材料的物理性能

材料一般物理性能 如密度、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等，也應(yīng)加以考慮。例如:要選用熱導(dǎo)能力強(qiáng)的材料制造換熱器;選用熱導(dǎo)能力最低的材料做保溫材料。

土木建筑材料的物理性能通常指:密度、比重、容重、 孔隙率、硬度以及熱、聲、光、 電等方面的性能(力學(xué)性能見建筑材料的力學(xué)性能)。

一般物理性質(zhì) 密度 材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。如材料的體積內(nèi)包含有孔隙和水分時(shí)，則求得的密度稱為視密度或表觀密度。

測(cè)量密度時(shí)，由于一般材料的內(nèi)部均含有一些孔隙，為了獲得絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)的試樣，須將材料磨成細(xì)粉以排除其內(nèi)部孔隙，再用排液置換法求出材料的絕對(duì)密實(shí)體積。材料的密度單位可用克/厘米3、千克/升、千克/米3等表示。

比重 材料在 4°C時(shí)和絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下的重量與同體積水的重量之比，或材料的密度與水的密度之比。

容重 材料在自然狀態(tài)下(包含內(nèi)部孔隙)單位體積的質(zhì)量。當(dāng)材料含有水分時(shí)，其質(zhì)量和體積均能發(fā)生變化,影響材料的容重值。故對(duì)所測(cè)的材料容重,必須注明其含水狀態(tài)。通常所謂的材料容重是指材料在氣干狀態(tài)下的容重，而在烘干狀態(tài)下的容重則稱為干容重。材料的容重單位一般可用克/厘米3、千克/升、千克/米3等表示。

松散容重 散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。從一定高度將散粒狀材料自由落下并裝滿容器，以容器的容積除其質(zhì)量，即為松散容重。砂、石和水泥等材料的容重常用松散容重表示。

密度、容重和松散容重可用于計(jì)算材料的孔隙率、空隙率，以及估算材料的體積和質(zhì)量。

孔隙率 材料中孔隙體積占材料總體積的百分比，是衡量材料多孔性或致密程度的一種指標(biāo)。材料內(nèi)部孔隙中，有與外界相連通的開口孔隙和與外界隔絕的封閉孔隙?？紫侗旧戆雌淇讖酱笮∮挚煞譃闃O細(xì)孔隙、毛細(xì)孔隙和粗大孔隙等。孔隙率大小、孔隙結(jié)構(gòu)以及各種大小孔隙的級(jí)配，對(duì)材料的容重、強(qiáng)度、濕脹干縮、吸水、抗?jié)B、抗凍和聲、絕熱等性能都有重要影響。

孔隙率(η)可根據(jù)材料的容重 (у0)和密度(-ρ)按下式計(jì)算: 材料的孔隙結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法很多，目前應(yīng)用較廣的是:大孔隙結(jié)構(gòu)采用顯微鏡法;微小孔隙結(jié)構(gòu)采用氣體吸附法和水銀壓入法。

空隙率 散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下，顆粒之間的空隙體積占總體積的百分比?？梢岳蒙鲜龉?-ρ用視密度代入，у0用松散容重代入,則求得的η值即為空隙率。

吸水率 材料由干燥狀態(tài)變?yōu)轱柡臀疇顟B(tài)所增加的質(zhì)量與材料干質(zhì)量的百分比。算式為式中B為材料的吸水率;G為材料在干燥狀態(tài)下的質(zhì)量(克);G1為材料在吸水飽和狀態(tài)下的質(zhì)量(克)。

吸水率表示材料吸收水分的能力。它與材料的孔隙構(gòu)造及其表面性能有關(guān)。細(xì)小而連通的孔隙較易吸水，粗大的孔隙內(nèi)不易存留水分，所以封閉或粗大孔隙的材料吸水率都是較低的。材料表面是親水性的容易吸水，是憎水性的則不能吸水。

致密巖石(如花崗巖)的吸水率為0.5~0.7%，普通混凝土為2~3%，粘土磚為8~20%,木材或某些輕質(zhì)材料的吸水率常大于100%。

含水率 材料內(nèi)部所包含水分的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分比。材料在自然環(huán)境中，其孔隙中所含有的水分與空氣濕度達(dá)到平衡時(shí)，這部分水的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分比,稱為平衡含水率。材料含有水分之后,常引起質(zhì)量增大、體積膨脹、強(qiáng)度和隔熱性能降低等弊病，因此應(yīng)注意采取防護(hù)措施。

