2014年結(jié)構(gòu)工程師基礎(chǔ)：建筑材料的基本性質(zhì)

　　第一節(jié) 建筑材料的基本性質(zhì)

　　建筑物是由多種建筑材料組合而成,因建筑材料所處的環(huán)境和部位不同,所起的作用也各有不同,所以要求材料具有各種相應(yīng)的性質(zhì)。如用于受力結(jié)構(gòu)的材料,要承受各種外力的作用,因此所用的材料要具有所需的力學(xué)'性質(zhì);根據(jù)某些建筑功能的需要,要求材料要有相應(yīng)的防水、保溫、絕熱、吸聲、防火、裝飾以及耐熱、耐腐蝕等性質(zhì);由于建筑物在長期使用過程中,經(jīng)常受到風(fēng)吹、日曬、雨淋、冰凍所引起的溫度變化、干濕交替、凍融循環(huán)等作用，這就要求材料必須具有一定的耐久性能。因此,建筑材料的應(yīng)用與其性質(zhì)是緊密相關(guān)的。

　　建筑材料所具有的各項(xiàng)性質(zhì)又是由于材料的組分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造等內(nèi)部因素所決定的，為了保證建筑物能經(jīng)久耐用,就需要我們掌握建筑材料的性質(zhì)和了解它們與材料組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的關(guān)系,并合理地選用材料。

　　一、材料的組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

　　(一)材料的組成

　　材料的組成是指材料的化學(xué)成分或礦物成分而言。它不僅影響著材料的化學(xué)性質(zhì)，而且也是決定材料物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素。

　　1.化學(xué)組成

　　當(dāng)材料與外界自然環(huán)境以及各類物質(zhì)相接觸時(shí),它們之間必然要按照化學(xué)變化規(guī)律發(fā)生作用。如材料受到酸、堿、鹽類物質(zhì)的侵蝕作用,如材料遇到火焰時(shí)的耐燃、耐火性能,以及鋼材與其他金屬材料的銹蝕等等都屬于化學(xué)作用。建筑材料有關(guān)這方面的性質(zhì)都是由材料的化學(xué)組成所決定的。

　　2.礦物組成

　　某些建筑材料如天然石材、無機(jī)膠凝材料等,其礦物組成是決定其材料性質(zhì)的主要因素。水泥所含有的熟料礦物不同或其含量不同,表現(xiàn)出的水泥性質(zhì)就各有差異。例如，在硅酸鹽水泥中,熟料礦物硅酸三鈣含量高的,其硬化速度較快,強(qiáng)度也較高。

　　(二)材料的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

　　建筑材料的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造有著密切關(guān)系。也可以說材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造是決定建筑材料性質(zhì)的極其重要因素。因此,要掌握建筑材料性質(zhì),合理使用材料并能解決某些工程問題的話,就需要具備材料結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的有關(guān)知識(shí)。 研究材料的結(jié)構(gòu)大體上可以劃分為:宏觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)三個(gè)

　　1.材料的微觀結(jié)構(gòu)

　　這里所指的結(jié)構(gòu)是指物質(zhì)的原子、分子層次的微觀結(jié)構(gòu)。一般要借助于電子顯微鏡、X射線衍射儀等具有高分辨率的設(shè)備進(jìn)行觀察、分析,其分析程度是以"埃" (1A=10-10m)為單位表示的。材料的許多物理性質(zhì),如強(qiáng)度、硬度、彈塑性、導(dǎo)熱性等都有密切的關(guān)系。材料的結(jié)構(gòu)可以分為晶體、玻璃體和膠體。

　　晶體是指材料的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)(原子、分子或離子)呈現(xiàn)規(guī)則排列的、具有一定結(jié)晶形狀的固體。因其各個(gè)方向的質(zhì)點(diǎn)排列情況和數(shù)量不同,故晶體具有各向異性的性質(zhì)。然而,晶體材料又是由大量排列不規(guī)則的晶粒組成,因此,所形成的材料整體又具有各向同性的性質(zhì)例如:石英、金屬等均屬于晶體結(jié)構(gòu)。

