2.5 材料的组成、结构和构造及其对材料性能的影响

2.5.1 材料的组成及其对材料性质的影响

材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。它不仅影响着材料的化学性质，也是决定材料物理性质和力学性质的重要因素。

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和数量。当材料与自然环境及各类物质相接触时，它们之间将依照化学变化规律发生作用。如钢材和其他金属材料的锈蚀、材料的可燃性和耐火性、混凝土受到酸、碱、盐类物质的侵蚀等都属于化学作用。材料这些方面的性质均是由其化学组成所决定的。

2．矿物组成

矿物是指无机非金属材料中具有特定的晶体结构和特定物理力学性能的组织结构。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。如大理石的主要矿物组成为白云石、方解石及少量石英，所以大理石不耐酸腐蚀，酸雨会使大理石中的方解石腐蚀成石膏，致使石材表面失去光泽；花岗岩的主要矿物组成为长石、石英及少量云母，酸性岩石多，决定了花岗岩耐酸性好，但耐火性较差；硅酸盐类水泥的主要矿物组成为铝酸钙、硅酸钙及铁铝酸钙等，决定了水泥容易水化为碱性凝胶体，且具有凝结硬化的性能；石英砂的主要矿物组成为石英，如果其中含有蛋白石、玉髓，则易降低水泥混凝土的耐久性。

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、固相三种形态。即使是同种物质，在不同的温度、压力等条件下，也经常会转变其存在状态，如气相变为液相或固相。凡由两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料。建筑材料大多数是复合材料，如钢筋混凝土、沥青混合料、塑料泡沫夹心压型钢板，它们的配比和构造形式不同，材料性质变化可能很大。

2.5.2 材料的结构及其对材料性质的影响

材料的结构分为宏观结构、细观结构和微观结构。材料的结构是决定材料性质非常重要的因素。

1．宏观结构

宏观结构是指用肉眼或放大镜就能够观察到的粗大组织，其尺寸在10-3m以上。建筑材料的宏观结构，按其孔隙特征分为致密结构、多孔结构。

（1）致密结构。

致密结构是指材料内部基本上无空隙，结构密实。这类材料一般具有吸水率低、抗渗性和抗冻性好、强度较高等性质。如钢材、致密的天然石材、玻璃和沥青等。

（2）多孔结构。

多孔结构是指材料内部具有大致呈均匀分布的、独立的或部分相通的孔隙。孔隙又有大孔和微孔之分。这类材料一般质轻，吸水率高，抗渗性和抗冻性差，但保温、隔热、吸声性好，如加气混凝土、石膏制品、泡沫塑料、多孔砖等。

建筑材料的宏观结构，按其组织构造特征分为纤维结构、层状结构、散粒结构和聚集结构。

（1）纤维结构。

纤维结构是指由天然或人工合同纤维物质构成的结构。这类材料纤维之间存在相当多的孔隙，平行纤维方向的强度较高，一般具有较好的保温隔热和吸声性能。如木材、竹、矿棉、钢纤维、玻璃纤维等。

（2）层状结构。

层状结构是指由天然形成或人工黏结等方法将材料叠合成层状的结构。这一类材料每一层性质可能不同，但叠合后综合性质较好，显著提高了材料的强度、硬度、绝热或装饰等性能，扩大了使用范围。如纸面石膏板、胶合板、蜂窝板、泡沫压型钢板复合墙等。

（3）散粒结构。

散粒结构是指材料呈松散颗粒状的结构，颗粒分为密实颗粒与轻质多孔颗粒。前者如砂子、石子等，因其致密、强度高，所以，适合做混凝土集料。后者如膨胀珍珠岩、陶粒等，因其多孔结构，所以，适合做绝热材料。这类材料的性质除了与颗粒本身的性质有关外，还与颗粒间的接触程度、黏结性质等有关。

（4）聚集结构。

聚集结构是指由集料与具有胶凝性或黏结性物质胶结而成的结构。如砂浆、混凝土等。

2．细观结构

细观结构，又称为亚微观结构，是指在光学显微镜下能观察到的结构，其尺寸范围为10-3～10-6m。建筑材料的细观结构，只能针对某种具体的建筑材料来进行分类研究，如木材可分为木纤维、导管髓线、树脂道；混凝土可分为基相、集料相、界面相；天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织；钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体。

材料细观结构层次上的各种组织的特征、数量、分布及界面性质对建筑材料的性能有着重要的影响。

3．微观结构

材料微观结构是指用电子显微镜或X射线来分析研究材料的原子、分子层次的结构的特征，其尺寸范围为10-6～10-10m。材料的微结构决定着材料的许多基本性质，如强度、硬度、熔点、导热性、导电性等。根据质点在空间中分布状态不同，材料微观结构可分为晶体、玻璃体和胶体。

