1.1 材料的基本物理性质
建筑材料在建筑物中各个部位的功能不同，均要承受不同的作用，因而要求建筑材料必须具有相应的基本性质。
物理性质包括密度、密实性、空隙率、孔隙率等（计算材料用量、构件自重、配料计算、确定堆放空间）。
1.1.1 材料与质量的性质
自然界的材料，因其单位体积内所含孔（空）隙程度的不同，其基本的物理性质参数即单位体积的质量也有所区别，这就带来了不同的密度概念。
1.1.1.1 材料的体积构成及含水状态
1.材料的体积构成
块状材料在自然状态下的体积是由固体物质的体积和材料内部孔隙的体积组成的，即材料内部的孔隙按孔隙特征分为连通孔隙和封闭孔隙两种，孔隙按尺寸大小又可分为微孔、细孔和大孔三种。封闭孔隙不吸水，连通孔隙与材料周围的介质相通，材料在浸水时易吸水饱和，如图1.1所示。
图1.1 块状材料体积构成示意图
1—封闭孔隙；2—连通孔隙
散粒材料是指在自然状态下具有一定粒径材料的堆积体，如工程中的石子、砂等。其体积构成是由固体物质体积、颗粒内部孔隙体积和固体颗粒之间的空隙体积组成的，如图1.2所示。
图1.2 散粒材料体积构成示意图
1—颗粒中固体物质；2—颗粒的连通孔隙；3—颗粒的封闭空隙；4—颗粒间的空隙
2.材料的含水状态
材料在大气中或水中会吸附一定的水分，根据材料吸附水分的情况不同，将其含水状态分为四种，即干燥状态、气干状态、饱和面干状态、湿润状态，如图1.3所示。
图1.3 材料的含水状态
（a）干燥状态；（b）气干状态；（c）饱和面干状态；（d）湿润状态
材料的含水状态的不同会对材料的多种性质产生一定的影响。
1.1.1.2 密度
密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，即
式中 ρ——密度，g/cm3；
m——材料在干燥状态下的质量，g；
V——干燥材料在绝对密实状态下的体积，或称绝对体积，cm3。
材料在绝对密实状态下的体积，即固体物质的体积，是指不包括材料孔隙在内的实体积。常用建筑材料中，除金属、玻璃、单体矿物等少数接近于绝对密实的材料外，绝大多数材料均含有一定的孔隙，如砖、石材等块状材料。测定含孔材料的密度时，应将材料磨成细粉（粒径一般小于0.20mm）除去孔隙，经干燥至恒重后，用李氏瓶采用排液的方法测定其实体积。材料磨得越细，所测得的体积越接近实体积，密度值也就越精确。
1.1.1.3 表观密度
表观密度是指材料在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量，即
式中 ρ0——表观密度，g/cm3或kg/cm3；
m——材料的质量，g或kg；
V 0——材料在自然状态下的体积，也称表观体积，cm3。
材料在自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积，即材料的实体积与材料内所含全部孔隙体积之和。一般，对具有规则外形的材料，其测定很简便，表观体积的测定可用外形尺寸直接计算，再测得材料的质量即可算得表观密度；对不具有规则外形的材料，可在其表面涂薄蜡层密封（防止水分渗入材料内部而影响测定值），然后采用排液法测定其表观体积。
每种材料的密度是固定不变的，但当材料含有水分时，其自然状态下的质量、体积会发生变化导致表观密度也产生改变。所以测定材料的表观密度时，须注明含水状态。通常，材料的表观密度是指在气干状态下（长期在空气中存放的干燥状态）的表观密度；材料在烘干状态下测得的表观密度称为干表观密度，在潮湿状态下测得的表观密度称为湿表观密度。
1.1.1.4 堆积密度
堆积密度是指散粒材料（粉状、颗粒状或纤维状材料）在规定的装填条件下，单位体积的质量，即
式中
——堆积密度，g/cm3或kg/cm3；
m——材料的质量，g或kg；
——材料的堆积体积，cm3。
散粒材料的堆积体积不但包括其表观体积，还包括颗粒间的空隙体积，即固体物质体积、颗粒内部孔隙体积和固体颗粒之间的空隙体积之和。散粒材料的堆积密度的大小不仅取决于材料颗粒的表观密度，而且还与材料的装填条件（即堆积的密实程度）有关、与材料的含水状态有关。
由于散粒材料堆放的紧密程度不同，可将其分为松散堆积密度、振实堆积密度、紧密堆积密度三种。
在建筑工程中，计算材料用量、构件自重、配料用量、材料堆积体积或面积，以及计算运输材料的车辆时，经常要用到材料的上述状态参数。常用建筑材料的密度、表观密度、堆积密度和孔隙率见表1.1。
表1.1 常用建筑材料的密度、表观密度堆积密度及孔隙率
