建筑材料最新章节_王颖著

2.1 建筑材料的基本物理性质

2.1.1 与质量有关的物理性质

1）材料的结构及体积组成

（1）块状材料

自然界的材料，其内部孔隙的形状、数量和结构特征均不相同，使其基本物理性能指标也产生了差别，有的材料内部是绝对密实的，有的材料内部是含有孔隙的，如图2.2至图2.4所示。

图2.2 大理石的致密表面

图2.3 加气混凝土的多孔构造

图2.4 含孔材料结构示意图

1—固体体积；2—闭口孔隙；3—开口孔隙

材料的总体积由两部分构成，即固体体积（ V ）、孔隙体积（ V _孔）。而内部孔隙又分为开口孔隙（ V _开）和闭口孔隙（ V _闭），即

V _孔 = V _开 + V _闭

①绝密体积：材料在绝对密实状态下的体积，即材料内部没有孔隙时的体积或不包括内部孔隙的材料体积，用 V 表示。

测定方法：比较密实的材料，如玻璃、钢材等通常认为是绝对密实状态的材料，可以直接用排水法测其体积；一般多孔材料，如砖，应磨成细粉（粒径小于0.2 mm）排除其内部孔隙，用李氏瓶（图2.5）测其实际体积。

图2.5 李氏瓶

②表观体积：材料在自然状态下不含开口孔隙的体积，即包含少量闭口孔隙的外观体积，用 V′ 表示。

V′ = V + V _闭

测定方法：可直接用排水法测定。

③自然体积：材料在自然状态下的体积，即整体材料的外观体积，用 V ₀ 表示。

V ₀ = V + V _孔

测定方法：对形状规则的材料，直接测量；对形状不规则的材料，蜡封后用排水法测量。

（2）散粒材料

对堆积在一起的散粒材料，颗粒与颗粒之间还有大量的空隙（ V _空），如图2.6所示。因此，散粒材料的总体积由三大部分组成，用表示堆积体积，即

图2.6 散粒材料结构示意图

图2.7 堆积密度测定仪

= V + V _孔 + V _空

测定方法：用既定容积的容器测定（图2.7）。

2）材料的四种密度

（1）密度

密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，即

式中 ρ ——密度，g/cm ³ 或kg/m ³ ；

m ——材料在干燥状态下的质量，g或kg；

V ——材料的绝对密实体积，cm ³ 或m ³ 。

（2）表观密度

表观密度是材料在自然状态下，不含开口孔体积，只含闭口孔体积的单位体积的质量，即

式中 ρ′ ——表观密度，g/cm ³ 或kg/m ³ ；

m ——材料在干燥状态下的质量，g或kg；

V′ ——材料的表观体积，cm ³ 或m ³ 。

（3）体积密度

体积密度是材料在自然状态下单位体积的质量，即

式中 ρ ₀ ——体积密度，g/cm ³ 或kg/m ³ ；

m ——材料在干燥状态下的质量，g或kg；

V ₀ ——材料在自然状态下的体积，cm ³ 或m ³ 。

（4）堆积密度

堆积密度是指散粒材料（粉状或粒状材料）在自然堆积状态下单位体积的质量，即

式中 ——堆积密度，g/cm ³ 或kg/m ³ ；

m ——散粒材料在干燥状态下的质量，g或kg；

——散粒材料在自然堆积状态下的体积，cm ³ 或m ³ 。

【实例 2.1】一块烧结普通砖的外形尺寸为240 mm×115 mm×53 mm，吸水饱和后质量为2 900 g，烘干至恒重的质量为2 665 g，切下一小块磨细后取干粉55 g，用李氏瓶法测得其迷失状态下的体积为20.5 cm ³ 。求此砖的密度和体积密度。

【解】根据已知条件

常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度见表2.1。

表2.1 常用建筑材料的密度、体积密度、堆积密度

2.1.2 与体积有关的物理性质

1）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，也就是固体物质的体积占总体积的比例。密实度反映材料的致密程度。其计算式为