（1）晶体。

晶体是指质点（离子、原子、分子）在空间上，按特定的规则、呈周期性排列的固体。晶体结构的特点：具有特定的几何外形、固定的熔点、各向异性及化学稳定性。按组成晶体的质点及化学键的不同。晶体可分为以下几种：

原子晶体：中性原子以共价键结合而形成的晶体，如石英等。

离子晶体：正负离子以离子键结合而形成的晶体，如NaCl等。

分子晶体：以分子间的范德华力即分子键结合而成的晶体，如有机化合物。

金属晶体：以金属阳离子为晶格，由自由电子与金属阳离子间的金属键结合而成的晶体，如钢材等。

从键的结合力来看，共价键和离子键最强，金属键较强，分子键最弱。如纤维状矿物材料石棉，纤维与纤维之间的分子键结合力要比纤维内链状结构方向上的共价键力弱得多，这类材料易分散成纤维状，强度具有方向性；如云母、黏土、滑石等结构层状材料的层间键力是分子力，结合力较弱，这类材料容易剥成薄片；岛状材料如石英，硅、氧原子以共价键结合成四面体，四面体在三维空间形成立体空间网架结构，故其结构强度较大、质地坚硬。

（2）玻璃体。

玻璃体是指熔融物质在急速冷却时，质点来不及或因某种原因不能按规则排列就产生凝固所形成的结构。玻璃体亦称为无定形体或非晶体，其结构特征为质点在空间上呈非周期性排列。

玻璃体是化学不稳定结构，易与其他物质起化学反应，具有良好的化学活性。如生产水泥熟料时，硅酸盐从高温水泥回转窑急速落入空气中，急冷过程使它来不及作定向排列，质点间的能量只能以内能的形式储存起来，具有化学不稳定性，能与水反应产生水硬性；火山灰、粉煤灰、水淬粒化高炉矿渣等玻璃体材料，能与石膏、石灰在有水的条件下水化和硬化，常被大量用作硅酸盐水泥的掺和料，以改善水泥性质。

（3）胶体。

胶体是指由固体颗粒（粒径为10-7～10-10m）分散在连续介质中所形成的分散体系。

在胶体结构中，若胶粒数量较少，液体性质对胶体结构的强度及变形性质影响较大，这种结构称为溶胶结构。若胶粒数量较多，胶粒在表面能作用下发生凝聚，或者由于物理化学作用而使胶粒彼此相连，形成空间网络结构，从而使胶体的强度增大，变形性减小，形成固体状态或半固体状态，这种结构称为凝胶结构。

胶体在建筑材料中有广泛的应用，如液体沥青、涂料、硬化水泥浆体就是胶体结构。胶体结构与晶体和玻璃体结构相比，强度较低，变形较大。

2.5.3 材料的构造及其对材料性质的影响

材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元互相组合搭配的情况。与结构相比，构造更强调相同材料或不同材料间的搭配与组合关系。如具有特定结构的节能墙板，是由不同性质的材料经一定的搭配与组合而成的一种复合材料。这种构造赋予了墙板良好的隔声吸声、隔热保温、防火抗震、坚固耐久等的整体功能和综合性质。

随着材料科学和工程理论与技术的日益发展，不断深入研究材料的组成、结构、构造和材料性能之间的关系，不仅有利于为包括土木工程在内的各种工程正确选用材料，而且还会加速实现按所需性能来设计与研制新型材料的目标。

【案例分析2.1】

最大的海难——泰坦尼克号的沉没

现象：1912年，当时世界上最大的客船泰坦尼克号初航，不幸撞上冰山，35cm厚的船钢板在水位线处像拉链拉开一样被撕裂，海水排山倒海般涌向船内，约3小时后沉没。

原因分析：泰坦尼克号所用的钢板，经过抗压强度试验，其抗压强度比现代钢材还要高。但对其做钢材冲击韧性试验，发现钢材断裂时吸收的冲击功很低，是韧性差的脆性材料。经化学分析显示，该钢材的含硫量较高，硫致使钢材的脆性增加。

【案例分析2.2】

铸铁造桥酿成灾难

现象：1878年6月，英国人用铸铁在北海的Tay湾上建造了全长3160m、单跨73.5m的跨海大桥，采用梁式桁架结构，在石材和砖砌筑的基础上采用铸铁管做桥面。结果建成不到两年，在一个台风袭击的夜晚，在台风加上火车冲击荷载的作用下桥墩脆断、桥梁倒塌、车毁人亡。

原因分析：塌桥灾难主要是由于铸铁的桥墩在冲击荷载作用下发生脆断所造成的。在那之后，人们对钢材和铸铁这两种材料进行了深入的性能比较研究，发现钢材不仅具有很高的抗压强度，同时也具有很高的抗拉强度和抗冲击韧性。从此以后，人们开始采用钢材建造桥梁，并逐步完善其结构设计和施工技术，不断刷新桥梁跨度的记录。