第一章-材料的组成结构-part 1

第一章土木工程材料基本性质三问：三问程要求材料具备什性能 工程要求材料具备什么性能? 工程材料如何满足工程要求?本章学习哪些内容?工程要求材料具备哪些性能？土木工程的功能要求的材料性能程要求材料具备哪些性能？料承受荷载强度、刚度长期可靠性耐久性防水、隔热隔声防火隔声、防火采光、绝缘物理性能不污染环境安全性工程材料如何满足性能要求？材料的组成抗拉——钢材料成抗压——混凝土高 材料的结构高强混凝土——密实透多——透水混凝土——多孔 材料的复合混凝土脆性——纤维增韧工艺组成结构性能材料的组成—结构—工艺—性能关系材料组成、结构、工艺与性能之关系——材料科学的核心材料的组成与结构材料的技术性能及其测试方法材料组成结构与性能间的关系材料组成、结构与性能间的关系通过本章学习掌握各类材料土木工通过本章学习，掌握各类材料、土木工程材料的“来龙去脉”，为自己成为“科学家或程师打材料学基础家”或“工程师”打下材料学基础。

材料的组成与结构材料在服役环境下的行为——性能力学性能物理性能耐久与安全性材料组成结构性能与施工工艺间的关系材料组成、结构、性能与施工工艺间的关系§1.1 材料的组成与结构组成化学组成 结构微观结构 矿物组成 细观结构 相组成宏观结构一、材料的组成1. 相组成料成相成构成材料的各相的种类和数量。

2矿物组成2. 矿物组成构成材料的矿物的种类和数量。

3化学组成3. 化学组成构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。

层次细化一、材料的组成☐相材料中结构相近、性质相同的均匀部分。

✓自然界中的物质可分为气相、液相和固相。

✓材料中同种化学物质因加工温度、压力等环境条件的不同，可构成不同的相。

铁碳材料中含有铁素体渗碳体珠光体相铁碳材料中含有铁素体、渗碳体、珠光体三相。

✓两相或两相以上物质组成的材料，称为复合材料。

✓土木工程材料大多是复合材料。

混凝土可认为是由骨料分散在水泥浆体中的两相复合材料。

一、材料的组成☐、材料的组成相是指多相材料中相与相之间的分界面✓界面是指多相材料中相与相之间的分界面。

✓薄成界面是一个较薄区域，此区域内的成分和结构与相区域内不一样，可称为“界面相”。

事实是由骨料相相相成事实上，混凝土是由骨料相、水泥石相和界面相组成的三相复合材料。

一、材料的组成☐矿物、材料的组成✓无机非金属材料中具有特定的晶体结构、物理力学称为矿物性能的组织结构称为矿物。

硅酸盐水泥熟料中的主要矿物有：花岗岩的主要矿物有：硅酸三钙 硅酸二钙石英长石铝酸三钙铁铝酸四钙云母种类与含量和水化速度放热量和强度密切相关种类与含量和水化速度、放热量和强度密切相关一、材料的组成☐化学组成-化学成分、材料的组成学成学成✓金属材料——以元素含量表示。

✓无机非金属材料——以氧化物含量表示。

例如：钢材中四种矿物相所含的化学元素是：Fe 等）、C 及其它微量元素（Cr 、Mn 、Ni 等）； 生石灰的化学组成是：CaO ，熟石灰的组成是Ca(OH)2；水泥中种矿物相所含的化合物是水泥中四种矿物相所含的化合物是：CaO 、SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3等。

聚氯乙烯塑料的化学组成有聚氯乙烯塑料的化学组成有：PVC 树脂（[-CH －CHCl-]n ）、二丁酯、CaCO 3等。

如如：水泥化学成分（%）CaO SiO2Al2O3Fe2O3MgO SO364.3220.81 4.53 3.03 1.05 2.30◆水泥化学组成O Ca Si Al Fe NaCaO SiO2Al O Fe O3Na O2 2323 2◆水泥矿物组成2CaO .SiO23CaO .SiO23CaO.Al O4CaO.Al O.Fe O232323化学组成相同，其矿物组成不一定相同；例如：半水石膏的化学成分为CaSO4⋅0.5H2O，但它有α-、β-、γ-等3种矿物相。

不同的矿物相，其化学组成可能相同。

例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。

矿物组成相同，其化学组成一定相同。

一、材料的组成料成不仅影响材料的化学性质,而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。

力学性质的重要因素例如：☐石膏、石灰和石灰石的主要化学成分为CaSO4、CaO和CaCO3, 石膏和石灰易溶于水而耐水性差，而石灰石较稳定；石膏和石灰易溶于水而耐水性差而石灰石较稳定形成的纤维素和木质素组成☐木材主要由C、H、O形成的纤维素和木质素组成，易燃；C H化合物及其衍生物组成☐石油沥青是有C—H化合物及其衍生物组成，大气下易老化；F素组成会氧化反应锈蚀☐钢材主要由Fe元素组成，会因氧化反应而锈蚀。

