第2章 建筑材料基本物理性质试验

2.1 材料基本物理性质

建筑材料是建筑工程的物质基础，材料的性质与质量在很大程度上决定了工程的性能与质量。在工程实践中，选择、使用、分析和评价材料，通常是以其性质为基本依据的。建筑材料的性质，可分为基本性质和特殊性质两大部分。材料的基本性质是指建筑工程中通常必须考虑的最基本的、共有的性质；材料的特殊性质则是指材料本身不同于别的材料的性质，是材料具体使用特点的体现。

2.1.1 材料的体积组成

大多数建筑材料的内部都含有孔隙，孔隙的多少和孔隙的特征对材料的性能均产生影响，掌握含孔材料的体积组成是正确理解和掌握材料物理性质的起点。孔隙特征指孔尺寸大小、孔与外界是否连通两个内容。孔隙与外界相连通的叫开口孔；与外界不相连通的叫闭口孔。

含孔材料的体积组成示意图如图2.1所示。从图2.1可知，含孔材料的体积可用以下3种方式表示：

（1）材料绝对密实体积。用V表示，是指材料在绝对密实状态下的体积。

（2）材料的孔体积。用VP表示，指材料所含孔隙的体积，分为开口孔体积（记为VK）和闭口孔体积（记为VB）。

（3）材料在自然状态下的体积。用Vo表示，是指材料的实体积与材料所含全部孔隙体积之和。上述几种体积存在以下的关系，即

散粒状材料的体积组成示意图如图2.2所示。其中V′o表示材料堆积体积，是指在堆积状态下的材料颗粒体积和颗粒之间的间隙体积之和，Vj表示颗粒与颗粒之间的间隙体积。散粒状材料体积关系为

2.1.2 材料的密度、表观密度和堆积密度

1．密度

密度是指多孔固体材料在绝对密实状态下，单位体积的质量（也称相对密度）。用式（2.4）计算，即

式中 ρ——材料的密度，g/cm3或kg/m3；

m——材料的质量（干燥至恒重）, g或kg；

V——材料的绝对密实体积，cm3或m3。

密实的单位在SI制中为kg/m3，我国建设工程中一般用g/cm3，偶尔用kg/L，忽略不写时，隐含的单位为g/cm3，如水的密度为1。

多孔材料的密度测定，关键是测出绝对密实体积。在常用的建筑材料中，除钢、玻璃、沥青等可近似认为不含孔隙外，绝大多数含有一定的孔隙。测定含孔材料绝对密实体积的简单方法是将该材料磨成细粉，干燥后用排液法（李氏瓶）测得的粉末体积即为绝对密实体积。由于磨得越细，内部孔隙消除得越完全，测得的体积也就越精确，因此，一般要求细粉的粒径至少小于0.2mm。

对于砂石，因其孔隙率很小，V≈Vo，直接用排水法测定其密度。对于本身不绝对密实，而用排液法测得的密度叫视密度或叫视比重。用式（2.5）表示，即

式中 ρ′——视密度，g/cm3；

m——材料的绝对干燥质量，g；

V′——用排水法求得的材料体积（V′=V+VB）, cm3。

2．表观密度

材料在自然状态下单位体积的质量，称为材料的表观密度（原称容重）。其计算式为

式中 ρo——表观密度，kg/m3；

m——材料的质量，kg；

Vo——材料表观体积（即自然状态下的体积）, m3。

测定材料在自然状态下体积的方法较简单，若材料外观形状规则，可直接度量外形尺寸，按几何公式计算；若外观形状不规则，可用排水法测得，为了防止水分由孔隙渗入材料内部而影响测定值，应在材料表面涂蜡。对于砂石，由于孔隙率很小，常把视密度叫作表观密度，如果要测定砂石真正意义上的表观密度，应蜡封开口孔后用排水法测定。

当材料含水时，重量增大，体积也会发生变化，所以测定表观密度时须同时测定其含水率，注明含水状态。材料的含水状态有风干（气干）、烘干、饱和面干和湿润4种。通常材料的表观密度为气干状态，而在烘干状态下的表观密度叫干表观密度。

