土木工程材料(1-1)08.9

土木工程材料学课程性质：基础课或专业课（学位课）40学时;2学分;主讲教师：王元纲教材:《土木工程材料学》自编讲义参考教材：1、《水泥与水泥混凝土》.申爱琴等编.人民交通出版社2、《胶凝材料学》.中国建材工业出版社3、《混凝土学》.中国建材工业出版社4、《水泥混凝土---组成、性能、应用》.汪澜编著.中国建材工业出版社1土木工程材料的基础知识1.1材料的组成、结构与性质1.2材料的基本性质1.1材料的组成、结构与性质1.1.1材料的组成与性质化学组成矿物组成相组成组成的含义:构成材料的成分及其含量(1)化学组成化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类与数量。习惯上，金属材料的化学组成以主要元素的含量来表示(如钢材:Fe,C,Mn,Si,S,P等)；无机非金属材料则以各种氧化物含量来表示(如水泥:CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3、MgO等)。化学组成对材料的性质有很大的影响。当材料与自然环境或各类物质接触时，它们之间必定按化学规律发生作用。如混凝土受到酸、碱、盐类物质的侵蚀作用，钢材的锈蚀、木材的燃烧等都属于化学作用。材料在各种化学作用下表现出来的性质是由其化学组成决定的。(2)矿物组成矿物是指在无机非金属材料中具有特定的晶体结构、物理力学性能的组织结构(如硅酸盐水泥熟料主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙四种矿物所组成)。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。化学组成相同的材料其矿物组成可以不同。对某些土木工程材料，其矿物组成是决定其性质的主要因素。例如硅酸盐水泥中硅酸三钙含量高，则其凝结硬化速度较快，水化放热较大，强度较高。(3)相组成材料中具有相同的物理、力学性质的均匀部分称为相.自然界中的物质有气相、液相、固相之分。材料的相组成是指组成材料的相种类、数量及分布状况。土木工程材料大多数是多相固体，可看成复合材料。复合材料不同相之间存在界面，材料的性质与材料的相组成和界面特性有密切关系。实际材料中，相与相之间的这一过渡面是一个薄弱区，它的成分与结构与其两侧的相都不相同，是不均匀的，可将其作为“界面相”来处理。因此，通过改变和控制材料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。1.1.2材料的结构(构造)与性质1）土木工程材料的结构层次宏观结构亚微观结构（或称细观结构）微观结构(1)宏观结构材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织（其尺寸约为毫米级大小），以及更大尺寸的构造情况。因此，这个层次的结构也可以称为宏观构造。宏观结构有如下六种类型：（1）散粒结构；（2）聚集结构；（3）多孔结构；(4)致密结构；(5)纤维结构；(6)层状结构。(1)宏观结构（1）散粒结构散粒结构是由单独的颗粒组成，不与其他颗粒相结合，如砂、石子以及用于涂料及塑料中的粉状填料。（2）聚集结构聚集结构材料中的颗粒通过胶结材料彼此牢固地结合在一起，如各种混凝土。(1)宏观结构（3）多孔结构多孔材料中含有大量的、粗大或微小的（10-3mm~1mm）、均匀分布的孔隙，这些孔隙或者连通，或者封闭。这是加气混凝土、泡沫混凝土、发泡塑料、石膏制品等材料所特有的结构。(4)致密结构具有致密结构的材料在外观上和内部结构上都是致密的(无孔隙的)，金属、玻璃等材料即具有这种结构特性。这种材料的体积密度大，导热性强，强度硬度大，抗渗性和抗冻性好。(1)宏观结构(5)纤维结构纤维结构是木材、纤维制品所特有的结构，其在平行纤维和垂直纤维方向上的强度、导热性及其他一些性质明显不同，即具有各向异性。(6)层状结构层状结构或称叠合结构，是板材常见的结构。它是将材料叠合成层状，用胶结材料或其他方法将它们结合成整体，如木材胶合板等。