生石膏CaSO4·2H2O与熟石膏CaSO4·0.5H2O的差别在所含H2O 的数量不同，因而，后者有水化活性，而前者没有；纯铁强度不高且较柔软，而钢较强韧，生铁较硬脆，其主要量百分之几的微小差别原因是它们的含C量百分之几的微小差别；聚氯烯树脂与聚烯醇在 聚氯乙烯树脂[-CH2-CHCl-]n与聚乙烯醇[-CH2-CHOH-]n，在组成上,前者的大分子链上含Cl¯ 离子，而后者含OH¯ 离子，因而后者是水溶性的而前者不是因而，后者是水溶性的，而前者不是。

等等……等等。

材料→物相→化合物或元素物相组成：固相、液相、气相化学组成：化合物元素化学组成：化合物、元素矿物组成与化学组成的关系化学组成相其矿物组成不定相化学组成相同，其矿物组成不一定相同不同的矿物相，其化学组成可能相同物成相其学成定相矿物组成相同，其化学组成一定相同材料组成与性能的关系材料组成微小差别就可引起材料性能根本的改变材料中物相含量的变化就可导致材料质的突变二、材料的结构材料的结构材料中各组成单元之间的相互联系和相互作用方式。

材料结构层次：宏观构造细观结构微观结构小结材料的结构——各组成单元之间的相互联系和相互作用方式从尺度上讲，材料结构分为宏观、细观和微观三个层次；材料的结构取决其组成和制造工艺料成制造及其条件(温度、压力等)；相组成的材料有不的结构 相同组成的材料可以有不同的结构； 相同结构的材料可以有不同的组成。

1. 微观结构微观结构—原子、分子层次的结构。

尺寸范围在10-10‾10-6m内。

结构组成单元是原子、分子、离子或离子团等质点（质点在相互作用力下的聚集状态、排列形式）下的聚集状态排列形式）根据排列有序与无序微观结构分为根据排列有序与无序，微观结构分为晶体（有序、重复排列）非晶体（无序连接）✓玻璃体✓胶体非晶态结构也称无定型结构。

结构特点：质点排列无序，且无周质点排列无序无周期性；没有固定的几何外形。

种类：玻璃体结构 胶体结构晶体与非晶体的区别与联系共同点：非晶体结构是短程有序，即在很小的尺寸范围内存在有序性，晶体内部也有缺陷，在很小的尺寸范围内也存在着无序性。

物质在不同条件下，既可形成晶体结构，也可形成非晶体结构。

比如，金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态比如金属，即所谓的金属玻璃；玻璃经过适当处理，也可形成晶态玻璃。

玻璃过适当处也形成晶态玻璃玻璃体结构4玻璃体结构定义：晶态在高温下熔融为液态，温度骤降熔体内部质点来不及排列成有序结构形成。

玻璃体结构是无定形物质(或非晶体)，远程无序，各向同性。

玻璃体没有定的熔点只出现软化现象玻璃体没有一定的熔点，只出现软化现象。

玻璃体是化学不稳定结构。

91粉煤灰玻璃体2015-10-09胶体胶体：是指高度分散的分散体，由分散相和分散介质两相组成。

71010胶粒粒径：10-7-10-10m。

溶胶胶粒少分类：溶胶：胶粒少。

凝胶：胶粒多。

建材：凝胶具有固体性质，长期应力作用下又具粘性液体流动性质。

作用具粘性液体流性质度变大93 特点：强度低，变形大。

水泥凝胶体2015-10-09结构2 . 细观结构细观结构也称为亚微观结构，是介于微观结构和宏观结构之间的结构形式。

-6~10-3细观结构的尺寸范围为1010m。

指材料内部组织结构和各物相的堆积结构。

如：钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体；岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相的堆积结构等；混凝土中的孔隙及界面；高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。

3. 宏观结构（或构造）☐宏观的组织状态和具有特定性质的材料单元的宏观的组状态和具有特定性质的材料单元的组合情况。

☐尺寸范围在10-3m 以上，肉眼可分辨。

辨如：材料内部的孔隙特征和孔结构；混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况； 纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。

材料中的气相t r u s i o n (m L /g )0.030.040.05H0H3H4材料或多或少地含有气相L o g D i f f e r e n t i a l I n 0.010.02空隙特征——孔结构孔的数量：孔隙率Pore size Diameter (nm)101001,00010,0000.00孔的特征：开口孔隙、闭口孔隙孔—外界？连通连通孔隙不连通孔隙—连通孔隙、不连通孔隙孔孔？连通开放性孔隙，封闭性孔隙孔径，按孔径尺寸大小分为：粗大孔隙：大于1mm 00110mm 毛细孔隙：0.01-1.0mm 微小孔隙：小于0.01mm材料中的气相孔(缝)隙对材料性能有很大影响：有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等；无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等；有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。

力学、保温、吸声、吸湿性、抗冻性、抗渗性。