建筑材料组成、结构与构造

2023-12-02 理论教育版权反馈

【摘要】：3）相组成材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。材料的结构大体上可以划分为宏观结构、亚微观结构和微观结构等不同层次。是指材料内部具有粗大孔隙的结构。亚微观结构影响材料的吸水性、收缩性、受力时的变形性能等。

1.1.1　材料的组成

材料的组成是就材料的化学成分或矿物成分而言，它不仅影响着材料的化学性质，而且也是决定材料物理力学性质的重要因素。材料的组成分为化学组成和矿物组成，前者是通过化学分析获得的，后者是通过测试手段获得的。

1）化学组成

化学组成是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。当材料与环境或其他物质接触时，它们之间必然按化学规律发生作用或反应。如水泥混凝土类材料受到的酸、盐类物质的侵蚀，金属材料的锈蚀，木材遇到火焰时的燃烧等均属于化学作用。

材料在各种化学作用下表现出的性质都是由其化学组成所决定的。化学成分能够以单质或化合物的形式表示，例如钢材的主要化学成分是Fe，生石灰的化学成分是CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2等。材料的化学成分决定着材料的化学稳定性、大气稳定性、耐火性等性质。

2）矿物组成

自然界中以单一的化合物或单质存在的建筑材料并不多，大多数材料是以复杂的矿物成分存在。矿物是指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。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量，如大理石是由方解石或白云石所组成，硅酸盐水泥是由CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3等氧化物形成的硅酸盐矿物组成，这些矿物成分决定了水泥的强度、水化速度、水化产物及其性质、耐久性等诸多性质，对于这类材料应从矿物组成方面分析其特性。

3）相组成

材料中结构相近、性质相同的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相、固相3种形态。同种化学物质由于加工工艺以及温度、压力等环境条件的不同，可形成不同的相。例如，在铁碳合金中就有铁素体、渗碳体和珠光体。同种物质在不同的温度、压力等环境条件下也常常会转变其存在状态，例如由气相转变为液相或固相。建筑材料大多是多相固体材料，这种由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。例如，普通混凝土可认为是骨料颗粒（骨料相）分散在水泥浆体（基相）中所组成的两相复合材料。

多相材料中相与相之间的分界面称为界面，复合材料的性质与其构成材料的相组成和界面特性有密切关系。在实际材料中，界面是一个较薄的区域，它的成分和结构与相内的部分是不一样的。因此，对于建筑材料可通过改变和控制其相组成和界面特性来改善和提高材料的技术性能。

1.1.2　结构与构造

材料的结构和构造是决定材料性质的重要因素。材料的结构大体上可以划分为宏观结构、亚微观结构和微观结构等不同层次。

1）材料的结构

（1）宏观结构

所谓宏观结构是指用肉眼或放大镜（放大倍数几倍至几十倍）能够分辨的结构层次，其尺寸为毫米级大小，以及更大尺寸的构造情况。按其孔隙尺寸可分为：

① 致密结构。基本上是无孔隙存在的材料，例如钢材、致密天然石材、玻璃、塑料等。这类材料强度和硬度高、吸水性小、抗冻性和抗渗性好。

② 多孔材料。是指材料内部具有粗大孔隙的结构。例如加气混凝土、泡沫塑料、烧土制品、石膏制品等。这类材料质量轻、保温隔热、吸声隔声性能好。

③ 纤维结构。是指木材纤维、玻璃纤维及矿物棉等材料所具有的结构，其特点是材料内部质点排列具有方向性，其平行纤维方向、垂直纤维方向的强度和导热性等性质具有明显的方向差异，即各向异性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、石棉、玻璃纤维等。

④ 层状结构。天然形成或人工黏结等方法将材料叠合而成层状的材料结构，如胶合板、纸面石膏板、蜂窝夹心板、各种节能复合墙板等。其每一层的材料性质不同，但叠合成层状结构的材料后可获得平面各向异性，更重要的是可以显著提高材料的轻度、硬度、绝热或装饰等性质，扩大其使用范围。