　　按晶體質(zhì)點(diǎn)及結(jié)合鍵的特性,可將晶體分成:原子晶體、離子晶體、分子晶體和金屬晶體。不同種類的晶體所構(gòu)成的材料表現(xiàn)出的性質(zhì)不同。

　　(1)原子晶體是由中性原子構(gòu)成的晶體,其原子之間由共價(jià)鍵來聯(lián)系。原子之間靠數(shù)個(gè)共用電子結(jié)合,具有很大的結(jié)合能,結(jié)合比較牢固,因而這種晶體的強(qiáng)度、硬度與熔點(diǎn)都是比較高的。石英、金剛石、碳化硅等屬于原子晶體。

　　(2)離子晶體是由正、負(fù)離子所構(gòu)成的晶體。因?yàn)殡x子是帶電荷的,它們之間靠得失電子,產(chǎn)生所形成的離子鍵來結(jié)合。離子晶體一般比較穩(wěn)定,其強(qiáng)度、硬度熔點(diǎn)較高,但在溶液中要離解成離子,如NaCl、KCl、MgCl等。

　　(3)分子晶體中性的分子由于電荷的非對稱分布而產(chǎn)生的分子極化,或是由于電子運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的短暫極化所形成的一種結(jié)合力,即范德華力。因?yàn)檫@種結(jié)合力較弱,故其硬度小,熔點(diǎn)也低。一般分子晶體大部分屬于有機(jī)化合物。

　　(4)金屬晶體 金屬晶體是由金屬陽離子排列成一定形式的晶格,如體心立方晶格、面心立方晶格和緊密六方晶格。在晶格間隙中有自由運(yùn)動(dòng)的電子,這些電子稱為自由電子。金屬鍵是通過自由電子的庫侖引力而結(jié)合的。自由電子可使金屬具有良好的導(dǎo)熱性及導(dǎo)電性。

　　在金屬材料中,晶粒的形狀和大小也會(huì)影響材料的性質(zhì)。常采用熱處理的辦法,使金屬晶粒產(chǎn)生變化,以收到調(diào)節(jié)和控制金屬材料機(jī)械性能(強(qiáng)度、韌性、硬度等)的效果。金屬晶體在外力作用下具有彈性變形的特點(diǎn)。當(dāng)外力達(dá)到一定程度時(shí),由于某一晶面上的剪應(yīng)力達(dá)到一定限度,沿該晶面發(fā)生相對的滑動(dòng),因而材料產(chǎn)生塑性變形。軟鋼和一些有色金屬(銅、鋁等)都是具有塑性的材料。

　　玻璃體是熔融的物質(zhì)經(jīng)急冷而形成的無定形體,是非晶體。熔融物經(jīng)慢冷,內(nèi)部質(zhì)子可以進(jìn)行規(guī)則地排列而形成晶體;若是冷卻速度較快,達(dá)到凝固溫度時(shí),它還具有很大的粘度,致使質(zhì)點(diǎn)來不及按一定的規(guī)則進(jìn)行排列,就已經(jīng)凝固成為固體,此時(shí)得到的就是玻璃體結(jié)構(gòu)。因其質(zhì)點(diǎn)排列無規(guī)律,具有各向同性,而且沒有固定的熔點(diǎn),熔融時(shí)只出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

　　由于在急冷過程中,質(zhì)點(diǎn)間的能量以內(nèi)能的形式儲(chǔ)存起來,使玻璃體具有化學(xué)不穩(wěn)定性,即具有潛在的化學(xué)活性,在一定條件下容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如:火山灰、?；郀t礦渣等。

　　膠體是指一些細(xì)小的固體粒子(直徑約1 ~100μm)分散在介質(zhì)中所組成的結(jié)構(gòu)。一般屬于非晶體。由于膠體的質(zhì)點(diǎn)很微小,表面積很大,所以表面能很大,吸附能力很強(qiáng),使膠體具有很強(qiáng)的粘結(jié)力。

　　膠體由于脫水或質(zhì)點(diǎn)凝聚作用,而逐漸產(chǎn)生凝膠。凝膠體具有固體性質(zhì),在長期應(yīng)力作用下又具有粘性液體的流動(dòng)性質(zhì)。這是由于固體微粒表面有一層吸附膜,膜層越厚,流 動(dòng)性越大。如:混凝土的強(qiáng)度及變形性質(zhì)與水泥水化形成的凝膠體有很大的關(guān)系。

