材料的结构和构造
材料的结构和构造
材料的结构和构造材料的结构和构造材料的性质除与材料组成有关外,还与其结构和构造有密切关系。
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。
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、介观结构和微观结构。
一、宏观结构材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况,其尺度范围在10-3m级以上。
按宏观结构的特征,材料有致密、多孔、粒状、层状等结构,宏观结构不同的材料具有不同的特性。
例如,玻璃与泡沫玻璃的组成相同,但宏观结构不同,前者为致密结构,后者为多孔结构,其性质截然不同,玻璃用作采光材料,泡沫玻璃用作绝热材料。
材料宏观结构和构造的分类及特征见表1-1。
宏观结构结构特征常用的土木工程材料举例钢铁、玻璃、塑料等致密结构无宏观尺度的孔隙按孔隙石膏制品、烧土制品等微孔结构主要具有微细孔隙特征加气混凝土、泡沫玻璃、泡沫翅多孔结构具有较多粗大孔隙料等主要由纤维状材料构木材，玻璃钢、岩棉、GRC等成纤维结构复合墙板、胶合板、纸面石膏板由多层材料叠合构成层状结构等按构造由松散颗粒状材料构特征散粒结构砂石材料、膨胀蛭石、膨胀珍珠成岩等聚集结构由骨料和胶结材料构各种混凝土、砂浆、陶瓷等成二、介观结构材料的介观结构(又称亚微观结构)是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构,是介于宏观和微观之间的结构。
其尺度范围在10-3,10-9m。
材料的介观结构根据其尺度范围,还可分为显微结构和纳米结构。
其中,显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构,其尺度范围在10-3,10-7m。
土木工程材料的显微结构,应根据具体材料分类研究。
对于水泥混凝土,通常是研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构;对于金属材料,通常是研究其金相组织、晶界及晶粒尺寸等。
对于木材,通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织的结构。
材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有显著的影响。
砂岩的结构和构造特征
砂岩的结构和构造特征砂岩是一种广泛分布于地球表面的沉积岩石，由于其良好的孔隙度和透水性，被广泛用于建筑材料、油气储层和水资源开发等领域。
砂岩的结构和构造特征对其物理力学性质、油气运移特征和水文地质特征等具有重要影响。
本文将介绍砂岩的结构和构造特征及其对岩石性质和工程应用的影响。
一、砂岩的结构特征1. 颗粒组成结构砂岩的主要颗粒组成为石英、长石、云母等矿物，颗粒大小一般在0.063~2mm之间。
根据颗粒分布和排列方式的不同，砂岩可分为均质砂岩、层理砂岩、斜层砂岩、交错砂岩、波状砂岩等多种类型。
其中，层理砂岩是最常见的一种类型，其颗粒组成呈现出明显的层理结构，一般与水流或风力的方向有关。
2. 孔隙结构砂岩的孔隙度和孔径大小对其透水性和储油储气性能具有重要影响。
砂岩中的孔隙可分为原生孔隙和次生孔隙两类。
原生孔隙是在沉积过程中形成的，主要包括颗粒间隙、孔隙隙缝和颗粒表面孔隙等。
次生孔隙是在后期地质作用中形成的，主要包括溶蚀孔隙、裂隙孔隙和矿物变质孔隙等。
3. 结构特征砂岩的结构特征包括岩层倾角、岩层厚度、岩层接触关系等。
在地质勘探和工程应用中，砂岩的结构特征对岩石的力学性质和地质工程应用都具有重要影响。
二、砂岩的构造特征1. 断层断层是指岩石中因地震等地质作用而形成的岩层断裂带。
砂岩中的断层通常表现为断层面上出现的破碎带、断裂带和错动带等构造特征。
断层的存在对砂岩的力学性质和地质工程应用具有重要影响。
2. 褶皱褶皱是指岩石中因地质作用而形成的岩层变形带。
砂岩中的褶皱通常表现为岩层的弯曲和变形，具有不同的形态和尺寸。
褶皱的存在对砂岩的力学性质和地质工程应用具有重要影响。
