建筑材料的基本性质

第一章 建筑材料的基本性质

教学要求

1、熟悉本课程经常涉及到的有关材料性质的基本概念，为学好以后各章知

识创造条件。

2、了解材料的组成与结构，及其与材料性质的关系。

3、掌握材料的基本物理性质、与水有关的性质及与热有关的性质及其表示

方法，并能熟练地运用。

4、了解材料力学性质及耐久性的基本概念。

内容提要

1、材料的组成与结构

（1）材料的组成：化学组成；矿物组成。

（2）材料的结构：宏观结构；显微结构；微观结构；材料孔隙。

2、材料的物理性质

（1）基本物理性质：体积密度、密度及表观密度，材料的孔隙率；散粒 材料的堆积密度与空隙率。

（2）材料与水有关的性质：亲水性与憎水性、吸水性、耐水性、抗水性。

（3）材料与热有关的性质：导热性、热容量。

3、材料的力学性质

（1）材料强度：材料在不同荷载下的强度；试验条件对材料强度试验结果 的影响；强度等级或标号；比强度。

（2）材料变形：弹性变形；塑性变形。

（3）冲击韧性。

（4）硬度、磨损及磨耗。

4、材料的耐久性

重点、难点

重点：材料的物理性质、力学性质及有关计算。

难点：材料基本物理性质的有关计算。

第一节 材料的化学组成、结构与构造

一、材料的化学组成

材料的化学组成是决定材料性质的内在因素之一。主要包括：元素组成和矿物组成。

二、材料的微观结构

材料的性质与材料内部的结构有密切的关系。材料的结构主要分成：宏观结构、显微结构、微观结构。

微观结构是指原子、分子层次的结构。可用电子显微镜和X 射线来分析研究该层次上的结构特征。微观结构的尺寸范围在610~1010−−m 。材料的许多物理性质，如强度、硬度、弹塑性、熔点、导热性、导电性等都是由其微观结构所决定。

从微观结构层次上，材料可分为晶体、玻璃体、胶体。

1．晶体。质点（离子、原子、分子）在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的结构称为晶体结构。晶体具有如下特点:

（1）具有特定的几何外形，这是晶体内部质点按特定规则排列的外部表现。

（2）具有各向异性，这是晶体的结构特征在性能上的反应。

（3）具有固定的熔点和化学稳定性，这是晶体键能和质点处于最低能量状态所决定的。

（4）结晶接触点和晶面是晶体结构破坏或变形的薄弱部位。

根据组成晶体的质点及化学键的不通，晶体可分为：

原子晶体：中性原子与共价键结合的晶体，如石英等。

离子晶体：正负离子与离子键结合的晶体，如等。

2CaCl 分子晶体：以分子间的范德华力即分子键结合的晶体，如有机化合物。

金属晶体：以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属阳离子间的金属键结合的晶体，如钢。

晶体内质点的相对密集程度和质点间的结合力，对晶体材料的性质有着重要的影响。例如碳素钢，其晶体中的质点相对密集程度较高，质点间又是以金属键联结着，结合力强，故钢材具有较高的强度、很大的塑性变形能力。同时，因其晶格间隙中存在着自由运动的电子，从而使钢材具有良好的导电性和导热性。而在硅酸盐矿物材料（如陶瓷）的复杂晶体结构（基本单元为硅氧四面体）中，质点的相对密集程度不高，且质点间大多是以共价键联结，结合力较弱，故这类材料的强度较低，变形能力差，呈现脆性。同时，晶粒的大小对材料性质也

有重要影响，一般晶粒愈细，分布愈均匀，材料的强度愈高。所以改变晶粒的粗细程度，可使材料性质发生变化，如钢材的热处理就是利用这一原理。

2．玻璃体。将熔融物质迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及作有规则的排列就凝固，这时形成的物质结构即为玻璃体，又称为无定形体或非晶体。玻璃体的结合键为共价键与离子键。其结构特征为构成玻璃体的质点在空间上呈非周期性排列。玻璃体无固定的几何外形，具有各向同性，破坏时也无清晰的解理面，加热时无固定的熔点，只出现软化现象。同时，因玻璃体是在快速急冷下形成的，故内应力较大，具有明显的脆性，例如玻璃。

对玻璃体结构的认识，目前有如下三种观点：

（1）构成玻璃体的质点呈无规则空间网络结构。此为无规则网络结构学说。

（2）构成玻璃体的微观组织为微晶子，微晶子之间，通过变形和扭曲的界面彼此相连。此为微晶子学说。

（3）构成玻璃体的微观结构为近程有序、远程无序。此为近程有序、远程无序学说。 由于玻璃体在凝固时质点来不及作定向排列，质点间的能量只能以内能的形式储存起来，因此玻璃体具有化学不稳定性，亦即存在化学潜能，在一定的条件下，易与其他物质发生化学反应。例如水淬粒化高炉矿渣、火山灰等均属玻璃体，经常大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以改善水泥性能。玻璃体在烧土制品或某些天然岩石中，起着胶粘剂的作用。

3．胶体。物质以极微小的质点（粒径为710~109−− m ）分散在介质中所形成的结构称为胶体。其中分散粒子一般带有电荷（正电荷或负电荷），而介质带有相反的电荷，从而使胶体保持稳定性。由于胶体的质点很微小，其总表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，所以胶体具有较强的粘结力。

在胶体结构中，若胶粒较少，则液体性质对胶体结构的强度及变形性质影响较大，这种胶体机构称为溶胶结构。溶胶具有较大的流动性，土木工程材料中的涂料就是利用这一性质配制而成。若胶粒数量较多，则胶粒在表面能的作用下产生凝聚作用或由于物理化学作用而使胶粒产生彼此相联，形成空间网络结构，从而使胶体结构的强度增大，变形性能减小，形成固态或半固体状态，此胶体结构称为凝胶结构。凝胶具有触变性，即凝胶被搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新拌混凝土、胶粘剂等均表现出触变性。当凝胶完全脱水硬化变成干凝胶体，它具有固体的性质，即产生强度。硅酸盐水泥主要水化产物的最后形式就是干凝胶体。

胶体结构与晶体及玻璃体结构相比，强度较低、变形较大。