硬度 材料抵抗其他物體刻劃、摩擦、壓入其表面的能力。不同的材料要采用不同的硬度測(cè)試方法。天然礦物的硬度用抵抗刻劃的能力表示，常用莫氏硬度計(jì)測(cè)定。莫氏硬度計(jì)規(guī)定了10種不同硬度的礦物做為硬度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長(zhǎng)石、石英、黃玉、剛玉、金剛石依次排列。采用刻劃的方法即可鑒定出被測(cè)礦物的硬度。

石材的硬度用抵抗磨耗的能力表示。試件用石英砂磨料經(jīng)一定摩擦行程后，以單位摩擦面積上的質(zhì)量損失表示其硬度。用下式計(jì)算:

A=ɡ/F

式中A為磨耗硬度(克/厘米2);ɡ為試件質(zhì)量損失(克);F為試件摩擦面積(厘米2)。

金屬的硬度用抵抗物體壓入的能力表示。常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

① 布氏硬度。用一定直徑的鋼球,以規(guī)定荷載壓入金屬表面。布氏硬度值是以壓痕球面積上所承受的平均壓力表示，用下式計(jì)算:式中HB為布氏硬度值(千克力/毫米2);P為鋼球上的荷載(千克力);D為鋼球直徑(毫米);d為壓痕直徑(毫米)。

② 洛氏硬度。用金剛石圓錐體或鋼球標(biāo)準(zhǔn)壓頭先后兩次施加負(fù)荷。洛氏硬度值(HR)是以在初荷載繼續(xù)作用下，由主荷載所引起的殘余壓入深度值計(jì)算。殘余壓入深度值越大，金屬硬度越低，反之則硬度越高。

此外，尚有維氏硬度、肖氏硬度等方法，維氏硬度與布氏硬度類似，肖氏硬度用于測(cè)定橡膠、塑料等的材料硬度。

材料內(nèi)部組織的硬度是用顯微硬度計(jì)測(cè)定。材料的硬度與材料的強(qiáng)度、耐磨性、加工性能以及其他物理力學(xué)性能均有密切關(guān)系。

熱學(xué)性質(zhì) 比熱容 單位質(zhì)量的材料溫度升高 1開所吸收的熱量,比熱容的工程單位是焦/(千克·開)。材料的比熱容主要取決于礦物成分和有機(jī)質(zhì)的含量。濕度對(duì)材料比熱容影響很大，它隨著材料濕度的增加而提高。其比熱容大多在0.42~2.51×103焦/(千克·開)之間。

熱導(dǎo)率 在穩(wěn)定傳熱條件下，傳熱方向垂直于材料表面，在壁厚為1米的板材上，壁內(nèi)外表面的溫差為1開，單位面積上、單位時(shí)間所傳遞的熱量。算式為式中λ為材料的熱導(dǎo)率，也稱導(dǎo)熱系數(shù)[瓦/(米·開)];Q為總傳熱量(焦);t1-t1為壁內(nèi)外表面的溫差(開);δ為壁厚(米);F為表面積(米2);z為傳熱時(shí)間(秒)。

熱導(dǎo)率表示材料傳遞熱量的能力。它與材料的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和容重(包括孔隙率，孔隙大小及構(gòu)造)等因素有關(guān)。材料愈密實(shí),熱導(dǎo)率愈大。材料受潮后,熱導(dǎo)率顯著增大。一般情況，材料溫度升高，熱導(dǎo)率也會(huì)增大。在高溫和低溫條件下，就要考慮溫度對(duì)熱導(dǎo)率的影響，通常把λ值小于0.23瓦/(米·開)的材料稱保溫隔熱材料。

熱阻 材料抵抗熱流通過的能力。熱阻R等于溫度差除以熱流量，單位為開/瓦。熱阻愈大,在同樣溫差條件下,通過材料的熱流量愈少。熱阻的倒數(shù)也稱熱導(dǎo)(G)，即G=1/R,它表示材料內(nèi)外表面的溫差為1開時(shí)所傳遞的熱流量，單位為瓦/開。

熱擴(kuò)散率 在不穩(wěn)定傳熱條件下，材料受到冷卻或加熱作用時(shí)，溫度變化在材料內(nèi)部擴(kuò)展的速度。算式為

a=λ/-ρc

式中a為熱擴(kuò)散率(米2/秒);λ為熱導(dǎo)率【瓦/(米·開)】;-ρ為密度(千克/米3);c為比熱容【焦/(千克·開)】。a值愈大，溫度變化向材料內(nèi)部擴(kuò)展速度愈快。在設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要考慮材料的熱擴(kuò)散率。

蓄熱系數(shù) 在周期熱作用下，材料蓄熱的能力?？捎孟率接?jì)算:式中S為蓄熱系數(shù)【瓦/(米2·開)】;λ為熱導(dǎo)率【瓦/(米·開)】;c為比熱容,【焦/(千克·開)】;у0為容重(公斤/米3);T為周期(秒)。S值愈大，材料的熱穩(wěn)定性愈好，表面溫度波動(dòng)愈小。

