1.1　材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响

影响材料性质的因素有外部因素和内部因素，内部因素是指材料的组成、结构和构造，外部因素是指外界环境介质。外部因素影响材料性质要通过内部因素才能起作用，所以对材料性质起决定性作用的是其内部因素。因此，下面重点分析材料的组成、结构和构造与材料性质的关系。

1.1.1　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。它不仅影响材料的化学稳定性，而且也是决定材料物理及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或化合物的种类及数量。

当材料与外界环境介质接触时，它们之间必然按化学变化规律发生作用。比如混凝土受到酸、碱、盐的侵蚀作用，钢材的锈蚀等都属于化学作用。材料有关这方面的性质都是由化学组成所决定的。

对于化合物，一般用氧化物的形式表示，包括酸性氧化物和碱性氧化物。

（2）矿物组成

矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。矿物是指无机非金属材料中具有一定化学成分和特定的晶体结构及物理力学性能的单质或化合物。

化学组成相同的材料，由于矿物组成不同，其性质有可能不同。例如，由石灰（CaO）、砂（SiO2）和水在常温下硬化而成的石灰砂浆与在高温高湿条件下硬化而成的灰砂砖性能有较大差别。

对于某些土木工程材料来说，如天然石材、无机胶凝材料等，决定材料性质的关键因素是其矿物组成。比如水泥的矿物成分有3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3，改变这四种矿物成分相对比例，可以制成不同性能水泥。

（3）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。土木工程材料复合材料可看作是多相固体。例如，混凝土可认为是集料颗粒（集料相）分散在水泥浆基体（基相）中所组成的复合材料。

复合材料的性质与材料的相组成及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，界面是一个薄弱区，它的成分和结构与相内是不一样的，它们之间是不均匀的，可作为“界面相”来处理。通过改变和控制材料的相组成，可以改善和提高材料的技术性能。

1.1.2　材料的结构

材料的结构对材料的性质有重要影响。材料的结构一般分为宏观、细观和微观三个层次。

（1）宏观结构

土木工程材料的宏观结构是指肉眼可以看到或借助放大镜可观察到的粗大组织，其尺寸在10-3m级（毫米级）以上。这是最粗的一种结构形式，可按孔隙特征和构造特征分为多种结构形式。

①散粒结构

散粒结构的材料是由单独的松散颗粒组成。颗粒有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其结构致密、强度高，适合做承重的混凝土集料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，为多孔结构，适合做绝热材料。散粒结构的材料，颗粒间多存在大量的空隙，其空隙率主要取决于颗粒级配。

②聚集结构

聚集结构是指材料中的颗粒通过胶凝材料彼此牢固地结合在一起而形成的结构形式。具有这种结构的材料种类繁多，如各种水泥混凝土、砂浆、沥青混凝土，某些天然岩石等；建筑陶瓷和烧结砖也属于这种结构，陶瓷是焙烧过程中玻璃相结合晶体颗粒形成的材料，而烧结砖是玻璃相结合未熔融的黏土颗粒形成的材料。

③多孔结构

多孔结构的材料中含有大量的、粗大或微小的（10-3～1mm）、均匀分布的孔隙，这些孔隙或者封闭，或者连通。这是加气混凝土、泡沫混凝土、发泡塑料、石膏制品、黏土砖瓦等所特有的结构。具有多孔结构的材料，其性质决定于孔隙的特征、多少、大小及分布情况。一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，吸水性较大，保温隔热性较好。

④致密结构

致密结构的材料在外观上和内部结构上都是致密的。如钢材、玻璃、天然石材、塑料等材料具有这种结构特征。这种材料内部基本上无孔隙，其特点是强度和硬度高，吸水性小，抗渗性和抗冻性较好，耐磨性较好，保温隔热性差。

⑤纤维结构

纤维结构的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向较疏松，组织中存在相当多的孔隙。这类材料在平行纤维方向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，即各向异性，如木材、玻璃纤维、石棉等。

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。如木胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。层状结构每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后，可获得平面各向同性，更重要的是可以显著提高材料的强度、硬度、绝热性或装饰性等性质，扩大其使用范围。比如木胶合板，由于每层木片的纤维方向是相互正交的，因而可减少收缩率、强度等性质在不同方向上的差别；又如纸面石膏板，由于表层纸的护面和增强作用，提高了石膏板的抗折强度。

（2）细观结构

细观结构（原称亚微观结构）是指用光学显微镜可以观察到的微米级的组织结构。其尺寸范围在10-3～10-6m。该结构主要研究材料内部晶粒的大小和形态、晶界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布。土木工程材料的细观结构，只能针对某种具体材料来进行分类研究。如对混凝土可分为基相、集料相、界面相；对天然岩石可分为矿物、晶体颗粒、非晶体组织；对钢材可分为铁素体、珠光体、渗碳体；对木材可分为木纤维、导管、髓线、树脂道。研究金属材料亚微观结构的方法称为金相分析，通过显微镜可以观察到金属的显微形貌图像。研究非金属材料（岩石、水泥、陶瓷等）亚微观结构的方法称为岩相分析，通过显微镜可以分析出其亚微观结构，包括：

①晶相种类、形状、颗料大小及其分布情况；

②玻璃相的含量及分布；

③气孔数量、形状及分布。

材料细观结构层次上的这些组织的特征、数量、分布和界面性质对材料的强度、耐久性等性能有很大的影响。一般而言，材料内部的晶粒越细小、分布越均匀，则材料的受力状态越均匀、强度越高、脆性越小、耐久性越高；晶粒或不同组成材料之间的界面黏结越好，则材料的强度和耐久性越好。

