1.1.1  密度、表观密度、体积密度和堆积密度

密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量。表观密度是材料在包括闭口孔隙条件下单位体积的质量。体积密度是指材料在自然状态下的体积，包括材料实体及其开口与闭口孔隙条件下的单位体积的质量。堆积密度是指散粒或纤维状材料在堆积状态下单位体积的质量。密度、表观密度、体积密度和堆积密度既有联系又有差别。计算公式如下：

密度测量（李氏瓶）：

需要说明的是，国家标准GB/T 14684-2011《建设用砂》及GB/T 14685-2011《建设用卵石、碎石》中，表观密度是以ρ0 表示，堆积密度ρ1 以表示。但在交通行业标准JTG E42-2005《公路集料试验规程》中，集料表观密度是以ρa 表示，集料毛堆积密度以ρb 表示。尽管表示符号有差异，但其定义与本教材是一致的。

常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度如表1-1所示。

表1-1 常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度

1.1.2  材料的孔隙率和孔隙率

孔隙率是指材料内部孔隙的体积占材料总体积的百分率。空隙率则是指散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积(开口孔隙与间隙之和)占堆积体积的百分率。材料的孔隙有闭口和开口，其特征状态对材料的性质有重要影响，见图1-1。

图1-1 材料内部孔隙示意

孔隙率和空隙率的计算公式如下：

1.1.3  材料与水有关的性质

材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为亲水与憎水两种不同的性质；材料在潮湿空气中或水中吸收水分的性质，分别称为吸水性与吸湿性；材料耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质；抗渗性指抵抗压力水渗透的性质；抗冻性指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著下降的性质。

⑴ 亲水性与憎水性

当材料与水接触时可以发现，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。材料被水湿润的情况可用润湿边角θ表示。当材料与水接触时，在材料、水以及空气三相的交点处，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触面的夹角θ，称为润湿边角，θ角愈小，表明材料愈易被水润湿。实验证明，当θ≤90°时，材料表面吸附水，材料能被水润湿而表现出亲水性，这种材料称亲水性材料。当θ＞90°时，材料表面不吸附水，此称憎水性材料。当θ= 0°时，表明材料完全被水润湿，称为铺展。上述概念也适用于其它液体对固体的润湿情况，相应称为亲液材料和憎液材料。

润湿特性：

⑵ 材料的吸水性与吸湿性

① 吸水性
材料在水中能吸收水分的性质称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。

质量吸水率: 是指材料吸水饱和时，所吸收水分的质量占干燥材料质量的百分数，用下式表示：

式中：mb—材料吸水饱和状态下的质量，g；m0—材料的质量（干燥至恒重），g。

体积吸水率: 指材料吸水饱和时，所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分数，用下式表示

式中：mb—材料吸水饱和状态下的质量，g；m0—材料的质量（干燥至恒重），g；V’—干燥材料的体积；ρw —水的密度。

材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料的吸水量愈多。材料吸水达饱和时的体积吸水率，即为材料的开口孔隙率。

【重点内容】材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征（孔隙大小、形状、分布、连通性）有关。对于细微连通孔隙，孔隙率愈大，则吸水率愈大。闭口孔隙水分不能进去，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。

注：材料的孔隙率和孔隙特征与材料的很多性能密切相关！！！

各种材料的吸水率很不相同，差异很大，如花岗岩的吸水率只有0.5％～0.7％，混凝土的吸水率为2％～3％，粘土砖的吸水率达8％～20％，而木材的吸水率可超过100％。

② 吸湿性

材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥的空气中也会放出水分，此称吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示。含水率系指材料内部所含水重占材料干重的百分率。用公式表示为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
式中　

W—材料的含水率，％；m1—材料在吸湿状态下的重量，g；m0—为材料的质量（干燥至恒重），g。

材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。材料中所含水分与空气的湿度相平衡时的含水率，称为平衡含水率。

⑶ 材料的耐水性

材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性用软化系数表示，如下式：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
式中　KR—材料的软化系数；fb—材料在饱水状态下的抗压强度，MPa；fg—材料在干燥状态的抗压强度，MPa。
　　KR的大小表明材料在浸水饱和强度降低的程度。一般来说，材料被水浸湿后，强度均会有所降低。这是因为水分被组成材料的微粒表面吸附，形成水膜，削弱了微粒间的结合力所致。　
　　工程中将KR＞0.80的材料，通常认为是耐水的材料。在设计长期处于水中或潮湿环境中的重要结构时，必须选用KR＞0.85的建筑材料。对用于受潮较轻或次要结构物的材料，其KR值不宜小于0.75。

⑷ 材料的抗渗性

材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或称不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数表示。渗透系数的物理意义是：一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量。用公式表示为
　　　　　　　　　　　　　
式中　Ks—材料的渗透系数,cm／h；Q—渗透水量,cm3；d—材料的厚度,cm；A—渗水面积,cm2；t—渗水时间,h；H—静水压力水头,cm。
　　Ks值愈大，表示材料渗透的水最愈多，即抗渗性愈差。抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。
　　材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示，抗渗等级是在规定试验方法下材料所能抵抗的最大水压力，用“Pn”表示。如P6表示可抵抗0.6MPa的水压力而不渗透。
　　材料的抗渗性与材料内部的空隙率特别是开口孔隙率有关，开口空隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的增水性和亲水性有关，增水性材料的抗渗性优于亲水性材料。材料的抗渗性与材料的耐久性有着密切的关系。
　　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。对于防水材料则应具有好的抗渗性。

抗渗性：

⑸ 材料的抗冻性

材料在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，也不严重降低强度的性质，称为材料的抗冻性。

材料的抗冻性用抗冻标号表示。抗冻标号是以规定的试件，在规定试验条件下，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损坏和剥落时所能经受的冻融循环次数，以此作为抗冻标号，用符号“Fn”表示，其中“n”即为最大冻融循环次数，如 F25、F50等。
材料受冻融破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积增大约9％，若材料孔隙中充满水，则结冰膨胀对孔壁产生很大应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂。随着冻融次数的增多，材料破坏加重。
所以材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。如果孔隙不充满水，即远未达饱和，具有足够的自由空间，则即使受冻也不致产生很大冻胀应力。极细的孔隙，虽可充满水，但因孔壁对水的吸附力极大，吸附在孔壁上的水其冰点很低，它在一般负温下不会结冰。粗大孔隙一般水分不会充满其中，对冰胀破坏可起缓冲作用。闭口孔隙水分不能渗入。而毛细管孔隙既易充满水分，又能结冰，故其对材料的冰冻破坏作用影响最大。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时，其抗冻性较高。一般认为软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。
另外，从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。
抗冻性良好的材料，对于抵抗大气温度变化、干湿交替等风化作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐久性的一项指标。在设计寒冷地区及寒冷环境（如冷库）的建筑物时，必须要考虑材料的抗冻性。

1.1.4  热工性质

材料的热容指材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。导热性指当材料两侧有温度差时热量由高温侧向低温侧传递的能力，用导热系数来表示。材料对火焰和高温度抵抗能力称为材料的耐燃性。

计算公式如下：