3. 岩层倾角岩层倾角是指岩层与水平面的夹角，对砂岩的力学性质和地质工程应用具有重要影响。
在地质勘探和工程应用中，需要对砂岩的岩层倾角进行准确的测量和分析。
三、砂岩的工程应用砂岩的工程应用包括建筑材料、油气储层和水资源开发等。
在这些领域中，砂岩的结构和构造特征对其工程应用具有重要影响。
材料的结构包括
材料的结构包括
材料的结构是指材料内部各个组成部分之间的排列和连接方式，它直接影响着
材料的性能和用途。
材料的结构可以分为原子结构、晶体结构和微观结构三个方面。
首先，原子结构是材料的基本结构。
原子是构成材料的最基本单位，材料的性
能和行为直接受原子结构的影响。
原子结构包括原子的排列方式、原子之间的相互作用和原子的运动方式。
不同的原子结构决定了材料的性质，比如金属材料的原子结构是紧密堆积的球形原子，而非金属材料的原子结构是离散分布的。
其次，晶体结构是材料中原子的有序排列。
晶体结构可以分为单晶体、多晶体
和非晶体三种类型。
单晶体是指材料中原子排列有序、呈现出规则的晶体结构；多晶体是指材料中存在多个晶粒，每个晶粒内部呈现出规则的晶体结构，但不同晶粒之间的方向不一定一致；非晶体是指材料中原子排列无序，没有明显的晶体结构。
晶体结构直接影响着材料的力学性能、导热性能和光学性能。
最后，微观结构是指材料中微观组织的形态和分布。
微观结构可以分为晶粒结构、晶界结构、位错结构和相结构。
晶粒结构是指材料中的晶粒形状、大小和分布；晶界结构是指相邻晶粒之间的结构；位错结构是指材料中的位错类型和分布；相结构是指材料中不同成分的分布和相互作用。
微观结构直接影响着材料的力学性能、热处理性能和腐蚀性能。
总之，材料的结构是多种因素综合作用的结果，它直接决定了材料的性能和用途。
了解材料的结构对于材料设计、制备和性能改进具有重要意义。
因此，深入研究材料的结构是材料科学和工程领域的重要课题，也是材料技术发展的关键之一。
材料的组成与结构
红松木
普通玻璃 铝合金
1.55~1.60
2.45~0~2550 2700~2900
——
—— ——
土木工程材料的基本性质
1.2.3.1密实度 材料体积（绝干状态）中固体物质的充 实程度，称为材料的密实度，用D表示。 V 0 —V
P= V0 =1—
土木工程材料的基本性质
1.2.1.3材料的毛体积 指材料在自然状态下的体积，即实体材料的外观体 积（含材料实体和孔隙体积）。一般以V0表示材料的毛 体积。
土木工程材料的基本性质
1.2.1.4材料的堆积体积 指粉状或粒状材料在堆积状态下的总体外观体积。根据 其堆积状态不同，同一材料表现的体积大小可能不同。松散 堆积状态下的体积较大，密实堆积状态下的体积较小。材料 的堆积体积一般以 V0′来表示。 1.2.2密度、表观密度、体积密度、堆积密度 1.2.2.1密度（density） 指材料在绝对密实状态下单位体积的绝干质量，称为材料 的“绝对密度”，简称密度。
ρ0 =ρ，故密实度D=1或D=100%。对于大多数土木工 程材料， 因ρ0＜ρ，故密实度D＜1 或D＜100%。 1.2.3.2孔隙率 孔隙率是指材料体积内孔隙体积占总体积 的百分率，用P表示，
P= V 0 —V =1— V0
密实度与孔隙率的关系
D+P=1
土木工程材料的基本性质
土木工程材料的基本性质
（2） 非晶体(amorphous solid) 将具有一定化学成分的 熔融物质迅速冷却，质点来不及按一定的规律排列而形成 的内部质点无序排列的固体或固态液体，又称玻璃体。 非晶体物质的特点是：没有 固定的熔点 和几 何形状， 且各向同性。由于非晶体是急速冷却形成的，大量的化学 能未能释放出来，所以非晶体材料具有化学不稳定性，当 条件允许，可能会与其他物质发生化学反应。如：水泥成分
土木工程材料-第四节材料的组成、结构与构造
材料抵抗阳光、风雨、温度变化等自然因素的能力，影响材料的长期 性能。
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土木工程材料-第四节材料的 组成、结构与构造
• 材料的组成 • 材料的结构 • 材料的构造 • 材料的基本性质
01
材料的组成
材料的化学组成
元素组成
每种材料都由多种元素组成，这些元素以不同的比例和方式结合， 形成材料的化学性质。
化合物的形成
