材料的基本性质

1.3 材料的构造
1.3.1 定义
材料的构造是指材料的宏观组织状况。材料的性质与其 构造有密切联系。
1.3.2 材料的构造 致密材料强度高→如钢材；多孔材料密度和强度低→如无 机非金属材料；层状或纤维状的材料各向异性→木材。 1.3.3 材料的孔 多孔材料的性质与其孔的特征参数有关。孔特征参数包括：
1.2 材料的结构
1.2.4 微观结构
1) 晶体(definition) 实际材料中的晶体，存在多种晶格缺陷，主要有点缺陷、 线缺陷和面缺陷，这些缺陷会显著改变晶体材料的性质。
点缺陷：空位，填隙原子 线缺陷：刃位错，螺位错 面缺陷：相邻晶粒的晶格存在相位差 此外，材料的性质还与晶粒的大小和分布状态有关。
2.2 表观密度
2.2.1 定义
材料在自然状态下单位体积的质量。
2.2.2 公式
γ ＝m/V0 其中，γ——g/cm3 (kg/m3 ) ，表观密度 m——g (kg)，材料在自然状态下的质量 V0——cm3 (m3 ) ，材料在自然状态下的体积. 每种材料的密度是固定不变的。当在含有水分时，其自 然状态下质量、体积的变化会导致表观密度的改变，故材 料的表观密度应注明其含水状态。 （式1-2）
1.1材料的组成
1.1.2 矿物组成 材料的矿物组成，是指组成材料的矿物种类和数量。 矿物是构成岩石和无机非金属材料的基本单元，能直 接影响材料性质。 1.1.3 链节 有机高分子材料分子组成的基本单元合成高分子材 料常以其链节表示，链节是一种或几种低分子化合物 按特定结构构成的单元。 如聚乙烯的链节是C2H4等。聚氯乙烯[—CH2— CHCL—]n,式中n为聚合度。(9月10日)
按 构 造 特 征
纤维结构 层状结构 散粒结构 聚集结构
纤维状材料 多层材料叠合 松散颗粒状材料 骨料和胶结材料
木材，玻璃钢、岩棉、GRC 复合墙板、胶合板、纸面石 膏板等 砂石料、膨胀蛭石、膨胀珍 珠岩等 各种混凝土、砂浆、陶瓷等
§2 材料的密度、表观密度和孔隙率
本章的重点之一 要求掌握基本概念、计算等内容 主要讲解块状材料与散体材料的： 一、密度ρ与视密度ρ’ 二、表观密度γ与堆积密度γ’ 三、密实度D、孔隙率P与空隙率P’ 四、计算举例
1.2 材料的结构
1.2.4 微观结构
2) 非晶体 无定形结构或玻璃体结构，质点排列没有一定的规律性 （或仅在局部存在规律性，也称近程有序、远程无序）。 非晶体没有特定的几何外形，各向同性的。非晶体凝固 时没有结晶放热过程，具有较高的化学活性。硅酸盐水泥熟 料中含有一定玻璃体。 3) 胶体 超微颗粒在介质中形成的分散系。其力学性质取决于介质 还是颗粒，分溶胶和凝胶，具有触变性。
排列而形成的固体。质点的这种规则排列构架称为晶格，构成 晶格的最基本单元称为晶胞。 晶体质点间键能的大小以及结合键的特性决定晶体材料的特 性，主要的晶体结构有原子晶体、离子晶体、金属晶 体、分子 晶体。其性能如下表 ：
材料的微观结构 金属晶体(以金属 键结合)
常见材料 铁、钢、铜、 铝及其合金
主要特性 强度，硬度变化大， 密度大
离子晶体(以离子 氧化钠、石膏、 强度、硬度、熔点较 键结合) 石灰岩 高，但波动大，部分 可溶，密度中等
原子晶体(以共价 金刚石、石英、 强度、硬度、熔点均 键结合) 氢键，是由H原子与O、F、 刚玉 高，密度较小 N等原子相结合时形成的一种 附加键，比范德华键强。如 分子晶体(以分子 蜡及有机化合 强度、硬度、熔点较 硼酸晶体 键结合) 物晶体 低，大部分可溶，密 度小
2.3.1 孔隙率
材料中孔隙体积与总体积的百分比（孔包括开口和闭口孔） P=（V0-V）/V0=(1－γ/ρ)×100% （式1-3）
2.3.2 密实度
D=V/V0 ×100% P=1-D
2.3.3 注意
※孔隙率与密度及表观密度的关系 ※孔隙率与密实度的关系 ※几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率(P9表1-1)
1.2 材料的结构
1.2.3 亚微观结构 材料的亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透 射电子显微镜所能观察到的结构，是介于宏观和微观 之间的结构，也称介观结构。尺度范围10-3 ～10-9m。
对于水泥混凝土而言，其亚微观结构主要为水泥基体相、集 料分散相、界面相和孔隙