3．堆积密度

散粒材料在堆积状态下单位堆积体积的质量，称为材料的堆积密度（原称松散容重）。其计算式式为

式中 ρ′o——堆积密度，kg/m3；

m——材料的质量，kg；

V′o——材料的堆积体积，m3。

堆积体积是指包括材料颗粒间空隙在内的体积，对于配制混凝土用的碎石、卵石及砂等松散颗粒状材料的堆积密度测定是在特定条件下，即定容积的容器（容积筒的容积）测得的体积，称为堆积体积，求其密度称为堆积密度。

材料的堆积密度定义中亦未注明材料的含水状态。根据散粒材料的堆积状态，堆积体积分为自然堆积体积和紧密堆积体积（人工捣实后）。由紧密堆积测得的堆积密度称为紧密堆积密度。

常用建筑材料的密度、表观密度和堆积密度见表2.1。

2.1.3 密实度与孔隙率、填充率与空隙率

1．密实度

密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度，即材料的绝对密实体积与总体积之比。可按材料的密度与表观密度计算，即

因为

故

所以

式中 D——材料的密实度，%。

例如，普通黏土砖ρo=1850kg/m3; ρ=2.50g/cm3，求其密实度。

即74%。

凡含孔隙的固体材料的密实度均小于1。材料的ρo与ρ越接近，即越接近1，材料就越密实，材料的很多性质，如强度、吸水性、耐水性、导热性等均与其密实度有关。

2．孔隙率

孔隙率是指材料内部孔隙（开口的和封闭的）体积所占总体积的比例，按式（2.12）计算，即

式中 P——材料的孔隙率，%。

例如，按计算密实度的例子，求其孔隙率。

即26%。

材料的孔隙率与密实度是从两个不同方面反映材料的同一个性质。通常采用孔隙率表示，孔隙率可分为开口孔隙率和闭口孔隙率。

开口孔隙率（PK）是指能被水所饱和的孔隙体积与材料表观体积之比的百分数，即

式中 m1——干燥状态材料的质量，g；

m2——水饱和状态下材料的质量，g；

ρ水——水的密度，g/cm3。

开口孔隙能提高材料的吸水性、透水性，而降低了抗冻性。减少开口孔隙，增加闭口孔隙，可提高材料的耐久性。

闭口孔隙（PB）是指总孔隙率（P）与开口孔隙率（PK）之差，即PB=P-PK。

材料的许多性质，如表观密度、强度、导热性、透水性、耐蚀性等，除与材料的孔隙大小有关外，还与孔隙构造特征有关。孔隙构造特征，主要是指孔隙的形状和大小。根据孔隙形状分开口孔隙与闭口孔隙两类。开口孔隙与外界相连通，闭口孔隙则与外界隔绝。根据孔隙的尺寸大小，分为微孔、细孔及大孔三类。一般均匀分布的且封闭的微孔较多、孔隙率较小的材料，其吸水性较小，强度较高、热导率较小，抗渗性和抗冻性较好。

3．填充率

填充率是指颗粒材料的堆积体积中，颗粒体积所占总体积的百分率，它反映了被颗粒所填充的程度，按式（2.14）计算，即

式中 V′——用排水法求得的材料体积（V′=V+VB）, m3；

V′o——材料的堆积体积，m3。

4．空隙率

空隙率是指颗粒材料的堆积体积内，颗粒之间的空隙体积占总体积的百分率，即

式中 V′——用排水法求得的材料体积（V′=V+VB）, m3；

V′o——材料的堆积体积，m3。

根据上述空隙率和填充率的定义，可知两者关系为

D′+P′=1或P′=1-D′

2.1.4 材料的热物理性能

建筑材料除了须满足必要的强度及其他性能要求外，为了降低建筑物的使用能耗，以及为生产和生活创造适宜的条件，常要求建筑材料具有一定的热物理性能，以维持室内温度。常考虑材料的热物理性能指标有热导率、蓄热系数、导温系数、传热系数、比热容、热阻、热惰性等。

1．热导率

热导率是指材料在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1h内通过1m2面积传递的热量，单位为瓦/（米·度）[W/（m·K）]。热导率计算公式为