1.1.1.5 视密度
石子、砂及水泥等散粒状材料，在测定其密度时，一般采用排液置换法测定其体积，所得体积一般包含颗粒内部的封闭孔隙体积，并非颗粒绝对密实体积。若按式（1.3）计算，结果并不是散粒材料的真实密度，故将此密度称为散粒材料视密度。
由于所测得的颗粒体积大于其密实体积，小于其自然体积，所以存在以下关系：
密度＞视密度＞颗粒表观密度
1.1.1.6 孔隙率与密实度及空隙率与填充率
1.孔隙率P与密实度D
孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料总体积的百分率，即
密实度是指材料体积内被固体物质充实的程度，即固体物质的体积占总体积的百分率，即
材料的孔隙率与密实度是从两个不同的方面反映材料的同一个性质，二者存在以下关系：
孔隙率和密实度的大小均反映了材料的致密程度。材料的孔隙率越小、密实度越大，则材料就越密实、强度越高、吸水率越小等。此外，建筑材料的许多重要性质，如强度、耐久性、导热性、抗渗性、抗冻性等不但与孔隙率大小有关还和孔隙的特征有关。一般，孔隙率较小且连通孔较少的材料其吸水率较小、强度较高、抗渗性和抗冻性较好，但其保温隔热、吸声隔音性能稍差。
2.空隙率P′与填充率D′
空隙率是指散粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占其堆积总体积的百分率，即
填充率是指散粒材料在某堆积体积内，被其颗粒体积填充的程度，即
空隙率和填充率也是从两个不同方面反映了散粒材料的同一个性质，即散粒材料颗粒间相互填充的程度。在配制混凝土时，砂、石的空隙率可作为控制混凝土集料级配与计算砂率的重要依据。
1.1.2 材料与水有关的性质
1.1.2.1 亲水性与憎水性
材料在空气中与水接触时，被水润湿的程度不同，有些甚至不能被润湿，材料能被水润湿的性质称为亲水性，材料不能被水润湿的性质称为憎水性。故根据材料能否被水润湿，将材料分为亲水性材料和憎水性材料。
当材料与水接触时，材料被水润湿的程度可用润湿角θ表示。在材料、空气、水三相交界处，沿水滴表面做切线，切线与水和材料的接触面之间的夹角即为θ，称为润湿角，如图1.4所示。
图1.4 材料的湿润示意图
θ越小，润湿性越强，表明材料越易被水润湿；反之则越弱。所以水能否润湿材料，与θ角大小有关。一般认为：当θ≤90°时，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子之间的吸引力，水能在材料表面铺展、润湿，该材料则称为亲水性材料，特别地，当θ为零时，表示材料完全被水润湿；当θ＞90°时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子之间的吸引力，水不能吸附在材料上，材料表面不易被水润湿，该材料则称为憎水性材料。
大多数建筑材料，如石料、砖、混凝土、木材等，都属于亲水性材料；沥青、石蜡、塑料等属于憎水性材料。亲水性材料被水润湿，并能通过毛细管作用将水吸入材料内部；憎水性材料一般不能被水润湿，并能阻止水分渗入毛细管中，从而降低其吸水性。憎水性材料可作为防水、防潮材料，并可对亲水性材料进行表面处理来降低其吸水性。
1.1.2.2 吸湿性和吸水性
1.吸湿性
吸湿性是指材料在潮湿空气中吸收水分的性质。由于材料的亲水性及连通孔隙的存在，大多数材料具有吸湿性，所以材料中常含有水分。吸湿性的大小用含水率表示，即材料中所含水的质量占材料干燥质量的百分率，即
式中 wh——材料的含水率，%；
mh——材料含水时的质量，g或kg；
m——材料在干燥状态下的质量，g或kg。
材料含水率的大小除与材料的孔隙率、孔隙特征有关外，还受周围环境的温度、湿度的影响。长期处于空气中的材料，其所含水分会与空气中的湿度达到平衡，这时材料处于气干状态。材料在气干状态下的含水率称为平衡含水率。故平衡含水率不是固定不变的，干的材料在空气中能吸收空气中的水分而变湿，湿的材料在空气中能失去水分而变干，这样达到平衡。
2.吸水性
吸水性是指材料在水中吸收水分的性质。材料的吸水性用吸水率表示。材料吸水达到饱和状态时的含水率称为吸水率。吸水率是评定材料吸水性大小的指标，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在吸水达饱和时，内部所吸水分的质量占材料干燥质量的百分率，即
式中 wm——材料的质量吸水率，%；
m 1——材料含水时的质量，g或kg；
m——材料在干燥状态下的质量，g或kg。
