1.1 材料的物理性质
1.1.1 与质量有关的性质
1.密度
密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。材料的密度可按下式算：
式中：m——材料在干燥状态下的质量，kg；
V——干燥材料在绝对密实状态下的体积，m3；
ρ——材料的密度，g/cm3或kg/m3。
材料在绝对密实状态下的体积，是指材料不包括孔隙体积在内的固体物质所占的体积。土木工程材料中，除了钢材、玻璃等材料可近似地直接量取其密实体积外，其他绝大多数材料都含有一定的孔隙，故可将材料磨成细粉，经干燥至恒重后，用李氏瓶法测定其密实体积。
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。材料的表观密度可按下式计算：
式中：m——材料的质量，kg；
V0——材料在自然状态下的体积，m3；
ρ0——材料的表观密度，kg/m3。
材料在自然状态下的体积，是指包括孔隙体积在内的材料体积。外形规则材料的体积，可直接用尺度量后计算求得；外形不规则材料的体积，可将材料表面涂蜡后用排水法测定。
当材料的孔隙中含有水分时，其质量（包括水的质量）和体积均会发生变化，影响材料的表观密度，故所测的表观密度必须注明其含水状态。通常材料的表观密度是指材料在气干状态（长期在空气中的干燥状态）下的表观密度。另外，在不同的含水状态下，还可测得材料的干表观密度、湿表观密度及饱和表观密度。
3.堆积密度
堆积密度是指粒状或粉状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。自然堆积状态下的体积包括颗粒之间的空隙体积在内，通常用容器的标定容积表示。材料的堆积密度可按下式计算：
式中：m——材料的质量，kg；
V0'——材料在自然堆积状态下的体积，m3；
ρ0'——材料的堆积密度，kg/m3。
4.密实度与孔隙率
（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。密实度可表示为：
式中：D——材料的密实度，%；
V——材料在绝对密实状态下的体积，m3；
ρ——材料的密度，kg/m3；
ρ0——材料的表观密度，kg/m3。
V0——材料在自然状态下的体积，m3。
（2）孔隙率
孔隙率是指材料中孔隙体积占材料总体积的百分数。孔隙率可表示为：
材料孔隙率的大小，表明材料的密实程度。孔隙率及孔隙特征（如孔隙的大小、是否封闭或连通、分散情况等）影响材料的力学、耐久及导热等性质。
材料的密度、表观密度、孔隙率是材料最基本的物理参数，它们反映了材料的密实程度。密度与表观密度除用以计算孔隙率外，还可用以计算材料的体积与质量。
5.填充率与空隙率
对于松散颗粒状态材料，如砂、石子等，可用填充率和空隙率表示互相填充的疏松致密程度。
（1）填充率
填充率是指散粒状材料在堆积体积内被颗粒所填充的程度。填充率可表示为：
式中：D'——散粒状材料在堆积状态下的填充率，%。
（2）空隙率
散粒状材料颗粒之间的空隙体积占材料堆积状态下总体积的百分数，称为散粒材料的空隙率。
在建筑工程中，材料的密度、表观密度和堆积密度常用来计算材料的用量、构件的自重、配料计算及确定材料的堆放空间。
几种常用材料的密度、表观密度、堆积密度如表1-1所示。
表1-1 几种常用材料的密度、表观密度、堆积密度
续表
1.1.2 与水有关的性质
1.亲水性与憎水性
固体材料在空气中与水接触时，根据其表面能否被水润湿，可分为亲水性材料与憎水性材料两种。
材料的亲水性与憎水性可用润湿角θ来说明，如图1-1所示。
在材料、水、空气三相交点处，沿水滴表面所作切线与材料表面的夹角，称为润湿角θ。θ越小，表明材料越易被水湿润。θ=0时，材料完全被水浸润；θ越大，表明材料越难被水湿润。
一般认为，当润湿角θ≤90°时，表明水分子间的内聚力小于水分子与材料分子间的吸引力，则材料表面会被水润湿，这种材料称为亲水性材料［见图1-1（a）］，如木材、混凝土、砂、石等；当润湿角θ>90°时。表明水分子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润湿，这种材料称为憎水性材料［见图1-1（b）］，如沥青、石蜡等。
图1-1 材料的浸润示意图
2.吸水性与吸湿性
（1）吸水性
材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。吸水性的大小常以吸水率表示，可用质量吸水率和体积吸水率来表示。
①质量吸水率
质量吸水率是指材料吸水饱和时，所吸水的质量占材料干燥质量的百分率。用公式表示为
式中：Wm——材料的质量吸水率，%；
m——材料在干燥状态下的质量，g或kg；
m1——材料吸水饱和时质量，g或kg。
②体积吸水率
体积吸水率是指材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥体积的百分率。用公式表示为：
式中：WV——材料的体积吸水率，%；
V0——干燥材料在自然状态下的体积，cm3或m3；
ρW——水的密度，常温下取ρW=1g/cm3。
材料的体积吸水率与质量吸水率之间的关系为
WV=Wm×ρ0 （1-10）
式中：ρ0——材料在干燥状态下的表观密度，g/cm3。
材料的吸水性除与材料本身的亲水性或憎水性有关外，还与材料的孔隙特征有关。一般孔隙率越大，吸水性越强。孔隙率相同时，具有开口且连通的微小孔隙构造的材料，吸水性一般要强于封闭的或粗大连通孔隙构造的材料。
各种材料吸水性相差甚大，如花岗岩等致密岩石质量吸水率为0.1%～0.7%，普通混凝土为2%～3%，而木材或其他轻质材料的质量吸水率常大于100%，即湿质量是干质量的几倍，此时最好用体积吸水率表示其吸水性。材料吸水后，表观密度增大，导热性增大，强度降低，体积膨胀，一般会对材料造成不利影响。
