第一节 材料的组成与结构

一、材料的组成

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，而且也是决定材料物理、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及数量。当材料与自然环境或各类物质相接触时，它们之间必然按化学变化规律发生作用。如材料受到酸、碱、盐类物质的侵蚀作用，或材料遇到火焰的耐燃、耐火性能，以及钢材和其他金属材料的锈蚀等都属于化学作用。

通常金属材料以化学元素含量百分数表示；无机非金属材料以元素的氧化物含量表示；有机高分子材料常以构成高分子材料的一种或几种低分子化合物（单体）来表示。材料的化学成分，直接影响材料的化学性质，也是决定材料物理性质及力学性质的重要因素。因此，材料种类常按其化学组成来划分。

2.矿物组成

材料的矿物组成，是指构成材料的矿物种类和数量。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的称为矿物。某些建筑材料如天然石材、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。水泥因所含有的熟料矿物不同或其含量不同，表现出的水泥性质各有差异。例如硅酸盐水泥中，硅酸三钙含量高，其硬化速度较快，强度较高。花岗岩的矿物组成主要是石英和长石，石灰石的矿物组成为方解石。

3.相组成

材料中结构相近、具有相同的物理和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、固相。材料中，同种化学物质由于加工工艺的不同，温度、压力等环境条件的不同，可形成不同的相。建筑材料大多是多相固体材料，凡是由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。建筑材料大多数可看作复合材料。例如，混凝土可认为是集料颗粒（集料相）分散在水泥浆体（基相）中所组成的两相复合材料。

复合材料的性质与材料的组成及界面特性有密切关系。所谓界面从广义来讲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，它的成分及结构与相是不一样的，它们之间是不均匀的，可将其作为“界面相”来处理。有许多建筑材料破坏时往往首先发生在界面，因此，通过改变和控制材料的相组成和界面特性，可改善和提高材料的技术性能。如研究混凝土的配合比，就是为了改善混凝土的相组成，尽量使混凝土结构接近均匀而密实，保证其强度和耐久性。

二、材料的结构

材料的结构和构造是泛指材料各组成部分之间的结合方式及其在空间排列分布的规律，是决定材料性能的另一个极其重要的因素。目前，材料不同层次的结构和构造的名称和划分，在不同学科间尚未统一。通常，按材料的结构和构造的尺度范围，可分为宏观结构、亚微观结构和微观结构。

1.宏观结构（构造）

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，其尺度范围在毫米（mm）级以上。材料的某些性能是由宏观构造所决定的。

建筑材料的宏观结构按其孔隙特征分为：

（1）致密结构：指具有无可吸水、透气孔隙的结构。例如金属材料、致密的石材、玻璃、塑料、橡胶等。

（2）多孔结构：指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料及人造轻质多孔材料。

（3）微孔结构：指具有微细孔隙的结构。如石膏制品、烧结黏土制品等。

材料的宏观结构按其组织构造特征分为：

（1）堆聚结构；指由集料与具有胶凝性或黏结性物质胶结而成的结构。例如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。

（2）纤维结构：指由天然或人工合成纤维物质构成的结构。例如木材、玻璃钢、岩棉等。

（3）层状结构：指由天然形成或人工黏结等方法而将材料叠合而成的双层或多层结构。例如胶合板、纸面石膏板、复合保温墙板、铝塑复合板等人造板材。

（4）散粒结构：指由松散粒状物质所形成的结构。例如混凝土集料、粉煤灰、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石等。

2.亚微观结构

亚微观结构（细观结构）是指可用光学显微镜观察到的内部结构。一般可分辨的范围是1～10^-3mm。

土木工程观察材料的细观结构，只能针对某种具体材料来进行分类研究。例如，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；木材可分为木纤维、导管、髓线、树脂道。

材料细观结构层次上的各种组织结构、性质和特点各异，它们的特征、数量和分布对建筑材料的性能有重要影响。

3.微观结构

微观结构是指组成材料原子、分子的排列方式、结合状况等。可用高倍显微镜、电子显微镜或X射线衍射仪等手段来研究，其分辨尺寸范围在纳米（nm，10^-6mm）以上。

材料在微观结构层次上可分为晶体、非晶体及胶体。

（1）晶体。晶体是由离子、原子或分子等质点，在空间按一定方式重复排列而成的固体，具有特定的外形。这种有规则的排列称为晶体的空间格子（晶格）；构成晶格的最基本单元，称为晶胞。晶体颗粒具有各向异性性质。但是在实际晶体材料中，晶粒的大小及排列方向往往是随机的，故晶体材料也可能是各向同性的。

晶体的物理力学性质，除与晶格形态有关外，还与质点间结合力有关。这种结合力称为化学键，可分为共价键、离子键、分子键及金属键。

按组成材料的晶体质点及化学键的不同，晶体可分为如下几种。

1）原子晶体：由原子以共价键构成的晶体，如石英及某些碳化物等。共价键的结合力很强，故原子晶体的强度高、硬度大，常为电、热的不良导体。

2）离子晶体：由正、负离子以离子键构成的晶体，多是无机非金属材料，如石膏、石灰、石材等。离子键的结合力也很强。离子晶体凝固时为脆硬固体，是电、热的不良导体，熔、溶时可导电。

3）金属晶体：由金属阳离子组成晶格，自由电子运动其间，阳离子与自由电子形成金属键，如钢铁材料等。金属键的结合力也较强。金属晶体常有较好的变形性能，具有导电及传热性质。

4）分子晶体：由分子以分子键（分子键范德华力）构成的晶体，如合成高分子材料的晶体。分子键结合力低，分子晶体具有较大的变形性能，为电、热的不良导体。

（2）玻璃体。玻璃体亦称无定形体或非结晶体。非晶体没有特定的几何外形，是各向同性的。玻璃体通常是高温熔融物质急速冷却造成的结果，由于在内部蓄积着大量内能，因此，它是一种不稳定的结构，可逐渐地发生结构转化，具有较高的化学活性，是它能与其他物质起化学反应的原因之一。例如，水泥、玻璃、陶瓷、炉渣、火山灰等材料。

（3）胶体。以细小颗粒质点（胶粒）分散于连续介质中，形成的分散体系结构称为胶体。在胶体结构中，若胶粒较少，则胶粒悬浮、分散在液体连续相中，称这种结构为溶胶结构。若胶粒较多，则胶粒在表面能作用下发生凝聚，彼此相连形成空间网状结构，形成固体或半固体状态，称此结构为凝胶结构。在特定的条件下，胶体亦可形成溶胶-凝胶结构。