材料的介观结构根据其尺度范围，还可分为显微 结构和纳米结构。
材料是由分子、原子或离子组成的；材料的组成包括 化学组成和矿物组成 1.1.1化学组成 1)定义 构成材料的化学元素及化合物的种类和数量。它直接 影响材料的化学性质，也是决定材料物理力学性质的 重要因素。土木工程材料的诸多性质，如耐火性、力 学性能、耐腐蚀性、耐老化性能等都与其化学成分有 关。 2)表示方法 金属→元素含量百分数，金属材料则常以化学元素的 含量来表示，如碳素钢以碳元素含量来划分：25Mn （平均含C=0.25%、含Mn0.7%-1.2%的镇静钢）。 非金属→元素氧化物含量，如石灰的CaO含量。 有机高分子材料→低分子化合物，如乙烯。

2.1 密度
2.1.1 定义
材料在绝对密实状态下单位体积的质量。
2.1.2 公式
ρ＝m / V （式1-1） 其中，ρ——g/cm3，密度 m——g，绝对密实状态下的质量 V——cm3 ，绝对密实状态下的体积.
2.1.3 注意
※必须强调材料绝对密实状态的概念 ※必须强调密度是材料自身固有的性质，与外界条 件变化无关
2.2 表观密度
烘干状态下的表观密度γ称为干表观密度；潮湿状
态下称为湿表观密度。 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。
2.2.3 注意
※必须强调材料自然状态的概念 ※自然状态包括孔隙、含水状态等，如干燥状态下 的表观密度，或某种含水状态下的表观密度
2.3 密实度与孔隙率
土木工程材料常见的按宏观结构的特征，材料 有致密（密实）、多孔、粒状、层状等结构。宏 观结构不同的材料具有不同的特性： 密实结构
多孔结构
粒状结构
层状结构
1.2 材料的结构
密实结构：材料的强度、硬度较高，吸水性小，抗渗、抗冻 及耐磨性较好，如钢材、天然石材、玻璃钢等 多孔结构：内部存在大体上分布均匀的、独立的或部分相通 的孔隙（大孔和微孔），孔隙率较高。具有多孔结构的材料， 其性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况，通常这 类材料强度较低，抗渗、抗冻性较差，绝热性较好，如加气 混凝土、烧结粘土砖等。 同一组成的材料，具有不同结构时，其性质可能存在很 大的差别。例如，玻璃与泡沫玻璃的组成相同，但宏观结构 不同，前者为致密结构，后者为多孔结构，其性质截然不同， 玻璃用作采光材料，泡沫玻璃用作绝热材料。再如，金刚石 和石墨。
1.1.4 组成与性能的关系 组成决定性能→高铝水泥与硅酸盐水泥。 材料的性质：指在负荷与环境因素联合作用下材料所具 有的属性。
建筑物中承受不同作用的建筑材料应具有相应的性质： 承重构件——一定的强度和刚度 防水材料——不透水性
隔热保温材料——不易传热的性质
在建筑物使役期间，各种环境因素对建筑物的侵害作用： 风、雨和日晒等大气因素
混 凝 土 ： 碳 化
水流、泥沙冲刷
贵州马场水库溢洪道决口(09-06-30)
温湿度变化及冻融作用 水或空气中有害成分的侵蚀作用等 实际工程中，环境介质的影响是多方面的，可能是几种化学 侵蚀的复合，同时有冻融、冲刷、磨蚀磨损等物理性破坏。 低潮线以下的水下部分， 主要受到海水的化学侵蚀 (硫酸盐、镁盐侵蚀、Cl- 、 碳酸 ) 潮汐区混凝土，同时还 受海浪、冰凌及泥砂的冲 击、磨耗作用；水位变动 引起的干湿交替，会产生 盐类积累、结晶以及再结 晶的过程
§1 材料的组成、结构与构造
材料的宏观性能是由其组成和其内部微观结构 所决定的

1.1 材料的组成 Composite of materials
1.2 材料的结构 microstructure and submicrostructure 1.3 材料的构造 macrostructure

1.1材料的组成
1.2 材料的结构
1.2.4 微观结构
材料的微观结构是指物相的种类、形态、大小及其分布特征。 它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性及导热性等重 要性质有着密切的关系。固体材料的微观结构基本可分为晶体、 非晶体、胶体。 1)晶体(definition) 晶体是质点(原子、分子、离子)按一定规律在三维空间重复
1.2 材料的结构
1.2.3 亚微观结构
2)纳米结构
