第一章材料的基本性质

第一章：材料的基本性质

一、材料的基本组成、结构与构造对性质的影响

（一）、材料的组成..

材料组成通常用二种表示方法：一是化学组成；二是矿物组成。

1、化学组成无机非金属建筑材料的化学组成以各种氧化物的形式表示。金属材料以元素含量来表示。化学组成决定着材料化学性质，影响着物理性质和力学性质。如碳素钢随含碳量增加，强度、硬度增大，而塑性韧性降低。

2、矿物组成材料中的元素或化合物是以特定的结合形式存在着，并决定着材料的许多重要性质。

矿物组成，是无机非金属建筑材料中化合物存在的基本形式。化学组成不同，有不同的矿物。即使相同的化学组成，在不同的条件下，结合成的矿物往往也是不同的。例如，化学组成为CaO 、SiO2、Al2O3、Fe2O3的水泥，其熟料的矿物组成为3CaO •SiO2、2 CaO• SiO2、3CaO• Al2O3、4CaO •Al2O3•Fe2O3，原料的配合比、生产工艺决定了水泥熟料的矿物组成，而矿物组成决定了水泥的主要性能。

所以说，认识各类材料的基本组成，是了解材料本质基础。

（二）、材料的结构

材料的结构决定着材料的许多性质。一般从三个层次来观察材料的结构及其与性质的关系。

1、宏观结构（亦称构造）用肉眼或放大镜即可分辨的毫米级组织称为宏观结构。宏观结构的分类及其相应的主要特性见下表

（2）亚微观结构（显微或细观结构）由光学显微镜所看到的微米级组织结构。该结构主要涉及到材料内部晶粒等的大小和形态、晶界或界面、孔隙、微裂纹等。

一般而言，材料内部的晶粒越细小、分布越均匀，则材料的强度越高、脆性越小、耐久性越好；不同组成间的界面粘结或接触越好，则材料的强度、耐久性等越好。

（3）微观结构利用电子显微镜、x射线、衍射线仪等手段来研究的原子和分子级的结构。该结构可分为晶体与非晶体。

在建筑工程材料中，为使材料达到或具有某些特定的性能，常将熔融物急速冷却，质点来不及按特定规律排列，所形成的内部点无序排列（短

程有序，长程无序）的固体或凝固体，称为非晶体，又称玻璃体（或无定形体）。由于是急速冷却，因而大量的化学能未能释放出，故其化学稳定性较晶体差，容易和其它物质反应或自行缓慢向晶体转换。如水泥熟料的生产及在水泥混凝土等材料中使用的粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等材料。

★孔隙大多数材料在宏观结构层次或亚微观结构层次上均含有一定大小和数量的孔隙,甚至是相当大的孔洞。这些孔隙对材料的性质有相当大的影响。

1、孔隙的分类

（1）、材料内部的孔隙按尺寸大小,可分为微细孔隙、细小孔隙、较粗大孔隙、粗大孔隙。（不同的材料划分的尺度不同）

（2）、按孔隙的形状可分为球形孔隙、片状孔隙（即裂纹）、管状孔隙等。

（3）、按常压下水能否进入孔隙中，又可分为开口孔隙（或连通孔隙）和闭口孔隙（或封闭孔隙）。在常压下闭口孔隙进不去水，但当水压力很高时水可能会沿着材料内部的微细孔隙或裂纹进入到部分闭口孔隙中。

2、孔隙形成的原因

人造材料内部的孔隙是生产材料时，在各工艺过程中留在材料内部的气孔。如生产水泥、石膏制品时，为达到施工要求的流动性和可塑性,用水量往往远远超过理论需水量(即水泥、石膏的化学反应所需的水量),多余的水即形成了材料内部的毛细孔隙，水分蒸发或泌水所留下的通道为

开口的孔隙。配制混凝土时掺入引气剂，引入大量的微小气泡，则形成闭口孔隙。脱氧不完全的钢材内部也有气泡（内是CO1）。烧结粘土砖时，砖坯中的空气和水蒸气受热膨胀形成孔隙，若由通路溢出，则形成开口孔隙。岩浆中也含有气体（多为硫化物、水蒸气）当岩浆上升时，压力降低，气体膨胀，至岩浆冷凝后，留下孔隙。

3、孔隙对材料性质的影响

通常材料内部的孔隙含量（既孔隙率）越多，则材料体积密度、堆积密度、强度越小，耐磨性、（抗冻性）、抗渗性、耐腐蚀性及其耐久性越差，而保温性、吸声性、吸水性和吸湿性等越强。孔隙的形状和孔隙状态对材料的性能有不同程度的影响，在孔隙率相同的情况下，开口孔隙尤其是非球形孔隙（如扁平状孔隙，即裂纹）占比例多，则材料的强度低、抗渗性、抗冻性、耐腐蚀性差，但对吸声性却有利。孔隙尺寸愈大，对材料上述影响愈明显。闭口孔隙含量多，材料的保温隔热性能好。

二、材料的基本物理性质

可分为三个方面：一是与质量和体积有关的性质；二是与水有关的性质；三是与热有关的性质。

（一）与质量和体积有关的性质

1、几种密度

（1）密度（绝对密度）材料在绝对密实状态下（不含内部所有孔隙体积）单位体积的质量，用下式表示。

m

ρ=

V

绝对密实的材料，分别测定其质量和体积即可。但对于大多数多孔结构的建筑材料，测试时，必须充分磨细、烘干后称量质量，采用排开液体的方法来测定其体积。

（2）视密度（表观密度） 对于一些散状材料如：水泥、砂、石子等，一来本身已成粉状；二来这些材料再磨细较困难，所以直接采用排水法测定其体积（该体积含材料实体和内部的闭口孔隙）。用下式表示。

ρ,=

V m '

=

b

V V m +

（3）毛体积密度 块状或粒状材料在自然状态下（包括内部所有孔隙体积）单位体积的质量，用下式表示。

ρo =

V m =

k

b V V V m ++

测试时，材料的质量可以是任意含水状态下的，不加说明时，是指气干状态下的质量。形状规则的材料可测定其几何尺寸，计算体积；形状不规则的材料，须涂蜡后采用排水测定其体积（要测定所涂蜡的质量，扣除所涂蜡的体积）。

（4）堆积密度 散粒状或粉末材料在堆积状态下单位体积的质量，以下式表示：

o

,=

00b k m m m

V V V V V V V =

=

'

++++空

空

测试时，材料的质量可以是任意含水状态下的。无说明时，指气干状态下的。测量通常采用具有一定体积的容量筒（5L 、10L 、30L 等），根据散状材料堆积的紧密程度有：松散密度和紧密密度。

2、 孔隙率 孔隙率是指材料内部孔隙体积占材料自然状态下体