材料的物质结构的基本性质、材料的性能与应用

第十一讲材料的物质结构的基本性质、材料的性能与应用。

一、内容提要：

本讲主要是讲解材料的物理性质、材料的力学性质、石膏胶凝材料、石灰胶凝材料以及水玻璃等问题。

二、本讲的重点：

石膏胶凝材料和石灰胶凝材料的性能与应用。

本讲的难点是：材料的物理性质、材料的力学性质中一些概念的区分以及一些指标的计算。

三、内容讲解：

1、材料科学与物质结构的基础知识

1. 1材料的组成：是指材料的化学成分或矿物成分。它不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。

各种材料具有本身特有的化学成分和矿物成分，不同组成的材料，各具不同的化学、物理及力学性质，因此，材料组成是材料性质的基础，对材料的性质起着决定性作用。

1.2材料的结构

材料结构一般分为宏观结构、细观结构和微观结构三个层次。材料的微观结构是指物质的原子、分子层次上的结构，决定着材料的强度、硬度、弹塑性等性质。

材料的结构是指组成物质的质点是以什么形式联结在一起，物质内部这种微观结构，

与材料的物理、力学性质有着密切的关系。

固态物质按其内部原子的排列情况可以分为两大类：晶体与非晶体。在晶体中，原子(或分子)在三维空间做有规则的周期性重复排列；非晶体则不然，原子(或分子)散乱

分布，或者只有些局部的短程规则排列。这一点是晶体与非晶体的根本区别。一般固态

金属与合金都是晶体，而玻璃类物质是非晶体。

由于内部原子的排列情况不同，晶体与非晶体的性质也不同。构成晶体的质点是按一定的规则在空间呈有规律的排列，因此晶体具有一定的几何外形和固定的熔点，显示各向异性，但实际应用的晶体材料，通常是由许多细小的晶粒杂乱排列而成，故晶体材料在宏观上显示为各向同性。晶体也存在缺陷，晶体缺陷影响着材料的性质。而非晶体没有固定的熔点，没有固定的几何外形，各向同性，固态的非晶体实际上是一种过冷状态的液体，也称为玻璃态。．

材料的化学成分相同，如果所形成的结构不同，其性能差异也很大。如石英和硅藻土，其成分虽然都是二氧化硅，但其性能相差很大。

2、材料的基本性质：

(3)材料的亲水性与憎水性

材料的亲水性：材料在空气中与水接触时，能被水润湿的性质，称材料的亲水性，如砖、砼、木材等。

材料的憎水性：材料在空气中与水接触时，不能被水润湿的性质，称材料的憎水性，如石蜡、沥青

(4)材料的吸水性与吸湿性

材料的吸水性：是指材料在水中吸收水分的性质。材料的吸水性以吸水率表示。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。

吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。潮湿材料在干燥空气中也会放出水分，称为材料的吸湿性。材料的吸湿性用含水率表示；含水率系指材料内部所含水的质量占材料干质量的百分率。

(5)材料的抗渗性与耐水性

材料的抗渗性：材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，或不透水性。材料的抗渗性通常用渗透系数来表示。渗透系数是指一定厚度的材料，在单位压力水头作用下，在单位时间内透过单位面积的水量。．

材料的耐水性是指材料长期在水作用下不破坏，强度也不显著降低的性质。材料的耐水性用软化系数来表示，可用下式表示：

(6)材料的抗冻性：

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等级表示。抗冻等级是以规定的试件、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经受的冻融循环次数来确定。

(七)导热性与比热

当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧，通过材料传递到温度低的一侧，

材料的这种传导热量的能力，称为导热性。

材料导热性可用导热系数来表示。导热系数的物理意义是：厚度为lm的材料，当温度改变1K时，在ls时间内通过lm2面积的热量。比热是指lkg重的材料，在温度改变1K时所吸收或放出的热量。

例2、试判断下列中说法正确的项（）

A、材料的吸水性是指材料在浸水状态下吸入水分的能力

B、材料的抗渗性是指材料在压力的作用下，材料抵抗水渗透的性能，用渗透系数来表示。

C、材料的吸湿性是指材料吸收空气中水分的能力。

D、材料的软化系数k越小，其耐水性越好。

答案为（D）

2.2、材料的力学性质

材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质。

(1)材料的强度与硬度

材料在外力作用下抵抗破坏的能力，称为材料的强度。根据外力作用的形式不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度等。

硬度是指材料表面抵抗硬物压人或刻划的能力。材料的硬度愈大，其强度愈高。

(2)材料的弹性与塑性

材料在外力作用下产生变形，当外力去除后能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。材料的这种可恢复的变形称为弹性变形，弹性变形属可逆变形，其大小与外力成正比，此时应力与应变的比值称为材料的弹性模量。

材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，有一部分变形不能恢复，这种性

质称为材料的塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形，塑性变形为不可逆变形。

(3)材料的脆性与韧性

材料受外力作用，当外力达到一定数值时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性，具有这种性质的材料称脆性材料。

材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。

3、无机气硬性胶凝材料

胶凝材料：是指在一定条件下通过自身的一系列变化而把其它材料胶结成具有强度的整体的材料。建筑上用来将散粒材料(如砂、石子等)或块状材料(如砖、石块等)粘结成为整体的材料，统称为胶凝材料。胶凝材料按其化学成分可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。

无机胶凝材料：以无机矿物为主要成分，当其与水或水溶液拌和所形成的浆体，经过一系列的物理化学变化后产生胶结力而把其它材料胶结成为具有强度的整体。无机胶凝材料按其硬化条件的不同又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。

水硬性胶凝材料：是指既能在空气中硬化，又能在水中硬化并保持和发展其强度，如硅酸盐水泥，铝酸盐水泥。

气硬性胶凝材料：是指只能在空气中硬化，并能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料，如石膏、石灰、水玻璃等。

石膏胶凝材料：包括建筑石膏、高强石膏、硬石膏水泥等，用途：可用于粉刷和制备砌筑砂浆，还可制成各种石膏制品。石灰是以碳酸钙为主要成分的原料(如石灰石、白垩等)，经过高温下适当的煅烧，分解和排出二氧化碳后所得到的产品，其主要成分是氧化钙。

3.1、石膏胶凝材料