元素之间可以形成化合物，这些化合物对材料的性能产生重要影响。
结构单元。
例如，钢材的细观构造包括铁素 体、珠光体、渗碳体等组成相。
这些细观构造对材料的力学性能 和加工性能具有重要影响。
材料的微观构造
01
微观构造是指材料在电子显微镜下观察到的结构状况，通常是 指材料的原子或分子的排列状态。
02
例如，陶瓷材料的微观构造包括原子或分子的晶体结构、晶界、
位错等。
这些微观构造对材料的物理性能和化学性能具有重要影响，如
化学键的类型
材料中的元素通过共价键、离子键或金属键等化学键结合在一起， 这些化学键的类型决定了材料的性质。
材料的物理组成
相的概念
01
材料由不同的相组成，如固相、液相和气相，这些相的性质和
分布对材料的整体性能产生影响。
颗粒大小与形状
02
材料的颗粒大小和形状决定了材料的表面积和孔隙率，进而影
响材料的性能。
材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，反 映材料的刚度。
泊松比
材料横向应变与纵向应变的比值，反映材料的横 向变形特性。
抗拉强度
材料在拉力作用下所能承受的最大应力值，反映 材料的抗拉能力。
材料的耐久性
耐久性
材料的组成、结构、构造及其对性能的影响
化学组成不同的两种石材性能对比
大理石
花岗岩
• 同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材， 使用时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂 缝，而花岗岩石材完好如新
化学组成相同但矿物组成不同的两 种钢材的金相照片
A
B
• Ａ具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较 低，而Ｂ则强度较高
1.1.3 材料的结构和构造
Chapter 1 土木工程材料的基本性质
• 了解土木工程材料的基本组成、结构和构造， 并了解材料结构和构造与材料基本性质的关 系；
• 熟练掌握土木工程材料的基本力学性质； • 掌握土木工程材料的基本物理性质； • 掌握土木工程材料耐久性的基本概念。
1.1 材料科学的基本理论
• 1.1.1 材料科学与工程 • 1.1.2 材料的组成 • 1.1.3 材料的结构和构造
1、宏观结构(构造) • 按孔隙特征分为：密实结构、多孔结构和
微孔结构 • 按组织构造特征分为：堆聚结构、纤维结
构、层状结构、散粒结构、纹理结构
1.1.3 材料的结构和构造
2、微观结构 • 材料的微观结构与材料的强度、硬度、弹
塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质 有着密切的关系。 • 材料的微观结构基本上可分为晶体、玻璃 体、胶体三类 • 材料的化学组成相同，微观结构的差别将 导致材料性能的差异。
1.1.1 材料科学与工程
• 材料科学与工程是研究材料的组成、结构、 生产制造工艺与其性能及使用关系的科学 和实践
• 土木工程材料学是材料科学与工程的一个 组成部分
1.1.2 材料的组成
• 化学组成 化学组成不同的两种石材性能对比
• 矿物组成 化学组成相同但矿物组成不同的两种钢材 性能对比• 相组成大理岩的源自密结构加气混凝土砌块的多孔结构
材料的组成、结构与构造及对材料性质的影响
胶合板的层状构造
散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒
与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其 致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如 陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热 材料。粒状构造的材料颗
粒间存在大量的空隙， 其空隙率主要取决于颗 粒大小的搭配。用作混 凝土骨料时，要求紧密 堆积，轻质多孔粒状材
布朗运动自由移动时，称为凝胶，凝胶具有触变性，
即将凝胶搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新