（2）体积吸水率。体积吸水率是指材料在吸水达饱和时，内部所吸水分的体积占干燥材料自然体积的百分率，即
式中 wv——材料的体积吸水率，%；
Vw——材料吸水饱和时水的体积，cm3；
V 0——干燥材料在自然状态下的体积，cm3；
ρw——水的密度，g/cm3。
质量吸水率和体积吸水率二者有如下关系：
通常，吸水率均指质量吸水率，但对某些轻质材料，由于连通且微小的孔隙很多，体积吸水率能更直观地反映材料的吸水程度。
材料的吸水性不仅取决于其亲水性或憎水性，也与孔隙率的大小和孔隙特征有关。一般来说，孔隙率越大，吸水性越强。封闭的孔隙水分不易进入，粗大连通的孔隙又不易吸满、存留水分，所以在相同的孔隙率情况下，材料内部微小连通的孔隙越多，吸水性越强。
水对材料有很多不良的影响，它使材料的表观密度和导热性增大、强度降低、体积膨胀、易受冰冻破坏，因此材料的吸湿性和吸水性均会对材料的各项性能产生不利影响。所以，有些材料在工程中应用时要注意有效的防护措施。
1.1.2.3 耐水性
耐水性是指材料抵抗水的破坏作用的能力，即材料长期处于饱和水的作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料的耐水性用软化系数表示，即
式中 KR——材料的软化系数；
fb——材料在饱和水状态下的抗压强度，MPa；
fg——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。
KR值的变化范围为0～1，KR值的大小表明材料在吸水饱和后强度降低的程度。KR值越小，说明材料吸水后强度降低越多，耐水性就越差。通常KR值大于0.85的材料称为耐水材料，适用于长期处于水中或潮湿环境的重要结构物；对于受潮较轻或次要的结构物材料的KR值不得小于0.75。一般认为金属KR=1，黏土KR=0。
1.1.2.4 抗渗性
抗渗性又称不透水性，是指材料抵抗压力水渗透的性质。材料的抗渗性用渗透系数表示。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。抗渗性用式（1.17）计算，即
式中 K——渗透系数，cm/h；
Q——渗透水量，cm3；
d——试件厚度，cm；
A——渗水面积，cm2；
t——渗水时间，h；
H——静水压力水头，cm。
K值越小，表示材料渗透的水量越少，即抗渗性越好；K值越大，表示材料渗透的水量越多，即抗渗性越差。
对于防水、防潮材料，如沥青、油毡、沥青混凝土等材料常用渗透系数表示其抗渗性；对于混凝土、砂浆等材料，常用抗渗等级来表示其抗渗性。抗渗等级是以规定的试件、在标准试验方法下所能承受的最大静水压力来确定，用符号“Pn”表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的10倍的兆帕数，如P4、P6、P8、P10、P12等，分别表示材料能承受0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的水压力而不渗水。材料的抗渗等级越高，其抗渗性越强。
材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗渗性。
材料抗渗性的大小与材料的孔隙率和孔隙特征有密切关系。孔隙率大，且孔隙是大尺寸的连通孔隙时，材料具有较高的渗透性。
1.1.2.5 抗冻性
抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不被破坏，其强度也不显著降低的性质。
冰冻对材料的破坏作用是由于材料内部连通孔隙内充满的水分结冰时，体积膨胀所引起的。材料的抗冻性用抗冻等级来表示。抗冻等级是以规定的试件、在标准试验条件下进行冻融循环试验，以试件强度降低及质量损失值不超过规定要求，且无明显损坏和剥落时所能经受的最大循环次数来确定。一般要求以强度降低不超过25%，且质量损失不超过5%时所能承受的最多的循环次数来表示。记作Fn，n为最大冻融循环次数，如F25、F50等。
材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征、充水程度。材料的变形能力大、强度高、软化系数大时其抗冻性较高。抗冻性良好的材料对抵抗气温变化、干湿交替等破坏作用的能力较强，所以抗冻性常作为考查材料耐水性的一项重要指标。
材料抗冻等级的选择，是根据结构物的种类、使用条件、气候条件等来决定的。
1.1.3 材料与热有关的性质
