土木工程材料第一章详解

天混然凝石土膏的晶宏体观颗粒结的构堆积结构—纤维轴向平行
1.
宏观构造
气
泡
堆
材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性积质
蜂 窝 结 构
的材料单元的组合情况，其尺寸范围在10结-3m
以上，肉眼可分辨。如：
构
▪ 材料内部的孔隙特征和孔结构；
▪ 混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况；
▪ 纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。
2▪▪如 ▪▪▪. 材细内钢岩高：细材石分观 部料观的、子结 组是晶陶材结构 织由体瓷料的结多构组、中尺构物织水晶寸和相在泥相常石与范各和温中非围物多下各晶为相晶由矿相1的体铁物的0堆构-素相堆6~积成体积的10、结结的堆-3珠构积构m。光。结，。体构它和等是渗；指碳体材铁碳合金的细观组织结构照钢的细观组织结构照片；料 天然木岩材石的的细细观观结结构构 片
▪ 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。
二、 材料的结构
尺寸为～ 10-3m (肉眼可分辩)
▪ 材料的结构
➢ 材料中所含各物相的类型、尺寸、尺形寸状为、1数0量-6 及~1其0-3m
Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； ▪ 生 石 灰 的 化 学 组 成 是 ： CaO ， 熟 石 灰 的 组 成 是
Ca(OH)2； ▪ 水泥中四种矿物相所含的化合物是：
CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 ▪ 聚氯乙烯塑料的化学组成有：
PVC树脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3等。
▪ 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。
晶体矿物具有规则的几何石外英形晶体
非晶态结构
如硅酸钠玻璃是典型的玻璃
体结构，其结构中，Na、Si、 也称无定型结构。 和O离子无序堆积。
结构特点：
而石英玻璃是晶体，其结构
➢ 质点排列无序，且无中周Si、和O离子有序堆积。
期性；
胶➢体没结有构固定—的只几由何微外形细。的固体粒子和分散介质（液 体种）类组：成的结构
针➢状当➢晶固玻体体璃的粒体子微结含构观量结较构少，并分散在介胶质体中的则构微成观溶结胶构结构；
3. 微观结构
▪ 微观结构—指尺寸范围在10-10~10-6m内，组成材 料的化合物或 矿物的组织状态，是分子、原子与 离子排列、连接的结构状态。
▪ 根据排列有序与无序，微观结构分为 ➢ 晶 体（有序、重复排列） ➢ 非晶体（无定形结构）（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）。
➢有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等； ➢无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等； ➢有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。
材料内部的孔结构
▪ 根据孔径尺寸，分为：
➢ 微孔—纳米级孔 ➢ 细孔—微米级孔
开 口、
纳大细连米孔孔孔 封通 孔闭孔
➢ 大孔—毫米级及以上的孔
▪ 根据孔隙特征，分为
➢ 连通孔— 相互连通，构成孔隙网络
▪ 例如：
硅酸盐水泥熟料中的主 要矿物相有：
➢ 硅酸三钙 ➢ 硅酸二钙 ➢ 铝酸三钙 ➢ 铁铝酸四钙
钢材中的矿物相有： 奥氏体 铁素体 渗碳体 珠光体
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CaSO40.5H2O，
但它有-、-、- 等3种矿物相。
➢ 当➢固胶体体粒结子构含量较多，并形成连续相则构成凝胶结构。
如：CSH凝胶、沥青、塑料、密封材料
典型土木工程材料的结构和构造
▪ 陶瓷质材料：玻璃体、晶体或晶体和玻璃 体的复合体。陶瓷质材料中最常见的化学 键是共价键和离子键。
▪ 硅酸盐材料：SiO2是硅酸盐材料的基本结 构单元，主要结构是硅氧四面体。
➢ 封闭孔—不连通，独立分散
§1.2 材料的物理性质
一、材料的物理状态参数
单位体积材料的质量＝密度 材料在绝对密实状态下，
体积与质量是可单变位的体，积密的度质是量不。变的
➢ 密度ρ
——绝对密材实料状态在自下 然状态下，单
ρ=m/V
位体积的质量。与含水 状态有关
▪ 金属材料：体心、面心和密排六方 ▪ 高分子材料：
高分子材料中聚合物大分子链结构
直链结构
支链结构
交联网络结构
共聚物链结构
材料中的气相和孔隙
▪ 材料中均或多或少地含有气相； ▪ 气相以各种尺寸和形态的孔(缝)隙存在于材料
中，因此孔隙有一定的结构——孔结构； ▪ 孔 (缝)隙对材料性能有很大影响相或化合物中各离子、原子、分子与超细颗粒等 质点的堆积方式和几何形状，以及纤维的排布等。
▪ 材料结构层次：
➢ 宏观构造
尺寸为＜10-6m
(电子显微镜)
➢ 细观结构
➢ 微观结构
尺寸为10-10~10-8m
(高倍电镜)
以混凝土为例 水泥混浆凝体土的内微部观的结宏构观：结构： 硬化由水由晶泥大体浆小态体不水的等化细、物观形、结状非构各晶：异态水 化物孔的和隙砂微、、小水石孔分颗隙布粒及于与孔由孔隙水隙中泥以的矿及水物构 水成化水物分、布未在水水化泥的浆水体泥中颗而粒构构成 的固成体连续相组成
物相组成
▪ 固相
矿物 化合物
➢ 连续相
➢ 分散相：纤维与颗粒
▪ 气相
分布的孔隙及其含量
▪ 液相
包含的液体种类与含量
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。
第一章 土木工程材料导论
§1.1 材料的组成与结构
一、材料的组成
▪ 材料均由各种物相组 成
材料的物相组成： 固相 气相 液相
▪ 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
材料的化学组成： 元素 化合物
化学组成
化学组成是指材料中所含化学成分的种类及其含量。 例如： ▪ 钢材中四种矿物相所含的化学元素是：