（2）吸湿性
材料吸收空气中水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性可用含水率表示，含水率为材料中所含水的质量与材料干燥质量的百分比，可用下式表示为
式中：Wh——材料的含水率，%；
m——材料干燥时的质量，g或kg；
ms——材料吸湿后的质量，g或kg。
干的材料在空气中能吸收空气中的水分；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。
材料的吸湿性主要与材料的组成、孔隙率，特别是孔隙特征有关，还与周围环境的温度与湿度有关。一般来说，环境中温度越高，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、强度及耐久性，对工程产生不利的影响。
3.耐水性
材料长期在水的作用下不被破坏，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因此影响强度。若材料中含有某些易被水软化的物质（如黏土、石膏等），强度降低就更为严重。
因此，对长期处于水中或潮湿环境中的建筑材料，必须考虑耐水性。
材料的耐水性以软化系数Ks表示：
式中：Ks——软化系数；
fw——材料在水饱和状态下的抗压强度，MPa；
f——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。
软化系数的范围在0～1。软化系数的大小，有时成为选择材料的重要依据。工程中通常把Ks大于0.85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，必须选用耐水材料；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。
4.抗渗性
抗渗性是指材料在压力水作用下抵抗渗透的性质。材料的抗渗性通常用渗透系数K和抗渗等级P表示。
（1）渗透系数K
根据达西定律，在一定时间内，透过材料试件的水量Q与试件断面积A、水位差H及透水时间t成正比，与试件厚度d成反比，即：
或
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K越大，表明材料的抗渗透性能越差。
（2）抗渗等级P
抗渗等级是指材料在规定试验条件下，承受规定的水压力不渗透。如P8、P10，分别表示承受0.8MPa、1.0MPa水压力不渗透。
材料的抗渗性与材料的亲水性、孔隙率、孔隙特征、裂缝等缺陷有关。孔隙封闭且孔隙率小的材料，抗渗性就较高。
地下建筑物及储水建筑物常受到压力水的作用，所以要求所用的材料有一定的抗渗性。
5.抗冻性
抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，经多次冻融循环而不被破坏，同时也不严重降低强度的性质。当充满材料孔隙的水结冰时，由于冰的体积增大约9%，冰对孔壁产生巨大压力，使孔壁开裂。当冰融化后，水又进入裂缝，再冻结时，裂缝进一步扩展。冻融次数越多，材料的破坏越严重。
材料的抗冻性用抗冻等级F表示，如F50表示经过50次冻融循环，质量损失不超过5%，强度损失不超过25%。通常采用材料吸水饱和后，在-18℃～-20℃冻结，再在18℃～20℃的水中融化，这样的一个过程称为一次冻融循环。
材料的抗冻性，与材料本身的成分、构造、强度、耐水性、吸水饱和程度、孔隙率及孔隙特征等因素有关，也与冻结的温度、冻结速度及冻融频繁程度等因素有关。
用于建筑物冬季水位变化区的材料，要求有较好的抗冻性。另外，由于抗冻性较好的材料，对抵抗温度、干湿变化等风化作用的性能也较好，所以即使处于温暖地区的建筑物，为了抗风化，材料也必须具有一定的抗冻性要求。
1.1.3 与热有关的性质
1.导热性
材料传导热量的性质称为导热性。当材料两侧表面存在温差时，热量会由温度较高的一面传向温度较低的一面，材料的导热性可用导热系数表示。
以单层平板为例，如图1-2所示，若材料两侧的温度差为（t1-t2），经过时间z，由温度为t1的一侧传至温度为t2的一侧的热量为
则导热系数的计算公式为
式中：A——导热系数，W/（m·K）；
Q——传导的热量，J；
d——材料的厚度，m；
A——传热面积，m2；
z——传热时间，s；
t1-t2——材料两侧的温度差K。
材料的导热系数越小，保温性越好。建筑材料的导热系数一般为0.02W/（m·K）～3.00W/（m·K）。
图1-2 材料导热
通常λ≤0.23W/（m·K）的材料可作保温隔热材料。
材料的导热性与材料的孔隙率、孔隙特征有关。一般来说，孔隙率越大，导热系数越小。具有互不连通封闭微孔构造材料的导热系数，要比粗大连通孔隙构造材料的导热系数小。当材料的含水率增大时，导热系数也随之增大。
材料的导热系数对建筑物的保温隔热有重要意义。在大体积混凝土温度及温度控制计算中，混凝土的导热系数是一个重要的指标。
几种常用材料的导热系数如表1-2所示。
表1-2 几种材料的导热系数
2.热容量
热容量是指材料在受热时吸收热量、冷却时放出热量的能力。质量为1kg材料的热容量，称为该材料的比热容。
热容量Q的计算公式为
Q=cm（t1-t2） （1-15）
式中：Q——材料吸收或放出的热量，J；
c——材料的比热容，J/（kg·K）；
m——材料的质量，kg；
t1-t2——材料受热或冷却前后的温差，K。
其中比热容c值是真正反映不同材料热容性差别的参数，可由上式导出
混凝土的比热容约为1×103J/（kg·K），钢为0.48×103，松木为2.72×103J/（kg·K），普通黏土砖为0.88×103J/（kg·K），水为4.19×103J/（kg·K）。
在冬夏季施工中，对材料加热或冷却进行计算时，均要考虑材料的热容量。在房屋建筑中，用比热容大的材料，对保持室内温度的稳定有很大的意义。