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土木工程材料的基本性质Introduction to Civil Engineering Materials  土木工程的功能 要求的材料性能 承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘 不污染环境 强度、刚度 耐久性 物理性能 安全性 ※土木工程材料如何满足性能要求？材料的组成材料的结构材料的构造材料的复合 ※土木工程材料的组成与结构Composition and Structure of Civil Engineering Materials一、材料的组成 材料均由各种物相组成 每种物相由化合物组成 化合物由分子组成 分子由原子组成 矿物组成 1.物相组成 材料中具有结构相近性质相同的均匀部分，称为相。 固相 连续相 分散相：纤维与颗粒 气相 液相 2.矿物组成 矿物： 具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质；也指材料中具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天然矿物的物相或化合物。 矿物组成：土木工程材料中的矿物种类及其含量。 例如： 3.化学组成 化学组成指材料中各物相所含元素或单质与化合物的种类和总含量。 化学组成是决定材料物化性质和力学性质的主要因素。 （1）金属材料：以化学元素含量表示。 钢材由 Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）组成； （2）非金属材料：用各种氧化物的百分含量表示。 生石灰的化学组成是CaO，熟石灰是Ca(OH)2。 硅酸盐水泥化学组成是：CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 （3）聚合物：以重复形成的有机链节表示。 聚氯乙烯塑料化学组成： PVC树脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3等。 ※化学组成与矿物组成的关系 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?-、?-、?- 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。 材料组成与性能的关系 土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同。 例如： 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， 其主要原因是它们的含C量百分之几的微小差别； 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Clˉ 离子，而后者含OHˉ 离子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。 ……等等。 二、材料的结构 （1）宏观构造 是指用肉眼或放大镜能观察到的毫米级构造状况。 包括：组成的基本单元形状、结合形态、孔隙大小及数量。 如混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况。 宏观结构有：散粒结构（砂、石）、聚集结构 （混凝土）、多孔结构（石膏制品）、致密结构 （金属）、纤维结构（木材）、层状结构（木胶 合板）等。 （2）显微结构 是指用光学显微镜或电子显微镜观察到的构造状况，尺寸范围为10-6~10-3m。 金属材料：金相分析 无机非金属材料：岩相分析 显微结构包括： 晶相种类、形状、颗粒大小及分布； 玻璃相含量和分布；气孔数量和分布等。 如钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光 体和渗碳体。 （3）微观结构 指材料分子、原子与离子排列、连接的结构状态，尺寸范围在10-10~10-6m内。 微观结构分： 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接） 玻璃体 胶 体 晶 体 结构特点 晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三维空间有序堆积、并呈周期重复，由此构成点阵格子结构（晶格）。 晶体类型 根据质点（离子、原子或分子）间结合键的不同分为： 1）离子晶体 离子键结合，如: 亚硝酸钠、硫酸铝等； 2）共价晶体 共价键结合，如：金刚石、碳化硅等； 3）分子晶体 分子键（范德华力）结合，如：减水剂、液晶等； 4）金属晶体 金属键结合，如：金属材料等。 非晶态结构 也称无定型结构。 结构特点： 质点排列无序，且无周期性； 没有固定的几何外形。 种类： 玻璃体结构 胶体结构 小结 材料的结构取决于其组成和制造工艺条件(温度、压力等)