叠合结构可以改善单层材料的性质。亚微观结构一般是指用光学显微镜所能观察到的、具有微米级的材料组织结构。仪器的放大倍数可达一千倍左右，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、金属材料晶粒的粗细及其金相组织，如钢材中的铁素体、珠光体、渗碳体等组织；混凝土中的孔隙及裂缝、木材的木纤维、导管、髓线等组织也属于亚微观结构层次。材料内部各种组织的性质是各不相同的，这些组织的特征、数量、分布以及界面之间的结合情况都对材料的整体性质起着重要的影响作用。(2)亚微观结构（或细观结构）层片状珠光体是一种双相结构的组织，是一层铁素体和一层渗碳体的混合物(3)微观结构微观结构是指材料分子、原子层次的结构。可用电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等手段分析研究。其尺寸范围为10-6～10-10m。材料的许多物理、力学性质，如强度、硬度、弹塑性、熔点、导热性、导电性等都是由其微观结构所决定的。固体材料的微观结构基本上可分为晶体和非晶体（包括玻璃体、固溶体等）。固体中，由原子、分子或离子作三向规则排列成有序的结构，称为晶体。而原子、分子或离子本身沿三维空间作不规则排列的，称为非晶体。2）晶体的种类及性质按质点及结合键的特性，晶体可分为以下4种：（1）原子晶体原子晶体是由中性原子构成的晶体，其原子之间是由共价键来联系的。原子之间靠数个共用电子来结合，具有很大的结合能，结合比较牢固，因而此种晶体的强度、硬度与熔点都是较高的。石英、金刚石、碳化硅等属于原子晶体。（2）离子晶体离子晶体是由正负离子所构成的晶体。离子之间是靠静电吸引力所形成的离子键来结合。离子晶体一般是比较稳定的，其强度、硬度、熔点也是较高的。2）晶体的种类及性质（3）分子晶体中性的分子由于电荷的非对称分布而产生的分子极化，或是由于电子运动而发生的短暂极化所形成的一种结合力，即范德华力。分子晶体是由分子通过范德华力结合起来的，分子晶体大部分属于有机化合物。（4）金属晶体金属晶体是由金属阳离子排成一定形式的晶格，在晶格间隙中有自由运动的电子，这些电子称为自由电子。金属键是通过自由电子的库仑引力而结合的。自由电子可使金属具有良好的导热性及导电性。晶体结合形式与材料性质晶体结合形式离子晶体共价键晶体金属晶体分子晶体构造方向性小方向性大方向性小方向性小密度密度中等密度小密度大密度小强度与硬度强度大硬度大强度大硬度大强度与硬度变化范围大强度小质软热学性质熔点高熔点高熔点范围大热传导性大熔点高电学性质导电性一般较小导电性小导电性大导电性小晶体结构（构造）晶体的结构形式采用X射线衍射或电子射线扫描等方法来确定。在晶体内部，可细分为完全相等单位的构造在三维空间重复着，如右图所示。立方晶体沿三个垂直方向有相同的排列：a1=a2=a3,大部分金属和相当数量的陶瓷材料是立方晶系的。非立方晶体的重复排列沿三个坐标轴方向不一样或者其三个晶轴间的夹角不全等于900。自然界中共有7种可能的晶系。这七种晶系的名称和它们的几何特征列于下表。晶体结构立方晶系中的点阵常数a在三个坐标方向上都是相同的各种晶系的几何特征晶系轴间夹角立方a1=a2=a3所有的夹角都等于900正方a1=a2≠c所有的夹角都等于900正交a≠b≠c所有的夹角都等于900单斜a≠b≠c其中有两个夹角是900；另一个不等于900三斜a≠b≠c三夹角都不相同，且都不为900六方a1=a2=a3≠c夹角为900和1200菱方a1=a2=a3所有的夹角都相等，但不为900晶体结构（构造）正方晶系和正交晶系的几何特征见下图。a)正方晶系：a1=a2≠c；各个夹角都为900；b)正交晶系：a≠b≠c；各个夹角都是900；c)六方晶系：a1=a2≠c；夹角为900及1200晶体结构（构造）以岩石矿物为主的硅酸盐有很多种类，其晶体构造也是多种多样的，见下图所示。如果以4个O2-离子包围一个Si4+离子所组成的SiO44-作为基本单位，则它们既可以成为独立体，也可以成为链状构造（例如辉石类）、二维网状构造（例如高岭土、云母）或三维网状构造（例如硅石SiO2、长石类），其中Si4+与O2-的结合是半离子性、半共价性的。