材料科學(xué)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)

1、材料科學(xué)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)一、建筑材料的組成、結(jié)構(gòu)、及其對(duì)材料性能的影響:建筑材料的組成礦物組成：某些建筑材料性質(zhì)也取決于礦物組成，例如：天然石材中的花崗巖，其 礦物組成主要是石英和長石，所以其強(qiáng)度高、抗風(fēng)化性能好。再比如：對(duì)于 硅酸鹽水泥來講，構(gòu)成熟料的礦物成分中硅酸三鈣含量較高，因此硬化速度 更快，強(qiáng)度也較高。材料的微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響建筑材料的結(jié)構(gòu)可按尺度分為三個(gè)層次：微觀結(jié)構(gòu)：原子分子尺度；亞微觀結(jié)構(gòu)（細(xì)觀結(jié)構(gòu)）：光學(xué)顯微鏡尺度；宏觀結(jié)構(gòu)：目測(cè)或者放大鏡尺度。建筑材料的許多性質(zhì)，如強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，除了受其組成 成分的影響外，還取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)，觀察工具為電子顯微鏡，

2、觀察精度可達(dá)A = 1*10- 10m。建筑材料必須為固態(tài)材料，其結(jié)構(gòu)可以分為晶體結(jié)構(gòu)， 非晶體結(jié)構(gòu)兩種。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的基本特征在于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、分子等）按照一定的規(guī)律排列形成晶格構(gòu)造。晶體具有一定的熔點(diǎn)且多具有良好的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性，這是與非晶體結(jié)構(gòu)的主要差異非晶體結(jié)構(gòu)膠體是由眾多小固體離子（粒徑約在i-i00um之間），分散在連續(xù)介質(zhì)璃是玻璃體的非晶體結(jié)構(gòu)主要有膠體和口玻璃體兩類。列，故又稱為無定型體。它是代表。具有良好的保溫隔熱性能，中而成的。建筑用瀝青、固化后的鈣都屬于膠體。璃體中的原子完全呈無序排急冷形成。建筑璃體無固定的熔點(diǎn)，但化學(xué)活性較高。璃（硅酸鈉）、水泥石中的水化硅酸非晶

3、體結(jié)構(gòu)膠體是由眾多小固體離子（粒徑約在i-i00um之間），分散在連續(xù)介質(zhì)璃是玻璃體的非晶體結(jié)構(gòu)主要有膠體和口玻璃體兩類。列，故又稱為無定型體。它是代表。具有良好的保溫隔熱性能，中而成的。建筑用瀝青、固化后的鈣都屬于膠體。璃體中的原子完全呈無序排急冷形成。建筑璃體無固定的熔點(diǎn)，但化學(xué)活性較高。璃（硅酸鈉）、水泥石中的水化硅酸膠體具有良好的吸附力和粘結(jié)力，這時(shí)由于膠體的質(zhì)點(diǎn)微小，總表面積很大，因而表面會(huì)很大的緣故。:材料的亞微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響金屬材料的晶粒粗細(xì)及金相組織（指金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理 性能相同的組成，其中包括固溶體、金屬化合物及純物質(zhì)。）直接影響其韌性、 強(qiáng)度、硬度

4、。木材的纖維狀細(xì)胞組織對(duì)強(qiáng)度、導(dǎo)熱性起支配作用。材料的宏觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)性質(zhì)的影響宏觀結(jié)構(gòu)一般可以用肉眼或放大鏡可以觀察，在建筑材料中，多注重觀察密 實(shí)性、多孔性、構(gòu)造形式（層狀、粒狀、纖維狀）。二、建筑材料的基本性質(zhì)（一）建筑材料的物理性質(zhì)1）材料的密度、表觀密度、堆積密度密度密度是指在材料絕對(duì)密實(shí)的狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量mp =v絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)的體積是不包括孔隙在內(nèi)的體積。在測(cè)量有孔材料的密實(shí)體積時(shí)，必須將材料碾磨成細(xì)粉，干燥后用李氏瓶（排液置換法）測(cè)定。表觀密度表觀密度是在自然狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量可由下式表示：m p = v0此時(shí)的體積是在自然狀態(tài)下的體積（包括孔隙體積在內(nèi)）。其大小與汗水情

