文档介绍：第一节材料的组成、结构和构造
一、材料的组成
材料的组成是指材料的化学成分、矿物成分和相组成。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。
(一)化学组成:
各种土木工程材料都具有一定的化学成分。材料所含的化学成分及其含量的多少既影响材料的物理力学性质,也影响材料抵抗外界侵蚀作用的化学稳定性。
(二)矿物组成
将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称为矿物。矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。一般具有相对固定的化学成分,矿物是组成岩石和矿石的基本单元。某些土木工程材料如天然石材、无机胶凝材料等,其矿物组成是决定其材料性质的主要因素。例如硅酸盐水泥中,熟科矿物硅酸三钙含量高的,其硬化速度就较快,强度也较高。
(三)相组成材料中具有相同物理、化学性质的均匀部分称为相。自然界中的物质可分为气相、液相和固相。土木工程材料大多数是多相固体。凡由两相或两相以上的物质组成的材料称为复合材料。土木工程材料大多数可看成复合材料。混凝土材料可认为是集料颗粒分散在水泥浆基体中所组成的两相复合材料。
复合材料的性质与材料的相组成和界面特性有密切关系。所谓界面是指多相材料中相与相之间的分界面,在实际材料中,界面是一个薄区,它的成分和结构与相内是不一样的,它们之间是不均匀的,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。
二、材料的结构
(一)宏观结构
指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。
可按孔隙特征分为:(1) 致密结构(2) 多孔结构(3) 微孔结构
按存在状态分:(1) 堆聚结构(2) 纤维结构(3) 层状结构
(二) 细观结构
是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。其尺寸在10-3 10-6m级。
材料的细观结构层次上的各种组织性质各不相同,这些组织的特征、数量和分布和界面性质对材料性能有重要影响。
(三) 微观结构
微观结构是指原子和分子层次上的结构。其尺寸在10-6 10-10m级。材料的许多物理力学性能如强度、硬度、熔点、导热和导电等性能都是由其微观结构决定的。微观结构可以分为晶体、非晶体和胶体三种。
1、晶体结构
晶体结构是由质点(离子、原子或分子)按照周期性排列而成的微观结构。晶体本身具有固定的几何外形、由于其各个方向的质点排列情况和数量不同,故晶体具有各向异性的性质。
(1)原子晶体是由中性原子构成的晶体,其原于之间是由共价键来联系的。原子之间靠数个共同电子对来结合,具有很大的结合能,结合比较牢固,因而此种晶体的强度、硬度与熔点都是比较高的。如石英、金刚石、碳化硅等都属于原子晶体。
(2)离子晶体是由正、负离子所构成的晶体,因为离子是带电荷的,它们之间是靠静电吸引力(即库仑引力)所形成的离子链来结合的。离子晶体一般是比较稳定的,其强度、硬度、熔点也是比较高的,但在溶液中离子晶体要离解成离子。如NaCl、KCl、MgCl等。
(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。因为此种控力较弱,故其硬度、熔点也低。一般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列成一定形式的晶格,在晶格间隙中有自由运动的电子(这些电子称为自由电子),自由电子可使金属具有良好的导热性和导电性。在金属材料中,晶粒的形状和大小也会影响材料的性质。
常采用热处理的方法使金属晶粒产生变化,以收到调节和控制金属材料机械性能(强度、韧性、硬度等)的效果。
2、非晶体
非晶体也称玻璃体或无定形体,如无机玻璃。非晶体的结合力为共价链与离于键。
熔融物冷却后可以生成晶体。如果冷却速度较快,,此时即得到非晶体结构。非晶体结构是无定形物质,其质点的排列是没有规律的,因此它没有一定的几何外形而具有备向同性的性质。非晶体没有一定的熔点,只是出现软化现象。非晶体内质点的排列虽然不规则,实际上也是由许多极微小的晶体——微晶集合而成的,微晶与微晶之间则具有无定形结构。
非晶体是化学不稳定结构,容易与其它物质起化学作用。如火山灰质、粉煤灰、粒化高沪矿渣能与石灰在有水的条件下水化反应,而被用作土木工程材料或原料。
3、胶体结构
胶体结构是一种细小的固体粒子(直径10-7 10-9m)分散在介质中所组成的结构。这是一种亚微观结构。
由于胶体粒子很微小,其总表面积很大,因而表面能很大,故吸附能力很强。这就是胶体具有很大粘结力的原因。
胶体脱水为质点凝聚而产生凝胶。凝胶体具有固体的性质,而在长期应力作用下却又具有粘滞性流动的性质。这是由于固体微粒为