聲學(xué)性質(zhì) 聲波入射到材料表面時(shí)，聲能的一部分被反射(Er)，一部分透過材料(Et),還有一部分被吸收(Ea)。若單位時(shí)間內(nèi)入射總聲能為E0，根據(jù)能量守恒定律則:

E0=Er+Ea+Et

聲透射系數(shù) 透過材料的聲能與總?cè)肷渎暷苤戎?，聲透射系?shù)τ=Et/E0。τ值小的材料稱隔聲材料。

聲反射系數(shù) 被反射的聲能與總?cè)肷渎暷苤戎?，聲反射系?shù)у=Er/E0。у值小的材料稱為吸聲材料。

吸聲系數(shù) 被材料吸收的聲能(通常指E0-Er)與總?cè)肷渎暷苤戎怠?/p>

吸聲系數(shù)α=(E0-Er)/E0=1-Er/E0=1-у。對(duì)無吸收或完全反射面,α為0;對(duì)完全吸收或無反射面,α為1。吸聲系數(shù)除取決于材料吸收性能外，尚與聲荷入射角和頻率有關(guān)。

隔聲量 也稱傳聲損失。入射聲能與透射聲能相差的分貝數(shù)，即R=10lg(1/τ)。式中R為隔聲量;τ為透射系數(shù)。隔聲量越大,則表示透過的聲能越小,材料的隔聲性能越佳。隔聲量與聲音頻率有關(guān),常用125、250、500、1000、2000和4000赫,6個(gè)倍頻程的隔聲量表示材料的隔聲性能，也可用平均隔聲量(其算術(shù)平均值)來表示。

光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)光束照射到物體(如玻璃、墻等)上時(shí),入射光的強(qiáng)度(I0)中一部分被反射(Ir)，一部分被吸收(Ia),一部分透過物體(It)進(jìn)入另一側(cè)的空間。根據(jù)能量守恒定律則:

I0=Ir+Ia+It而三部分所占的比例取決于物體本身的成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面光滑程度等因素。

根據(jù)光線通過反射和透射后的分布情況，材料分為兩大類:一類屬于定向的,即光線經(jīng)過反射和透射后,光分布的立體角沒有改變(如鏡子、透明玻璃);另一類為擴(kuò)散的，即光線分散在更大的立體角范圍內(nèi)(如粉刷墻面、乳白玻璃、油漆表面、磨砂玻璃)。

反射系數(shù) 也稱反光系數(shù)，反射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度之比，即R=Ir/I0。

光澤度 材料表面將入射光強(qiáng)度向一個(gè)方向反射出去的能力，也稱亮度。對(duì)于裝飾性涂料是一項(xiàng)很重要的指標(biāo)，常采用與已知光澤度的標(biāo)準(zhǔn)板相比而得。光澤度越高，表示材料表面定向反射光線的能力越強(qiáng)。

透光系數(shù) 透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比，即T=It/I0，也稱透光度。

吸光系數(shù) 吸收光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度之比，即K=Ia/I0，也稱吸光性。

色度 顏色的純度或濃度，即色調(diào)主波長(zhǎng)在與白光混合中所占的百分?jǐn)?shù)。一般用目視區(qū)分物體的顏色差別時(shí),由于受到色彩記憶能力和自然條件等因素的限制,不可避免地有人為的誤差。顏色的色度可以用光電色差儀進(jìn)行定量測(cè)定。國際上通用的顏色測(cè)定系統(tǒng)是國際照明委員會(huì)(CIE)所頒布的坐標(biāo)系統(tǒng),即測(cè)定紅、綠、藍(lán)三原色的刺激值X、Y、Z。

電學(xué)性質(zhì) 電阻率 長(zhǎng)度為1米，截面積為1毫米的材料的電阻歐姆數(shù)。電阻率也稱比電阻，單位為微歐·米。材料的電阻率除受其物理、化學(xué)性能影響外，還受外界溫度、濕度及塵埃的影響。

介電常數(shù) 在一定的外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)被極化的程度,單位為法/米。介質(zhì)的介電常數(shù)越大，在電場(chǎng)中其極化程度越高，用它制成的電容器的電容量也越大。為了方便,常用相對(duì)介電常數(shù)表示:εr=ε/ε0。式中εr為相對(duì)介電常數(shù);ε為介電常數(shù)(法/米);ε0為真空的介電常數(shù)(法/米)。

參考書目

湖南大學(xué)等編:《建筑材料》，中國建筑工業(yè)出版社，北京，1979。