燃、难碳化，且当火源移走后，已有的燃烧或微燃立即停止的材料，如经过防火处理的木材和刨花板。
（3）可燃材料：在空气中受到火烧或高温高热作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧的材料，如木材。用这种材料制作的构件，称为燃烧体，使用时应做防燃处理。
GB8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》将建筑材料及建筑用制品划分为四个等级：A级为不燃材料（制品）, B1级为难燃材料（制品）, B2级为可燃材料（制品）, B3级为易燃材料（制品）。通过燃烧性能等级判据对建筑材料及制品进行分类。
【应用案例1-1】 新建房屋墙体保温性相对较差的现象：新建房屋的墙体保温性能要较使用或居住一段时间后已经干燥的墙体要差，尤其是在冬季，这种差异更加明显。请问原因何在？
解析 ：新建房屋的墙体材料未完全干燥，构成墙体的土木工程材料内部孔隙中含有较多的水分，水的导热系数是0.58W/（m·K）。相比之下，干燥墙体的材料内部孔隙被空气所填充，而空气的导热系数只有0.023W/（m·K），两种导热系数相差近25倍，导热系数越小保温性能越好，因此干燥墙体具有良好的保温性能。另外，在冬季孔隙中的水结冰后，导热系数会更高，冰的导热系数是2.3W/（m·K），是空气导热系数的100倍，导致墙体保温性能更差。