a）基本单位；b）链状连结；c）二维网状结构晶体结构（构造）某些有机化合物中，高分子某些较为规则构造部分称为结晶性的，而不规则构造部分则称为非结晶性的，如下图所示。结晶性部分所占比例随着分子的化学构造、延伸度和温度等条件的改变而变化。晶体——非晶体共聚物1-非结晶性区域；2-结晶性区域3）玻璃体玻璃体是由于熔融物冷却较快而形成的。玻璃是无机非晶态固体中最重要的一族。当达到凝固温度时，它还具有很大的粘度，致使原子来不及按照一定的规则排列起来，就已经凝固成固体，从而形成玻璃体结构。一般无机玻璃的外部特征是有很高的硬度，较大的脆性，对可见光具有一定的透明度，并在开裂时具有贝壳及蜡状断裂面。玻璃体具有以下物理通性。玻璃体的特性1、各向同性玻璃体内部任何方向的性质（如折射率、导电性、硬度、热膨胀系数等）都是相同的。这与晶体一般具有各向异性的特性是不同的，却与液体有类似性。2、介稳性当熔体冷却成玻璃体时，这种状态并不是处于能量最低的状态。它能较长时间在低温下保留了高温时的结构而不变化，因而称介稳状态。从热力学观点看，玻璃态是一种高能量状态，它必然有向低能量状态转化的趋势，也即有析晶的可能。然而从动力学观点看，由于常温下玻璃粘度很大，由玻璃态转变为晶态的速率是十分小的，因此它又是稳定的。玻璃体的特性3、固熔转化过程的可逆性与渐变性当熔体向固体转变时，若是结晶过程，当温度降至TM（熔点）时（见右图），由于出现新相，同时伴随体积、内能的突然下降与粘度的剧烈上升；若是熔融物凝固成玻璃的过程，开始时熔体体积和内能曲线以与TM以上大致相同的速率下降直至F点（对应温度Tg），熔体开始固化。这时的温度称玻璃形成温度Tg。物质内能与体积随温度的变化而变化玻璃体的特性当玻璃组成一定时，Tg应该是一个随冷却速度而变化的温度范围。低于Tg时的固体称为玻璃，而高于此温度范围它就是熔体。因而玻璃体无固定的熔点，而只有熔体←→玻璃体可逆转的温度范围。常见的玻璃体有硅酸盐玻璃，如石英玻璃是将熔化的二氧化硅（SiO2）经过急速冷却所得的产物。这种熔融体冷却时形成较大的网状构造而使粘性增大，在不产生规则整齐排列的SiO4晶体的情况下，直接转变为非晶质固体，也可称为无定形晶体。玻璃就属于这类非晶质固体，此外，还有合成树脂和橡胶等。4）固溶体固体中也有纯晶体和含有外来杂质原子的固体溶液之分。把含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液，简称固溶体。固溶体普遍存在于无机固体材料中，材料的物理化学性质，会随着固溶体的生成，在一个更大范围内变化。因此，无论对功能材料，还是结构材料，都可通过生成固溶体的条件，提高材料的性能。当溶剂和溶质的原子大小相近，电子结构相仿时，便容易形成固溶体。固溶体按其溶剂原子被溶质原子所取代的情况不同，又分为置换固溶体、有序固溶体和间隙固溶体。4）固溶体(1)置换固溶体晶体结构中一种原子对另一种原子的无规则置换所形成的固溶体称为置换固溶体。铜和锌的溶体就称为置换固溶体。此种固溶体在许多金属中是相当常见的。置换固溶体溶解度主要取决于几何上和化学上的限制。如果溶质原子和溶剂原子具有相近的原子尺寸，则溶解度大。要得到很高的固溶度，还要求溶剂的化学性质相似。4）固溶体在离子相中也会产生置换固溶体。在离子固溶体中，原子和离子的大小是很重要的。右图表示了一个简单的离子固溶体的例子。在此MgO结构（见右图）中，Mg2+离子被Fe2+所取代。由于两个离子的半径分别为0.066nm和0.074nm,故可以完全地取代。另一方面，Ca2+离子则不能用来取代Mg2+，因其半径为0.099nm，相对较大。化合物中的置换固溶体（Fe+离子置换了MgO结构中的Mg2+4）固溶体2、有序固溶体在置换固溶体中，溶质原子在溶剂中的分布是随机的，故又称为无序固溶体，当其从高温缓冷到某一温度以下时，溶质原子会从统计随机分布状态过渡到占有一定位置的规则排列状态，即发生“有序化”过程，形成有序固溶体（如右图）。有序固溶体（大多数原子之间，如果有序化是完全的就会形成化合物）（三）固溶体3、间隙固溶