材料的纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察 到的结构。其尺度范围在10-7～10-9m（纳米级）。
材料的纳米结构是20世纪80年代末期引起广泛关注的一个 尺度。其基本结构单元有团簇、纳米微粒、人造原子等。 由于纳米微粒和纳米固体有小尺寸效应、表面界面效应等 基本特性，使由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物 理和化学性能，因而得到了迅速发展，在土木工程中也得到 了应用，例如，磁性液体、纳米涂料等。通常胶体中的颗粒 直径为1～100 nm，其结构是典型的纳米结构。
1.2 材料的结构
1.2.3 亚微观结构
1)显微结构 显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度 范围在10-3～10-7m。土木工程材料的显微结构，应根据具体 材料分类研究。 对于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙结构及界面 特性等结构；
对于金属材料，通常是研究其金相组织、晶界及晶粒尺 寸等；对于木材，通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织 的结构。
2.3.4 孔隙形成的原因
(1).水分子的占据作用 建筑材料加水拌和,用水量通常超过理论用水量, 多余的 水分占据的空间即成为孔隙 (2).外加的发泡作用 如生产加气混凝土等的各种发泡剂,可在材料中形成大量 的孔隙 (3).火山作用 火山爆发时,喷到空中的岩浆,冷却后在岩石中形成大量的 孔隙 (4).烧结作用
孔隙多少(孔隙率P)，孔隙大小(孔半径r)，孔隙结构(孔隙分 布)，孔隙形状(开口与闭口孔)。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
材料宏观结构和构造的分类及特征表 宏观结构 按 孔 隙 特 征 结构特征 土木工程材料举例
致密结构 无宏观尺度的孔隙 钢铁、玻璃、塑料等 微孔结构 主要具有微细孔隙 石膏制品、烧土制品等 加气混凝土、泡沫玻璃、 多孔结构 具有较多粗大孔隙 泡沫塑料等
材料的结构和构造是泛指材料各组成部分之间 的结合方式及其在空间排列分布的规律。 目前，材料不同层次的结构和构造的名称和划 分，在不同学科间尚未统一。通常，按材料的结 构和构造的尺度范围，可分为宏观结构、介观(亚 微观)结构和微观结构。
1.2 材料的结构
1.2.2 宏观结构 材料的宏观结构是指用肉眼能观察到的外部和内 部的结构，其尺度范围在10-3m级（毫米级）以上。
Chapter 1
建筑材料的基本性质
Properties of Construction Materials
Main Contents
§1 材料的组成结构与构造Composition, Microstructure and Macrostructure §2 ★ 材料的密度、表观密度和孔隙率 Density, Apparent Density and Porosity §3 材料的力学性质 Mechanical Properties §4 ★ 材料与水有关的性质Properties relate to water §5 ★ 材料的耐久性Durability §6 材料与热有关的性质Thermal Properties §7 习题Example and Exercises
1.2 材料的结构
1.2.3 亚微观结构 材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有显
著的影响。例如，钢材的晶粒尺寸越小，钢材的强度
越高。又如混凝土中毛细孔的数量减少、孔径减小， 将使混凝土的强度和抗渗性等提高。 对于土木工程材料而言，从显微结构层次上研究并 改善材料的结构，从而提高材料的性能十分重要。
材料的性质与其组成有关： 组成决定性能。如，高铝水泥与硅酸盐水泥，混凝 土和钢材。 组成相同时，结构决定性能→金刚石与石墨的成分均 为C，但由于C原子排列不同，前者为无色极坚硬的晶 体，后者为黑色光滑的无定型粉末。
材料的性能不仅取决于材料组成，而且与材 料的结构密切相关。
1.2 材料的结构
1.2.1 概述