式中 D ——材料的密实度；

ρ ——材料的密度；

ρ ₀ ——材料的体积密度。

孔隙率是指材料体积内，孔隙体积占材料总体积的百分率，也就是孔隙体积所占的比例。其计算式为

式中 P ——材料的孔隙率。

想一想

孔隙率与密实度之间有什么关系？

孔隙率与材料性质有什么关系？

【实例 2.2】已知某普通黏土砖 ρ ₀ = 1 600 kg/m ³ ， ρ = 2 500 kg/m ³ 。求其密实度和孔隙率。

【解】由已知条件，有

孔隙率的大小反映了材料的致密程度，材料的很多性质均与此有关，如强度、吸水性、抗冻性、抗渗性、耐久性、导热性、吸声性等。此外，材料的性质还与材料内部孔隙的结构包括孔隙的数量、形状、大小、分布以及连通与封闭等有关。材料的内部孔隙还有粗细之分，粗细不同的孔隙结构，吸水程度也有难易之分。因此，孔隙结构和孔隙特征对材料的很多性质有很大的影响。

2）填充率和空隙率

填充率是指散粒材料在堆积体积状态下被其颗粒填充的程度。其计算式为

式中 D′ ——散粒材料在堆积状态下的填充率。

空隙率是指散粒材料在堆积状态下颗粒之间的空隙体积所占的比例。其计算式为

式中 P′ ——散粒材料在堆积状态下的空隙率。

空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒之间互相填充的致密程度。在配置混凝土时，混凝土的骨料空隙率越小，其颗粒大小搭配越合理，用其配制的混凝土越密实，水泥也越节约。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。

2.1.3 与水有关的物理性质

1）亲水性和憎水性

材料与水接触时，表面能被水润湿的性质称为亲水性。材料表面不能被水润湿的性质称为憎水性。常用的亲水性材料，如烧结砖、混凝土、木材等；常用的憎水性材料，如沥青、石蜡、塑料等。

材料的亲水性与憎水性一般用润湿角 θ 来判定，如图2.8所示。当水滴与固体材料在空气中接触且达到平衡时，从固相、液相、气相的三相交点处，沿着水珠表面做切线，此切线与材料和水接触面的夹角称为润湿角。一般认为，当 θ ≤90 ° 时，为亲水性材料；当90 ° < θ <180 ° 时，为憎水性材料。

图2.8 材料润湿示意图

2）吸水性和吸湿性

（1）吸水性

吸水性是指材料在水中吸收水分的能力。吸水性用吸水率表示。吸水率有两种表示方法，即质量吸水率和体积吸水率。

①质量吸水率是指材料吸水饱和后，吸收水分的质量占干燥材料质量的百分数。其计算式为

式中 W _质 ——材料的质量吸水率，%；

m _饱 ——材料在吸水饱和状态下的质量，g；

m _干 ——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后，吸收水分的体积占干燥材料体积的百分数。其计算式为

式中 W _体 ——材料的体积吸水率，%；

ρ _水 ——水的密度，kg/cm ³ 。

想一想

体积吸水率和开口孔隙率有什么关系？

材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。对细微连通孔隙，孔隙率越大，则吸水率越大。闭口孔隙水分不能进入，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。各种材料的吸水率不同，差异也较大，如花岗岩的吸水率只有0.5%~0.7%，混凝土的吸水率为2%~3%，黏土砖的吸水率达8%~20%，而木材的吸水率可超过100%。

想一想

吸水率对材料性质有什么影响？

（2）吸湿性

吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，一般用含水率表示。材料的吸湿性随空气湿度的大小变化而变化。大多数材料在正常情况下都含有一部分水，这部分水分的质量占材料干燥质量的百分率，称为材料的含水率。其计算式为