式中 λ——材料的热导率，W/（m·K）；

Q——传热量，J；

a——材料厚度，m；

A——传热面积，m2；

t——传热时间，s；

T1-T2——材料两侧表面温差，K。

不同的建筑材料具有不同的热物理性能，衡量建筑材料保温隔热性能优劣的主要指标是热导率λ[W/（m·K）]。材料的热导率越小，则通过材料传递的热量越少，表示材料的保温隔热性能越好。各种材料的热导率差别很大，一般介于0.025～3.50W/（m·K），如泡沫塑料热导率为0.035W/（m·K），而大理石热导率为3.5W/（m·K）。

热导率是材料的固有特性，热导率与材料的物质组成、结构等有关，尤其与其孔隙率、孔隙特征、湿度、温度和热流方向等有着密切关系。由于密闭空气的热导率很小，约为0.023W/（m·K），所以材料的孔隙率较大者其热导率较小，但是如果孔隙粗大或贯通，由于对流作用，材料的热导率反而增高。材料受潮或受冻后，其热导率大大提高，这是由于水和冰的热导率比空气的热导率大很多。因此，材料应经常处于干燥状态，以利于发挥材料的保温隔热效果。

2．比热容

材料的比热容表示1kg材料，温度升高或降低1K时所吸收或放出的热量。比热容计算公式为

式中 c——材料的比热容，kJ/（kg·K）；

Q——材料吸收或放出的热量，kJ；

m——材料的质量，kg；

T1-T2——材料受热或冷却前后的温度差，K。

比热容是衡量材料吸热或放热能力大小的物理量。比热容也是材料的固有特性，材料的比热容主要取决于矿物成分和有机成分含量，一般无机材料比热容小于有机材料的比热容。不同的材料比热容不同，即使是同一种材料，由于所处的物态不同，比热容也不同，例如，水的比热容为4.19kJ/（kg·K），而水结冰后比热容则是2.05kJ/（kg·K）。

材料的比热容对保持建筑物内部温度稳定有很大意义，比热容大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时，缓和室内的温度波动。

3．蓄热系数

当某一足够厚度的单一材料层一侧受到谐波热作用时，通过表面的热流波幅与表面温度波幅的比值，称为蓄热系数。蓄热系数是衡量材料储热能力的重要性能指标。它取决于材料的热导率、比热容、表观密度以及热流波动的周期。蓄热系数计算公式为

式中 S——材料的蓄热系数，W/（m2·K）；

λ——材料的热导率，W/（m·K）；

c——材料的比热容，J/（kg·K）；

γo——材料的表观密度，kg/m3；

T——材料的热流波动周期，h。

通常使用周期为24h的蓄热系数，记为S24。材料的蓄热系数大，蓄热性能好，热稳定性也较好。

4．导温系数

导温系数又称为热扩散率，材料的导温系数是衡量材料在稳定（两侧面温差恒定）的热作用下传递热量多少的热物理性能指标。当热作用随时间改变时，材料内部的传热特性不仅取决于热导率，还与材料的蓄热能力有关。在这种随时间而变化的不稳定传热过程中，材料各点达到相同温度的速度与材料的热导率成正比，与材料的体积热容量成反比。体积热容量等于比热容与表观密度的乘积，其物理意义是1m3的材料升温或降温1℃所吸收或放出的热量。材料的导温系数计算公式为

式中 δ——材料的导温系数，m2/s；

λ——材料的热导率，W/（m·K）；

c——材料的比热容，J/（kg·K）；

γo——材料的表观密度，kg/m3。

导温系数越大，材料中温度变化传播越迅速，各点达到相同温度越快。材料的分子结构和化学成分对材料的导温系数影响很大。表观密度相同的情况下，晶体材料的导温系数比玻璃体材料的导温系数大。导温系数一般随材料表观密度减小而降低。然而，当表观密度减小到一定程度时，导温系数反而随材料表观密度减小而迅速增大。导温系数随着温度的升高有所增大，但是影响幅度不大。温度对导温系数的影响较为复杂，这是因为当温湿度增大时热导率与比热容也都增大，但是增大速率不同，而导温系数取决于热导率与比热容的比值。

结合前面热导率、比热容、蓄热系数的概念，对一些常见干燥状态材料的热物理性能指标可以进行对比分析，有利于建筑材料的合理利用，见表2.2。