1.1.2　材料与水有关的性质

1.材料的亲水性与憎水性

与水接触时，有些材料能被水润湿，而有些材料则不能被水润湿，对这两种现象来说，前者为亲水性，后者为憎水性。材料具有亲水性或憎水性的根本原因在于材料分子间的作用力。材料与水分子之间的分子亲合力大于水分子本身之间的内聚力时，材料能够被水润湿，使材料具有亲水性；反之，材料与水分子之间的亲合力小于水分子本身之间的内聚力时，材料不能够被水润湿，使材料具有憎水性。

在工程实际中，材料的亲水性或憎水性，通常以润湿角的大小划分。润湿角为在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线γL与水和固体接触面γSL所成的夹角。润湿角θ越小，表明材料越被水润湿。当材料的润湿角θ≤90°时，为亲水性材料，水在材料表面可以铺展开，且能通过毛细管作用自动将水吸入材料内部；当材料的润湿角θ>90°时，为憎水性材料，水在材料表面不仅不能铺展开，而且水分不能渗入材料的毛细管中，如图1-3所示。

大多数工程材料，如石料、砖、混凝土、木材等都属于亲水性材料，表面都能够被水润湿。沥青、石蜡等属于憎水性材料，表面不能被水润湿。该类材料一般能阻止水分渗入毛细管中，因而能降低材料的吸水性。憎水性材料不仅可用作防水材料，而且还可用于亲水性材料的表面处理，以降低其吸水性。

2.吸水性

材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水性的大小以吸水率表示，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

质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水的质量占材料干燥质量的百分率，可按下式计算：

式中　W质量——材料的质量吸水率，％；

m——材料在干燥状态下的质量，g；

m1——材料吸水饱和时的质量，g。

（2）体积吸水率

体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸收水分体积占材料干燥体积的百分率，可按下式计算：

式中　W体积——材料的体积吸水率，％；

V0——材料在自然状态下的体积，cm3。

材料的体积吸水率与质量吸水率之间的关系为

W体积=W质量×ρ0

式中　ρ0——材料在干燥状态下的表观密度，g/cm3。

材料吸水率的大小不仅取决于材料本身与水的亲和能力，还与材料孔隙率、孔隙特征密切相关。一般孔隙率越大，吸水率也越大；孔隙率相同的情况下，具有细小连通孔隙的材料比具有较多粗大开口孔隙的材料吸水性强。

吸水率的增大对材料的性质有一定影响，如表观密度增加，体积膨胀，导热性增大，强度及抗冻性下降等。

在材料的孔隙中，不是所有孔隙都能够被水所填充。如封闭的孔隙，水分不易渗入；而粗大的孔隙，水分又不易存留，故材料的体积吸水率常小于孔隙率。这类材料常用质量吸水率表示它的吸水性。

对于某些轻质材料，如软木、泡沫塑料等，由于具有很多开口且微小的孔隙，所以它的质量吸水率往往超过100％，即湿质量为干质量的几倍，在这种情况下最好用体积吸水率表示其吸水率。

3.吸湿性

材料在潮湿的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。

含水率为材料所含水的质量占材料干燥质量的百分数，可按下式计算：

式中　W含——材料的含水率，％；

m1——材料含有水分时的质量，g；

m——材料干燥至恒重时的质量，g。

材料的吸湿性不仅与材料的组成、孔隙率、孔隙特征有关，还与周围环境的温度与湿度有关。一般而言，周围环境的温度越高，湿度越低，含水率越小。材料吸湿后，除了本身质量增加外，还会降低其绝热性能、强度及耐久性，对工程产生不利的影响。

干燥的材料在空气中能吸收空气中的水分；潮湿的材料在空气中又会失去水分，最终材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡，此时，材料的含水率称为平衡含水率。

4.耐水性

材料长期在水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。

一般材料含有水分时，由于内部微粒间结合力减弱而强度有所降低，即使致密的材料也会使材料强度有所下降。若材料中含有某些易被水软化的物质（如黏土、石膏等），强度降低会更为严重。因此，对长期处于水中或潮湿环境中的工程材料，必须考虑其耐水性。

材料的耐水性以软化系数表示，可按下式计算：

式中　K软——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K软在0～1之间。软化系数的大小，可成为选择材料的重要依据。工程上通常把软化系数大于0.8的材料称为耐水材料，对于经常与水接触或处于潮湿环境的重要建筑物，要求材料的软化系数大于0.85；用于受潮较轻或次要的建筑物时，材料的软化系数也不得小于0.75。

5.抗渗性

抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗渗透的性质。材料的抗渗性大小通常用渗透系数和抗渗等级表示。

（1）渗透系数

根据达西定律，在一定时间内，透过材料试件的水量Q与试件断面面积A及水位差h成正比，与试件厚度d成反比，即

式中　K——渗透系数，m/s；

Q——渗透水量，m3；

A——透水面积，m2；

d——试件厚度，m；

h——水位差，m；

t——透水时间，s。

渗透系数越小，表明材料抵抗渗透能力越强。一些防水材料（如防水卷材）的防水性常用渗透系数表示。

（2）抗渗等级

材料的抗渗等级是指用标准方法进行透水试验时，标准试件在透水前所能承受的最大水压力，以字母P及可承受的水压力表示。材料的抗渗等级可按下式计算：

P=10h-1

式中　P——抗渗等级；

h——开始渗水时的最大水压力，MPa。

如P4、P6、P8、P10表示试件能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa的水压力而不渗透。可见，抗渗等级越高，抗渗性越好。

材料抗渗性大小不仅与其亲水性有关，更取决于材料的孔隙率及孔隙特征。孔隙率小并且孔隙封闭的材料，具有较高的抗渗性。

地下建筑物及储水构筑物常受到压力水的作用，因此要求所用材料应具有一定的抗渗性。

6.抗冻性

抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受反复冻融循环作用而不破坏，强度不显著降低的性能。

材料吸水后，在负温作用条件下，水在材料毛细孔内冻结成冰，因体积膨胀所产生的冻胀压力会造成材料的内应力，使材料遭到局部损坏。随着冻融循环的反复，材料的破坏作用逐步加剧。

材料抗冻性以抗冻等级表示。抗冻等级是将材料按规定方法进行冻融循环试验，以质量损失不超过5％、强度下降不超过25％时所能经受的最大冻融循环次数来划分。材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环而不发生破坏。

材料抗冻性的好坏不仅取决于材料的孔隙率及孔隙特征，并且还与材料受冻前吸水饱和程度、材料本身强度以及冻结条件（如冻结温度、速度、冻融、循环作用的频繁程度）等有关。

材料的强度越低，开口孔隙率越大，则材料的抗冻性越差。

抗冻等级越高，材料耐久性越好。抗冻等级的选择应根据工程种类、结构部位、使用条件、气候条件等因素来决定。在路桥工程中，处于水位变化范围内的结构材料将反复受到冻融循环作用，此时材料的抗冻性大小将影响到结构物的耐久性。