1.3 材料与水有关的性质
1.3.1 亲水性与憎水性
材料与水接触时，根据材料表面对水的吸附程度，可分为亲水性材料和憎水性材料两类。
润湿就是水被材料表面吸附的过程，它和材料本身的性质有关。当材料在空气中与水相接触时，如材料分子与水分子间的相互作用大于水本身分子间的作用力，则材料表面能被润湿。此时，在材料、水和空气三相的交点处，沿水滴表面所引切线与材料表面所成的夹角（称为润湿角）θ≤90°，如图1.1（a）所示，这种材料称为亲水性材料。反之，如材料分子与水分子间的相互作用力小于水本身分子间的作用力，则表示材料不能被水润湿。此时，润湿角θ>90°，如图1.1（b）所示。这种材料称为憎水性材料。
图1.1 材料润湿示意图
水在亲水性材料的毛细管中形成凹形弯液面。在憎水性材料的毛细管中，一般水不易渗入毛细管中，当有水渗入时，则成凸形弯液面，并将保持在周围水面以下。
大多数建筑物材料，如石料、砖、混凝土、木材等都属于亲水性材料，表面能被水润湿，并且能通过毛细管作用，将水分吸入材料内部。憎水性材料有沥青、石蜡等，其表面不能被水润湿。当材料的毛细管管壁有憎水性材料存在时，将阻止水分进入毛细管中，降低材料的吸水作用。憎水性材料不仅可用作防水材料，而且还可用于处理亲水性材料的表面以降低其吸水性。
1.3.2 吸水性
材料在水中吸水的性质称为吸水性。
由于材料的亲水性及开口孔隙的存在，大多数材料具有吸水性，故材料中常含有水分。材料中所含水分的多少常以含水率表示。含水率为材料中所含水重与材料干重的百分比。
当材料吸水达到饱和状态时的含水率，称为材料的吸水率，吸水率有质量吸水率和体积吸水率两种表示方法。
材料的质量吸水率是材料吸收水分的质量与材料在干燥状态下的质量之比，按下式计算：
式中 W——材料的质量吸水率，%；
m 2——材料在干燥状态下的质量，g；
m 1——材料在浸水饱和状态下的质量，g。
材料的体积吸水率是材料吸收的水分的体积与材料在自然状态下的体积之比，按下式计算：
式中 W0——材料的体积吸水率，%；
V 0——材料在自然状态下的体积，cm3；
ρw——水在常温下的密度，ρw=1g/cm3。
因此，材料的质量吸水率与体积吸水率存在如下关系：
式中 ρ0——材料的表观密度，g/cm3。
各种材料的吸水率相差很大。例如，密实新鲜花岗岩的吸水率为0.2%～0.7%；普通混凝土为2%～3%；普通黏土砖为8%～20%；而木材及其他轻质材料的吸水率则常大于100%。
水在材料中对材料性质将产生不良影响。它使材料的容重和导热性增大，强度降低，体积膨胀。因此，吸水率大对材料性质是不利的。
1.3.3 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。
材料所含水的质量与材料质量的比值的百分率，称为材料的含水率，可按下式计算：
式中 Wh——材料的含水率，%；
m 2——材料在干燥状态下的质量，g；
m 0——材料在吸湿状态下的质量，g。
材料的含水率大小，除与材料本身的特性有关外，还与周围环境的温度、湿度有关。气温越低、相对湿度越大，材料的含水率也就越大。
材料随着空气湿度的变化，既能在空气中吸收水分，又可向外界扩散水分，最终将使材料中的水分与周围空气的湿度达到平衡，这时材料的含水率，称为平衡含水率。平衡含水率并不是固定不变的，它随环境中的温度和湿度的变化而改变。当材料吸水达到饱和状态时的含水率即为吸水率。
1.3.4 耐水性
材料在水的作用下不会损坏，其强度也不显著降低的性质称为耐水性。一般材料在含有水分时，其强度均有所降低，这是因为材料微粒间的结合力被渗入的水膜所削弱的缘故。如果材料中含有某些易于被水软化的物质（如黏土、石膏等），则强度降低更为严重。材料的耐水性以软化系数KR表示：
式中 KR——材料的软化系数；
fb——材料在饱和吸水状态下的抗压强度，MPa或N/mm2；
fg——材料在干燥状态下的抗压强度，MPa或N/mm2。
由上式可知，KR值的大小表明材料浸水后强度降低的程度。
软化系数的大小，有时成为选择材料的重要依据。经常位于水中或受潮严重的结构物的材料，其软化系数不宜低于0.85～0.90；受潮较轻的或次要的结构物的材料，其软化系数不宜小于0.70～0.85。
1.3.5 抗渗性
材料的抗渗性是指材料抵抗水渗透的性能。材料抗渗性的高低，与其孔隙率及孔隙特征有关。绝对密实的材料或具有封闭孔隙的材料，实际上是不透水的。另外，材料毛细管管壁的亲水性或憎水性也对抗渗性有一定影响。
材料的抗渗性常用渗透系数来表示。根据达西定律，在一定时间t内，透过材料的水量Q，与材料的断面积A及水头差H成正比，与材料的厚度D成反比，即
式中 Ks——材料的渗透系数，cm/h；
Q——时间t内渗水总量，cm3；
A——材料垂直于渗水方向的渗水面积，cm2；
D——材料的厚度，cm；
H——材料两侧的水压差，cm；
t——渗水时间，h。
材料的抗渗性也可用抗渗等级来表示。
地下建筑物及水工建筑物，因常受到水压力或水头差的作用，所用材料应具有一定的抗渗性。用于防水层的防水材料，一般要求具有较高的不透水的性质。
1.3.6 抗冻性
材料的抗冻性，是指材料在水饱和状态下，经受多次冻融循环作用，能保持强度和外观完整性的能力。材料的抗冻性用抗冻等级表示，是指在规定的试验条件下，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承受的冻融循环次数。显然冻融循环次数越多，抗冻等级越高，抗冻性越好，如F50、F100、F150、F200、F500表示材料的冻融循环次数为50次、100次、150次、200次和500次。
材料受冻破坏主要是因其孔隙中的水结冰所致。若材料孔隙中充满水，水结冰时体积膨胀（体积增大约9%）对孔壁产生巨大压力，当应力超过材料的抗拉强度时，材料遭受破坏。材料的抗冻性大小与材料的结构特征（孔隙率、孔隙构造）、强度、含水状态等因素有关。一般而言，密实材料以及具有封闭孔的材料有较好的抗冻性；具有一定强度的材料对冰冻有一定抵抗能力；材料孔隙中充水程度越接近饱和，冰冻破坏作用越大。毛细管孔隙易充满水，又能结冰，故其对材料的冰冻破坏作用影响最大。极细的孔，虽可充满水，但水的冰点很低，在一般负温下不会结冰；粗大孔一般不易被水充满，对冰冻破坏还可起缓冲作用。
材料抗冻性的好坏取决于材料的强度、孔隙率和孔隙特征。增大材料的密实性或使材料内部形成一定数量的封闭孔隙，均能提高材料的抗冻性。