拌混凝土、胶 粘剂等均表现有触变性。 当凝胶完全脱水则成干 凝胶体，它具有固体的 性质，即产生强度。硅 酸盐水泥主要水化产物 的最后形式就是凝胶体。
水泥凝胶体
小结：材料基本性质间关系
孔隙率增加，密度不变，表观密度降低，强度降低， 吸水率增加，抗渗性降低，抗冻性降低，导热系数减 小。 孔隙率降低，密度不变，表观密度增加，强度增加， 吸水率降低，抗渗性提高，抗冻性提高，导热系数增 加。
规则在空间呈有规律的排列，因此晶体具有一定的
几何外形，显示各向异性，但实际应用的晶体材料，
通常是由许多细小的晶粒杂乱排列组成，故晶体材 料在宏观上显示为各向同性。
晶体内质点的相对密集程度和质点间的结合力，对 晶体材料的性质有着重要的影响。例如在硅酸盐矿
物材料（如陶瓷）的复杂晶体结构（基本单元为硅
氧四面体）中，质点的相对密集程度不高，且质点
间大多是以共价键联结，变形能力小，呈现脆性。
材料的化学成分相同，但形成的晶体结构可以不同，
其性能也就大有差异。如石英和硅藻土，化学成分
同为SiO2，但各自性能颇不相同。另外，晶体结构 的缺陷，对材料性质的影响很大。
将熔融的物质进行迅速冷却（急冷），使其内部
建筑材料的组成与结构
建筑材料的组成与结构作为建筑师，对材料的组成与结构必须非常了解，下面就和店铺一起来重新复习复习吧!(一)材料的组成材料的组成不仅影响材料的化学性质，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和数量。
如水泥的化学组成： CaO 62%~67%、SiO2 20%~24%、Al2O3 4%~7%、MgO<5%、Fe2O3 2.5%~6.0%。
根据化学组成可大致地判断出材料的'一些性质，如耐久性、化学稳定性等。
2.矿物组成将无机非金属材料中具有特定的晶体结构、特定的物理力学性能的组成结构称为矿物。
矿物组成是指构成材料的矿物的种类和数量。
例如水泥熟料的矿物组成为： 3CaO?SiO2 37%~60%、2CaO? SiO2 l5%~37%、3CaO?Al2 O37 % ~ l5S%、4CaO?Al2 O? Fe2O3 10%~18%。
若其中硅酸三钙(3CaO?SiO2)含量高，则水泥硬化速度较快，强度较高。
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。
建筑材料大多数是多相固体。
凡由两相或两相以上物质组成的材料称为复合材料。
例如，混凝土可认为是骨料颗粒(骨料相)分散在水泥浆基体(基相)中所组成的两相复合材料。
(二)材料的结构1.宏观结构建筑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。
其尺寸在10-3 m级以上。
按其孔隙特征可分为：(1)致密结构：如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。
(2)多孔结构：如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料等。
(3)微孔结构：如石膏制品、烧勃士制品等。
按存在状态或构造特征分为：(1)堆聚结构：如水泥混凝土、砂浆、沥青混合料等。
(2)纤维结构：如木材、玻璃钢、岩棉等。
(3)层状结构：如胶合板、纸面石膏板等。
(4)散粒结构：如混凝土骨料、膨胀珍珠岩等。
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材料的结构和构造
材料的结构和构造
材料的性质除与材料组成有关外,还与其结构和构造有密切关系。
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。
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、介观结构和微观结构。
一、宏观结构
材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构和构造状况,其尺度范围在10-3m级以上。
按宏观结构的特征,材料有致密、多孔、粒状、层状等结构,宏观结构不同的材料具有不同的特性。