　　非晶體材料在外力作用下,其彈性變形和塑性變形沒有明顯的界限,一般會(huì)同時(shí)產(chǎn)生 彈性變形和塑性變形。

　　2.亞微觀結(jié)構(gòu)

　　亞微觀結(jié)構(gòu)也稱為細(xì)觀結(jié)構(gòu)。一般是指用光學(xué)顯微鏡所能觀察到的材料結(jié)構(gòu)。儀器的放大倍數(shù)可達(dá)一千倍左右,能有幾千分之一毫米的分辨能力,可分析材料的結(jié)構(gòu)組織分析天然巖石的礦物組織;分析金屬材料品粒的粗細(xì)及其金相組織,如鋼材中的鐵素體、珠光體、滲碳體等組織;觀察木材的木纖維、導(dǎo)管、髓線、樹脂道等顯微組織;分析組成混凝土材料的粗細(xì)骨粒、水泥石(包括水泥的水化產(chǎn)物及未水化顆粒)以及孔隙等。

　　材料內(nèi)部各種組織的性質(zhì)各不相同,這些組織的特征、數(shù)量、分布,以及界面之間的結(jié)合情況都對建筑材料的整體性質(zhì)起著重要的影響作用。因此,研究分析材料的亞微觀結(jié)構(gòu)是有其非常重要意義的。

　　3.材料的宏觀結(jié)構(gòu)

　　建筑材料的宏觀結(jié)構(gòu)是指用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。其尺寸約為毫米級大小,以及更大尺寸的構(gòu)造情況。因此,這個(gè)層次的結(jié)構(gòu)也可以稱為宏觀構(gòu)造。

　　建筑材料的宏觀結(jié)構(gòu)(構(gòu)造) ,按孔隙尺寸可以分為:

　　(1)致密結(jié)構(gòu)基本上是無孔隙存在的材料。例如鋼鐵、有色金屬、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等。

　　(2)多孔結(jié)構(gòu)是指具有粗大孔隙的結(jié)構(gòu)。如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料、人造輕質(zhì)材料等。

　　(3)微孔結(jié)構(gòu)是指微細(xì)的孔隙結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)材料時(shí),增加拌和水量或摻入可燃性摻料,由于水分蒸發(fā)或燒掉某些可燃物而形成微孔結(jié)構(gòu)。如石膏制品、黏土磚瓦等。

　　按構(gòu)成形態(tài)可分為:

　　(1)聚集結(jié)構(gòu)是由骨料與膠凝材料結(jié)合而成的材料。它所包括的范圍很廣,如水泥混凝土、砂漿、瀝青混凝土、石棉水泥制品、木纖維(或刨花)水泥板,以及燒土制品、陶瓷、增強(qiáng)塑料等材料均可屬于這類結(jié)構(gòu)。

　　(2)纖維結(jié)構(gòu)是指木材纖維、玻璃纖維及礦物棉等纖維材料所具有的結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是平行纖維方向與垂直纖維方向的強(qiáng)度及導(dǎo)熱性等性質(zhì)都具有明顯的方向差異,即各 性性質(zhì)。其使用方式有散鋪、制成氈片或織物,以及膠結(jié)成板材等。

　　(3)層狀結(jié)構(gòu)采用粘結(jié)或其他方法將材料疊合成層狀的結(jié)構(gòu)。如膠合板、木質(zhì)疊合人造板、紙面石膏板、蜂窩夾芯板、隔熱芯料金屬板和層狀填料塑料板等。

　　(4)散粒結(jié)構(gòu)是指松散顆粒狀結(jié)構(gòu)。如混凝土骨料、用做絕熱材料的粉狀或粒狀的填充料等。

　　從宏觀、亞微觀和微觀三個(gè)不同層次的結(jié)構(gòu)上來研究建筑材料的性質(zhì)才能深入其本質(zhì),對改進(jìn)與提高材料性能以及開發(fā)新型材料都有著重要意義。

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