5、況有關(guān)，通常條件下的表觀密度是指氣干狀態(tài)下的密度。堆積密度堆積密度是粉狀或者粒狀材料在堆積狀態(tài)下的單位體積的質(zhì)量。mp= v2）材料的孔隙率與空隙率孔隙率孔隙率是指材料中孔隙體積所占總體積的比例?？砂聪率接?jì)算：P=匕=1 - V=1 上V VVp材料中固體體積所占的總體積的比例稱為密實(shí)度。D=1-P即材料的密實(shí)度+孔隙率=1空隙率空隙率是指散粒材料在某堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占總體積的比例，可 按下式計(jì)算：p =匕=Kz匕=1 -匕=1p VVVp在混凝土中，空隙率可作為控制砂石級(jí)配及計(jì)算混凝土砂率的依據(jù)。3）材料的親水性與憎水性材料能被水潤濕的性質(zhì)稱為親水性，材料不能被水潤濕的性質(zhì)稱為

6、憎水性。潤濕邊角是指在材料、水、空氣的交點(diǎn)處，沿水滴表面的切線與水和固體的接觸 面所成的夾角0（a）（b）親水性材料的水分子之間的內(nèi)聚力小于水分子與材料分子相互之間的吸引力，0 900，有較好的防水效果。4）材料的吸水性與吸濕性材料在水中能吸收水分的性質(zhì)稱為吸水性。吸水性的大小用吸水率來表示。是指 材料在浸水后在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)吸入水的質(zhì)量占材料干燥質(zhì)量或者材料體積的百 分率。建筑材料基本上采用質(zhì)量吸水率。質(zhì)量吸水率a = *%100具有很多微小開口孔隙的親水性材料，其吸水性特別強(qiáng)。材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性：含水率a = m濕-m*100%m材料的含水率隨著空氣濕度和環(huán)境溫度變化而

7、變化，也就是說水分既可以吸 收又可以向外界擴(kuò)散，最后與空氣濕度達(dá)到平衡。與空氣濕度達(dá)到平衡的含水率 稱為材料的平衡含水率。5）材料的耐水性材料長期在飽和水狀態(tài)下不破壞，其強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)稱為耐水性。 材料的耐水性用軟化系數(shù)K表示丫材料在吸水飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度K= : : : 材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)越小說明材料吸水飽和后的強(qiáng)度降低的越多，耐水性也越差。對(duì)于 經(jīng)常處于水中或者受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)物的材料，其軟化系數(shù)不宜小于0.85,對(duì) 于受潮較輕的重要結(jié)構(gòu)物材料，其軟化系數(shù)不得下雨0.75。6）材料的抗?jié)B性材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性（或者稱為不透水性），材料的抗?jié)B 性常用

8、滲透系數(shù)來表示：AtHK材料的滲透系數(shù)（叫）Q滲水量d試件厚度H靜水壓力水頭t滲水時(shí)間A滲水面積滲透系數(shù)越大說明滲透的水量就越多，抗?jié)B性就越差。7）材料的抗凍性材料在吸水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，強(qiáng)度也無顯著 降低的性質(zhì)，稱為材料的抗凍性。8）材料的導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性是指在當(dāng)材料兩側(cè)有溫度差時(shí)，熱量從溫度高的一側(cè)向溫度低的一側(cè) 傳導(dǎo)的性質(zhì)。通常用導(dǎo)熱系數(shù)人表示。勻質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式為:、Qa A At（T - T）21材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱性能越好。絕大多數(shù)的建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)介于 0.023-3.49之間。通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.23的材料稱為絕熱材料。絕熱材料在使用中必須防水防潮。（二）建筑材料的力學(xué)性質(zhì) a.材料的強(qiáng)度與等級(jí) 材料在外力作用下抵抗破壞的能力，稱為材料的強(qiáng)度。很據(jù)外力作用方式的不同 可以分為：抗壓強(qiáng)度f、抗拉強(qiáng)度f、抗剪強(qiáng)度f、抗彎強(qiáng)度f。前三項(xiàng)的計(jì)etvtn算通式為:f = Ff-材料的強(qiáng)度（MPa）材料破壞時(shí)最大的荷載（N）A材料受力截面面積（nn 2）材料的抗彎強(qiáng)度與受力情況有關(guān)，通常將條形試件放在兩個(gè)支點(diǎn)上中間作用一集 中荷載，稱為三點(diǎn)彎曲?？箯潖?qiáng)度的計(jì)算公式為：3Flftn 2bh 2在跨度的三分點(diǎn)上作用兩個(gè)相等的集中荷載稱為四點(diǎn)彎曲，其強(qiáng)度表達(dá)式為：f -Ftn bh 2壓力拉力壓力拉力b.材料的變形性能彈性與塑性外力作用