例如,玻璃与泡沫玻璃的组成相同,但宏观结构不同,前者为致密结构,后者为多孔结构,其性质截然不同,玻璃用作采光材料,泡沫玻璃用作绝热材料。
材料宏观结构和构造的分类及特征见表1-1。
宏观结构结构特征常用的土木工程材料举例
钢铁、玻璃、塑料等致密结构无宏观尺度的孔隙
按孔隙石膏制品、烧土制品等微孔结构主要具有微细孔隙特征
加气混凝土、泡沫玻璃、泡沫翅多孔结构具有较多粗大孔隙料等
主要由纤维状材料构木材，玻璃钢、岩棉、GRC等成纤维结构
复合墙板、胶合板、纸面石膏板由多层材料叠合构成层状结构等按构造由松散颗粒状材料构特征散粒结构砂石材料、膨胀蛭石、膨胀珍珠成岩等
聚集结构由骨料和胶结材料构各种混凝土、砂浆、陶瓷等成
二、介观结构
材料的介观结构(又称亚微观结构)是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构,是介于宏观和微观之间的结构。
其尺度范围在10-
3,10-9m。
材料的介观结构根据其尺度范围,还可分为显微结构和纳米结构。
其中,显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构,其尺度范围在10-3,10-7m。
土木工程材料的显微结构,应根据具体材料分类研究。
对于水泥混凝土,通常是研究水泥石的孔隙结构及界面特性等结构;对于金属材料,通常是研究其金相组织、晶界及晶粒尺寸等。
对于木材,通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织的结构。
材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有显著的影响。
例如,钢材的晶粒尺寸越小,钢材的强度越高。
又如混凝土中毛细孔的数量减少、孔径减小,将使混凝土的强度和抗渗性等提高。
因此,对于土木工程材料而言,从显微结构层次上研究并改善材料的性能十分重要。
材料的纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构。
其尺度范围在10-7,10-9m。
材料的纳米结构是20世纪80年代末期引起人们广泛关注的一个尺度。
其基本结构单元有团簇、纳米微粒、人造原子等。
由于纳米微粒
和纳米固体有小尺寸效应、表面界面效应等基本特性,使由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物理和化学性能,因而得到了迅速发展,在土木工程中也得到了应用,例如,磁性液体、纳米涂料等。
通常胶体中的颗粒直径为1,100 nm,其结构是典型的纳米结构。
三、微观结构
材料的微观结构是指原子或分子层次的结构。
材料按微观结构可分为晶体和玻
璃体。
(一)晶体结构
晶体是质点(原子、分子、离子)按一定规律在空间重复排列的固体,具有一定的几何形状和物理性质。
晶体质点间键能的大小以及结合键的特性决定晶体材料的特性,如表1—2。
材料的微观结构常见材料主要特性原子晶体(以共价键结金刚石、石英、刚玉强度、硬度、熔点均高，密度
合) 较小离子晶体(以离子键结氧化钠、石膏、石灰强度、硬度、熔点较高，但波
合) 岩动大，部分可溶，密度中等分子晶体(以分子键结蜡及有机化合物晶体强度、硬度、熔点较低，大部
合) 分可溶，密度小金属晶体(以金属键结铁、钢、铜、铝及其强度，硬度变化大，密度大
合) 合金
无机非金属材料中的晶体,通常不是单一的结合键,而是既存在共价键又存在离子键。
硅酸盐材料在土木工程材料中占有重要地位,它广泛应用在水泥、陶瓷、砖瓦、玻璃等材料中,硅酸盐晶体的基本结构单元是SiO4四面体,硅在四个氧形成的四面体的正中(如图l—1)。
硅酸盐的结构比较复杂,是由基本单元SiO4与其他金属离子结合而成,可以组成链状结构、层状结构等硅酸盐晶体。
(二)玻璃体
玻璃体是熔融物在急冷时,质点来不及按一定规律排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。
玻璃体结构的材料没有固定的熔点和几何形状,且各向同性。
由于内部质点未达到能量最低位置,大量化学能储存在材料结构中,因此,
其化学稳定性差,易与其他物质发生化学反应。
如某些活性混合材料的活性特点,
正是这种玻璃体结构材料的表现。