式中 W _含 ——材料的含水率，%；

m _含 ——材料含水时的质量，g。

想一想

材料的吸水率与含水率有什么关系？

【实例 2.3】黏土砖干燥时的质量为2 498 g，吸水饱和时的质量为2 867 g，在空气中的质量为2 572 g，求质量吸水率和含水率。

【解】由已知条件，有

想一想

石膏能否用于砌筑桥墩或大坝？

建筑红砖能否用作防水材料？

长期与水接触的建筑部位和潮湿部位对建筑材料有哪些要求？

【实例 2.4】经测定，质量为3.4 kg，容积为10 L的量筒装满绝干石子后的总质量为18.4 kg，若向筒内注水，待石子吸水饱和后，为注满此筒共注入水4.27 kg，将上述吸水饱和后的石子擦干表面后称得质量为18.6 kg（含筒重），求该石子的体积密度、堆积密度及开口孔隙率。

【解】

3）耐水性

材料长期在饱和水的作用下不破坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。一般材料随着含水量的增加，会减弱其内部结合力，强度都会有不同程度的降低。当材料内含有可溶性物质时（如石膏、石灰等），吸入的水还可能溶解部分物质，造成强度的严重降低。材料的耐水性常用软化系数 K _软表示。

式中 K _软 ——材料的软化系数；

f _饱 ——材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa；

f _干 ——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。

软化系数0< K _软 <1，软化系数越小，材料的耐水性越差。对长期受水浸泡或处于潮湿环境中的重要建筑物，其材料的软化系数不宜小于0.85；受潮较轻或次要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.75。软化系数大于0.8的材料，可以认为是耐水性材料。

【实例 2.5】某石材在绝干、气干、水饱和情况下测得的抗压强度分别为175，185，161 MPa，判断该石材是否适用于水下工程。

注：亲水材料的4种含水状态如图2.9所示。

①绝干状态：材料的孔隙中不含水分。

②气干状态：材料的孔隙中含水时其相对湿度与大气湿度相平衡。

③水饱和状态：材料表面无水，而孔隙中充满水并达到饱和。

④表面湿润状态：材料孔隙中充满水达到饱和，表面也被水润湿并附有一层水膜。

图2.9 材料含水状态示意图

【解】能否作为耐水性材料主要看其软化系数的大小，由已知条件得

因此，该石材可作为耐水性材料。

4）抗渗性

（1）抗渗系数

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，可以用渗透系数 K 表示。其计算式为

式中 K ——渗透系数，mL/（cm ² ·s）；

Q ——透水总量，mL；

t ——透水时间，s；

A ——透水面积，cm ² ；

H ——静水压力水头高度，cm；

d ——试件厚度，cm。

抗渗系数 K 值越大，说明材料渗透的水量越多，则抗渗性越差。

（2）抗渗等级

抗渗等级是指材料在标准实验方法下进行的透水实验，以规定的试件在透水前所能承受的最大水压力来确定，用 P 和材料透水前能承受的最大水压力表示。试验仪器如图2.10所示。如P4，P6，P8等分别表示材料能承受0.4，0.6，0.8 MPa的水压不渗水。材料抗渗等级越大，其抗渗性越好。建筑中常用的混凝土、砂浆的抗渗性用抗渗等级表示。

图2.10 混凝土抗渗仪

抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。材料的抗渗性与材料的憎水性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。地下建筑及水工建筑等，因经常受压力水的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。

5）抗冻性

抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，抵抗多次冻融循环而不破坏，强度也不显著降低的性质，用抗冻等级符号F和最大所能承受的冻融循环次数来表示。如F25，F50，F100等表示材料最多能承受的冻融循环次数为25，50，100次，其强度下降不超过25%，质量损失不超过5%。

抗冻等级的选择，根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定。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D15或D25；用于桥梁和道路的混凝土应为D50，D100或D200。水工混凝土要求高达D500。

材料的冻融破坏主要是由于材料吸水饱和后，材料内部孔隙充满水，水在负温作用条件下，冻结成冰，水结冰体积膨胀，从而对孔壁产生压力。所产生的冻胀压力造成材料的内应力，会使材料遭到局部破坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐渐加剧，对材料破坏越严重（图2.11、图2.12）。因此，一般来说，材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。