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材料科学与物质结构基础知识 一、建筑材料的组成、结构及其对材料性能的影响 (一)建筑材料的组成 材料的成分组成是决定其性能与结构的基础。这里说的成分组成主要指化学成分与矿物成分两个方面。 化学成分 建筑材料的化学成分大体上分为有机与无机两大类。在一定范围内，钢材的强度随C含量的增加而提高，塑形却下降。建筑材料根据化学成分分为无机材料、有机材料及复合材料三大类。 矿物成分 某些建筑材料其性质主要取决于矿物组成。 (二)材料的微观结构及其对性质的影响 建筑材料的结构按尺度可划分为三个层次： 微观结构：原子-分子尺度 亚微观(细观)结构：光学显微镜尺度 宏观结构：目测或放大镜尺度 建筑材料主要为固态物质，即使是液体材料也必须固化后才能使用。固态物质可划分为晶体与非晶体两种结构。 晶体结构 晶体结构的基本特征在于其内部质点(原子、分子等)按一定的规则排列，形成晶格构造。内部质点具有长程有序以及平移有序。晶格构造使晶体具有一定的几何外形及各向异性，但宏观上多呈现各向同性。 晶体具有一定的熔点且多具良好的导电性与导热性，这也是与非晶体的主要差异。 非晶体结构 非晶体物质的主体有玻璃体和胶体两类。 玻璃体的特点之一是各向同性，玻璃体无固定的熔点，但化学活性较高。 材料的宏观结构及其对性质的影响 宏观结构一般用肉眼或放大镜可以观察。在建筑材料中多注意观察密实性、多孔性、构造形式(如层状、粒状、纤维状等)。 材料的密实性好是指其结构致密，其特点是强度高、硬度大、吸水性小、耐磨、抗渗、抗冻，但隔热性能差 材料的孔隙特征包括内部孔隙的分布状况和连通状况。多孔材料绝热性能好，但吸水性大、抗冻性较差，一般来说其强度较低。 建筑材料的性质，就根本来说，取决于其内部(或自身)的组成与结构。 建筑材料的基本性质 建筑材料的物理性质 材料的密度、表观密度与堆积密度 密度 密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。 绝对密实状态下的体积是指不包括空隙在内的体积。在测量有孔材料的密实体积时，须将材料磨成细粉，干燥后用李氏瓶(排液置换法)测定。 表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量 材料的表观密度大小与其含水情况有关。通常材料的表观密度是指气干状态下的密度。 堆积密度 堆积密度是粉状或粒状材料的一个指标，指在堆积状态下，单位体积的质量。 材料的孔隙率与孔隙率 孔隙率 孔隙率是指材料中孔隙体积占总体积的比例 孔隙率 材料中固体体积占总体积的比例，称为密实度。密实度D=1-P，即材料的密实度+孔隙率=1 空隙率 空隙率是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比例。 空隙率 空隙率可作为控制砂石级配及计算混凝土砂率的依据。 材料的亲水性与憎水性 材料能被水润湿的性质称为亲水性，材料不能被水润湿的性质称为憎水性。一般可以按润湿边角的大小将材料分为亲水性材料与憎水性材料两类。润湿边角指在材料、水和空气的交点处，沿水滴表面的切线与水和固体接触面所成的夹角θ。 亲水性材料(砖、混凝土、木材等)水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子间的相互吸引力，θ＜90°。少数材料如沥青、石蜡等为憎水性材料。憎水性材料有θ≥90°，有较好的防水性。 材料的吸水性与吸湿性 吸水性 吸水性的大小用吸水率表示。吸水率是指材料浸水后在规定时间内吸入水的质量占材料干燥质量或材料体积的百分率。建筑材料一般均采用质量吸水率。 质量吸水率 吸湿性 材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，常用含水率表示 含水率 与空气湿度达到平衡时的含水率称为材料的平衡含水率。 材料的吸水性与吸湿性均会导致材料其他性质的改变，如材料自重增大，绝热性、强度及耐水性等产生不同程度的下降等。 材料的耐水性 材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度也不显著降低的相知称为耐水性。材料的耐水性用软化系数K表示 软化系数的大小表示材料浸水饱和后强度降低的程度，其范围波动在0-1之间。软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，耐水性则越差。对于经常处于水中或受潮严重的重要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.85；受潮较轻或次要结构物的材料，其软化系数不宜小于0.75。 材料的抗渗性 渗透系数越大，表明材料渗透的水量越多，抗渗性则越差。 抗渗性也可用抗渗等级表示。抗渗等级是以规定的试件，在标准试验方法下所能承受的最大水压力来确定的，以符号Pn表示，其中n为该材料所能承受的最大水压力的0.1MPa数。 抗渗性是决定材料耐久性的主要指标。材料抵抗其他液体渗透的性质也属抗渗性。 材料的抗冻性 材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，强度也无显著降低的性质。 材料的抗冻性可用抗冻标号Dn或抗冻等级Fn表示，n为最大冻融次数，一般规定材料在经受若干次冻融循环后，质量损失不超