（3）微观结构

微观结构是指借助电子显微镜或X射线，可以观察到的材料的原子、分子级的结构，微观结构的尺寸范围在10-10～10-6m。材料的许多性质如强度、硬度、弹塑性、熔点、导热性、导电性等性能都是由其微观结构所决定的。

材料微观结构可分为晶体、玻璃体、胶体三种形式。

①晶体

晶体是内部质点（原子、离子、分子）在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的结构。借助于点线将质点连接起来所构成的几何空间格架称为晶格，而把构成晶格的最基本单元称为晶胞，晶胞的各边尺寸称为晶格常数。按晶格的几何形状不同，自然界中的晶体共包括24种晶格，比如最常见的立方晶格、正方晶格、斜方晶格、六方晶格等。

晶体分为单晶体和多晶体，土木工程材料大多为多晶体材料。单晶体及多晶体材料具有如下特点：

a.具有固定的熔点和化学稳定性，这是晶体内部质点按能量最小原则排列所决定的。

b.单晶体具有规则的几何外形，这是晶体内部质点呈规则排列的外部表现。但多晶体材料由于是由大量晶胞形成的晶粒呈杂乱无章排列而形成的，它的几何外形是多变的。

c.单晶体具有各向异性的性质，但多晶体材料则是各向同性的。

晶体的各种物理力学性质，除与各质点的排列方式有关外，还与组成晶体的质点类型及质点间的结合键有关。根据组成晶体的质点及结合键的不同，晶体可分为如下几类：

a.原子晶体。若质点为中性原子，则由中性原子以共价键结合而成的晶体称为原子晶体（亦称共价键晶体），其强度、硬度及熔点均最高，而密度小，如石英、金刚石、刚玉等。

b.离子晶体。若质点为离子，则由正负离子以离子键结合而成的晶体称为离子晶体，其强度、硬度及熔点均较高，密度中等，但不耐水。土木工程材料中许多无机非金属材料多是以离子晶体为主构成的材料，如石膏、石灰、某些天然石材及人工材料等。

c.分子晶体。若质点为分子，则分子或分子团之间依靠分子间范德华力结合而成分子晶体。分子晶体结构材料中质点间范德华力这种结合键较弱，只能在某些环境条件下才具有较可靠的物理力学性能，一般环境中其强度、硬度及熔点都很低，温度敏感性强，密度较小。如土木工程中常用的水及水性乳液、石蜡及部分有机化合物等。

d.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称为金属晶体。由于电子在材料中可以自由穿梭，所以金属的导热性和导电性好；电子既然可到处穿梭，就可以与阳离子任意结合，所以说它有良好的键结合性，即金属的延展性良好，不易被撕裂。土木工程中常用的金属晶体材料有生铁、钢材、铝材、铜材等。

②玻璃体

将熔融物质迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及按规则排列就凝固，这时形成的物质结构即为玻璃体，又称为无定形体或非晶体。玻璃体的结合键为共价键或离子键。玻璃体无固定的几何外形，具有各向同性，破坏时也无清晰的解理面，加热时无固定的熔点，只出现软化现象。

由于玻璃体在凝固时质点来不及作定向排列，质点间的能量只能以内能的形式储存起来，因此，玻璃体具有化学不稳定性，亦即存在化学潜能，在一定的条件下，易与其他物质发生化学反应。例如水淬粒化高炉矿渣、火山灰等均属玻璃体，经常大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以改善水泥性能。玻璃体在烧土制品或某些天然岩石中，起着胶黏剂的作用。

③胶体

物质以极其微小的颗粒（粒径为10-9～10-7m）分散在连续相介质中形成的结构，称为胶体。其中分散粒子一般带有电荷（正电荷或负电荷），而介质带有相反的电荷，从而使胶体保持稳定性。由于胶体的质点很微小，表面积很大，因而表面能很大，有很强的吸附力，土木工程中常利用胶体材料的这种吸附能力来黏结其他材料。

在胶体结构中，若胶粒较少，则液体性质对胶体结构的强度及变形性质影响较大，这种胶体结构称为溶胶结构。溶胶具有较大的流动性，土木工程材料中的涂料就是利用这一性质配制而成的。若胶粒数量较多，则胶粒在表面能的作用下产生凝聚作用或由于物理化学作用而使胶粒产生彼此相连，形成空间网络结构，从而使胶体结构的强度增大，变形性能减小，形成固态或半固态，此胶体结构称为凝胶结构。凝胶具有触变性，即凝胶被搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新拌混凝土、胶黏剂等均表现出触变性。当凝胶完全脱水硬化变成干凝胶，它具有固体的性质，即产生强度。硅酸盐水泥的主要水化产物最后形成的物质就是干凝胶体。

胶体结构与晶体及玻璃体结构相比，强度较低、变形较大。

1.1.3　材料的构造

材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。构造概念与结构概念相比，更强调了相同材料或不同材料的搭配组合关系。如木材的宏观构造和微观构造，就是指具有相同材料结构单元（木纤维管胞）按不同的形态和方式在宏观和微观层次上的组合和搭配情况。它决定了木材的各向异性等一系列物理力学性能。又如具有特定构造的节能墙板，就是由不同性质的材料经特定组合搭配而成的一种复合材料，这种构造赋予墙板良好的保温隔热、吸声隔声、防火抗震、坚固耐久等整体功能和综合性质。

综上所述，材料由于组成、结构、构造不同，而使其材料的性质各具特色，因此，理解材料的组成、结构、构造与材料性质间的关系，对于掌握材料性质、合理利用材料，或进一步改善和提高材料的性能并研制性能优良的复合材料，都是非常重要的。