1.1.3.1 导热性
导热性是指材料传导热量的能力。当材料两面存在温度差时，热量就会从高温的一面传导到低温的一面。导热性的大小用导热系数（热导率）表示，即
式中 λ——导热系数，W/（m·K）；
Q——通过材料传导的热量，J；
d——材料的厚度或传导的距离，m；
A——材料的传热面积，m2；
t——传递热量Q所需的时间，s；
ΔT——材料两侧的温度差，K。
导热系数是确定材料绝热性的重要指标。λ值越小，则材料的绝热性越好。影响材料导热性的因素很多，其中最主要的有材料的孔隙率、孔隙特征及含水率等。材料内微小、封闭、均匀分布的孔隙越多，则λ就越小，保温隔热性也就好，反之则差。
材料的导热性对建筑物的隔热和保温具有重要意义，有保温隔热要求的建筑物宜选用导热系数小的材料做围护结构。几种材料的导热系数见表1.2。
表1.2 几种材料的导热系数及比热
1.1.3.2 比热及热容量
材料具有受热时吸收热量、冷却时放出热量的性质。
当材料温度升高（或降低）1K时所吸收（或放出）的热量，称为该材料的热容量（J/K）。1kg材料的热容量，称为该材料的比热，即
式中 Q——材料吸收（或放出）的热量，J；
c——材料的比热，J/（kg·K）；
m——材料的质量，kg；
t 1、t2——材料受热前后的温度，K。
材料的热容量对保持室内的温度稳定有很大作用。
热容量高的材料，能对室内温度起调节作用，使温度变化不致过快，冬季或夏季施工对材料进行加热或冷却处理时，均需考虑材料的热容量。表1.2列出了几种材料的比热值。
1.1.3.3 耐燃性与耐火性
1.耐燃性
耐燃性是指材料抵抗燃烧的性质。所谓的燃烧性能是指建筑材料或制品燃烧或遇火时所发生的一切物理和化学变化。耐燃性是影响建筑物防火和耐火等级的重要因素。按建筑材料的燃烧性质不同，根据《建筑内部装修防火设计规范》（GB 50222—1995）、《建筑材料及制品燃烧性能分级》（GB 8624—2012）将其分为以下四级：
（1）A级——不燃烧材料。
（2）B1级——难燃烧材料。
（3）B2级——可燃材料。
（4）B3级——易燃材料。
2.耐火性
耐火性是指材料长期抵抗高温或火的作用，保持其原有性质的能力。
有些材料遇火或在高温作用下易变形甚至熔融，像钢铁、玻璃等虽然是A级不燃烧材料，但却不是耐火材料。耐火材料按耐火度可分为以下三种：
（1）普通耐火材料，1580～1770℃。
（2）高级耐火材料，1770～2000℃。
（3）特级耐火材料，2000℃以上。
1.1.4 材料与声有关的性质
1.1.4.1 材料吸声的原理
物体振动产生声音，振动迫使邻近的空气跟着振动而成为声波，并在空气介质中向四周传播。声音在传播的过程中，一部分由于声能随着距离的增大而扩散，另一部分则因空气分子的吸收而减弱。这种声能减弱的现象在室外空旷处较明显，在室内由于空间小，减弱声能的主要原因却是室内地板、墙壁、家具等的表面对声能的吸收。
当声波传播到材料表面时，一部分声波穿透材料，另一部分声波被反射，其余的声波则被材料吸收了。被吸收的声波是在传递的过程中，在材料的孔隙中引起空气分子与孔壁的摩擦和黏滞阻力，使相当一部分声能转化为热能而被吸收掉。
1.1.4.2 吸声性
吸声性是指声能穿透材料和被材料消耗的性质。具有吸声性的材料称为吸声材料，它是一种能在较大程度上吸收由空气传递的声波能量的建筑材料。材料吸声性能用吸声系数表示，吸声系数是指材料吸收的声能与传递给材料的入射声能的百分比，即
式中 α——材料的吸声系数；
E——被材料吸收（包括透过）的声能；
E 0——传递给材料的全部入射声能。
有效地采用吸声材料，不仅可以减少环境噪声污染，而且能适当地改善音质。房间内声音被界面不断反射而积累会产生混响，不同使用要求的房间需要不同的混响效果。如在音乐厅、剧院等演奏音乐的空间，就需要混响效果使乐曲更加舒缓而愉悦；而对于电影院、录音室、教师等语言使用的空间，就需要减少混响使话语更加清晰。
1.1.4.3 隔声性
隔声性是指材料能减弱或隔断声波传递的性能。对于吸声性能好的材料，不能简单地将其作为隔声材料来使用。描述材料隔声性能的指标是隔声量，其单位为分贝（dB）。人们要隔绝的声音按传播的途径可分为空气声（由于空气的振动）和固体声（由于固体的撞击或振动）两种。对于隔空气声主要是取决于材料的单位面积质量，密实、沉重的材料为好，如黏土砖、钢筋混凝土等；而对于隔固体声最好是采用不连续的结构处理，即在墙壁和承重梁之间、房屋的框架和隔墙及楼板之间加弹性衬垫，如橡皮、软木、毛毡等材料，或在楼板上铺弹性地毯。