第1章--土木工程材料的基本性质.ppt

第1章土木工程材料基本性质1.1材料科学的基本理论1.1.1材料科学与工程土木工程材料学是材料科学与工程的一个组成部分。材料科学与工程是研究材料的组成、结构、生产制造工艺与其性能及使用关系的科学和实践。1.1.2材料的组成1.1.3材料的结构和构造1.1.2材料的组成化学组成—化学元素及化合物种类（金属、无机非金属、有机物）矿物组成—晶体和非晶体结构及种类（石英、云母、硅酸三钙、铝酸三钙、金刚石等）相组成—相同物理、化学的均匀物相（建筑材料大都为多相固体）1.1.3材料的结构与构造1微观结构—指原子、分子层次⑴晶体—材料内部质点按特定规律在空间呈周期性重复排列的固体。硅酸盐矿物晶体——由硅氧四面体单元与其它金属离子的结合。有链状结构的石棉、层状结构的云母及立体网状结构的石英。构成晶体的质点（原子、离子、分子）是按一定的规则在空间呈有规律的排列，因此晶体具有一定的几何外形，显示各向异性，但实际应用的晶体材料，通常是由许多细小的晶粒杂乱排列组成，故晶体材料在宏观上显示为各向同性。

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，变形能力小，呈现脆性。

材料的化学成分相同，但形成的晶体结构可以不同，其性能也就大有差异。如石英和硅藻土，化学成分同为SiO2，但各自性能颇不相同。另外，晶体结构的缺陷，对材料性质的影响很大。原子晶体（共价键结合）——金刚石、石英、刚玉、碳化硅（强度、硬度、熔点高、脆）离子晶体（离子键结合）——氯化钠、石膏、石灰岩（强度、硬度、熔点较高，但波动大，部分可溶）分子晶体（分子键结合）——部分有机化合物、冰（强度、硬度、熔点较低，密度小）金属晶体（库伦引力、电子气结合）—金属类（强度、硬度较高，变形能力强，导电、导热）（2）玻璃体熔融物因冷却速度太快，凝固时粘度很大，质点来不及按规律排列所形成的质点无序排列的固体（如无定形SiO2）特点：质点未能到达能量最低位置，大量化学能未能释放，化学稳定性较差，易与其它物质起化学反应。（如：火山灰、粒化高炉矿渣、粉煤灰等）(3)胶体作为分散相的粒子粒径在10-7——10-10m，分散在分散介质中形成的分散体系称为胶体。分散介质可以是气体、液体和固体，相应行成气溶胶、溶胶和凝胶。胶体因比表面积大，表面能大，吸附力强，具有较大粘结力（如沥青、硅酸盐凝胶等）

胶体中分散的微粒作布朗运动时，这种胶体称溶胶，溶胶具有较大的流动性，建筑材料中的涂料就是利用这一性质配制而成的。当溶胶脱水或微粒产生凝聚，使分散质点不能再按布朗运动自由移动时，称为凝胶，凝胶具有触变性，即将凝胶搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新拌混凝土、胶粘剂等均表现有触变性。当凝胶完全脱水则成干凝胶体，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凝胶体。2.细观结构指材料内部晶粒、界面，矿物的大小、形态，孔隙、微裂纹的大小及分布。对于同样组成的材料，细观结构的不同将对材料的强度及耐久性有很大影响。如热处理前后的钢材，使用和未使用减水剂的水泥混凝土等。一般而言，晶粒越细小，分布越均匀，界面粘结越好，则材料的强度和耐久性就越好。3.宏观结构指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。如：密实程度、孔隙状态、纹理、层理、纤维状态、粒度、均匀度、聚集状态、复合状态等。宏观结构与材料的组成及生产工艺有关。宏观结构较易改变，复合材料的生产和使用就是取其长补其短的常用方法。如：钢筋混凝土、玻璃钢、纤维石膏板和纤维水泥混凝土板等。1.1.4材料的组成、结构、构造对性能的影响材料的组成是指材料的化学成分和矿物组成。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料化学组成相同但矿物组成不同也会导致性质的巨大差异。如图1-9，Ａ、Ｂ为两种钢材的金相照片，两者化学组成接近，主要差别是碳含量不同，Ａ小于0.2％和Ｂ则为0.2％～0.4％，但矿物组成则差别较大。两种钢材性能差别较大，其中Ａ具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较低，而Ｂ则强度较高。

从宏观组