⑤ 散粒材料。散粒材料是指呈松散颗粒状的材料，如混凝土骨料、膨胀珍珠岩等。这类材料的颗粒间存在大量的空隙，它们的颗粒形状、大小以及不同尺寸颗粒的搭配比例对其堆积的疏密程度有很大影响。(www.chuimin.cn)

（2）亚微观结构

亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描电镜所能观察到的结构层次，是介于宏观和微观之间的结构，尺度范围在10-3～10-9m，分为显微结构和纳米结构。仪器的放大倍数可达1000倍左右，能有几千分之一毫米的分辨能力，可仔细分析天然岩石的矿物组织，分析金属材料晶粒的粗细及其金相组织，可观察木材的木纤维、导管、髓线、树脂道等纤维组织。亚微观结构影响材料的吸水性、收缩性、受力时的变形性能等。

材料内部各种组织的性质各不相同，这些组织的特性、数量、分布及界面之间的结合情况等都对材料性质有重要的影响。

（3）微观结构

微观结构是指材料内部质点（原子、离子、分子）在空间中的分布状态，常用电子显微镜或X射线衍射仪等手段来研究，其分辨程度可达级（1=10-10m）。材料的许多物理性质，如强度、硬度、熔点、导热、导电性等都是由材料内部的微观结构所决定的。

材料的微观结构可分为晶体、玻璃体、胶体。

① 晶体

晶体是质点（离子、原子、分子）在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的。晶体具有特定的几何外形，显示各向异性、固定的熔点和化学稳定性好等特点。根据组成晶体的质点及化学键的不同，可分为原子晶体、离子晶体、分子晶体、金属晶体。

晶体材料在外力作用下具有弹性变形的特点，但因质点的密集程度不同而具有许多滑移面，当外力达到一定限度时，则易沿着滑移面产生塑性变形。

晶体内质点的相对密集程度、质点间的结合力和晶粒的大小对晶体材料的性质有着重要的影响。以碳素钢为例，因为晶体内的质点相对密集程度高，质点间又以金属键联结，其结合力强，所以钢材具有较高的强度和较大的塑性变形能力。若再经热处理使晶粒更细小、均匀，则钢材的强度还可以提高。又因为其晶格间隙中存在自由运动的电子，所以使钢材具有良好的导电性和导热性。

② 玻璃体

具有一定化学成分的熔融物质进行迅速冷却，使其内部的质点来不及作有规则的排列便凝固成固体，即为玻璃体，又称无定形体或非晶体。

玻璃体无一定的几何外形，加热时无固定的熔点而只有软化现象，具有各向同性，破坏时也无清楚的解理面，化学性质不稳定等，如水淬粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等均属玻璃体。在一定的条件下，具有较大的化学潜能，因此，常被大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以改善水泥性能。

③ 胶体

以极微小的粒子（粒径为0.1～100μm）分散在介质中所形成的分散体系称为胶体。胶体的总表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，所以具有较强的黏结力。胶体具有高度分散性和多相性，具有凝结不稳定性、热力学不稳定性和流变性。常见的胶体由液固两相组成，固体微粒分散在连续的液相之中。由于脱水作用或质点的凝聚而形成凝胶，凝胶具有固体的性质，在长期应力下，又具有黏性液体流动的性质，如水泥水化物中的凝胶体。

2）材料的构造

材料的构造是指特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。“构造”这一概念与结构相比，更强调了相同材料或不同材料的搭配组合关系。比如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理、疵病等，这些结构的特征、大小、尺寸及形态，决定了材料特有的一些性质。例如，节能墙板就是具有不同性质的材料经特定组合搭配而成的一种复合材料，使其具有良好的保温隔热、吸声隔声、防火抗震等性能。

随着材料科学理论的日益发展，不断深入探索材料的组成、结构、构造与材料之间的关系和规律，就能设计和研制出更多更好的新型建筑材料。

建筑材料组成、结构与构造

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