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第 一 章 土木工程材料的基本性质Introduction to Civil Engineering Materials 三问：What ? How ? Which ? 土木工程要求材料具备什么性能（What）? 土木工程材料如何满足工程要求（How）? 本章学习哪些内容（Which）? 土木工程的功能 要求的材料性能 承受荷载 长期可靠性 防水、隔热 隔声、防火 采光、绝缘 不污染环境 强度、刚度 耐久性 物理性能 安全性 土木工程材料如何满足性能要求？ 材料的组成 材料的结构 材料的构造 材料的复合 本 章 主 要 内 容 材料的组成与结构 材料的技术性能及其测试方法 材料组成、结构与性能间的关系 学 习 目 的 通过本章学习，掌握各类土木工程材料的“来龙去脉”，为自己成为一名称职的“土木工程师”打下工程材料学基础。 §1.1 土木工程材料的组成与结构Composition and Structure of Civil Engineering Materials 组成 化学组成 物相组成 结构 微观结构 细观结构 宏观结构 一、材料的组成 材料均由各种物相组成 每种物相由化合物组成 化合物由分子组成 分子由原子组成 物相组成 固相 连续相 分散相：纤维与颗粒 气相 液相 矿物组成 矿物 具有一定化学组成和结构特征的天然化合物或单质，也指具有特定晶体结构、特定物理力学性能，类似于天然矿物的物相或化合物。 矿物组成 土木工程材料中的矿物种类及其含量。 例如： 化学组成 化学组成——化学成分是指材料中各物相所含元素或单质与化合物的种类和总含量。 例如： 钢材中四种矿物相所含的化学元素是： Fe、C及其它微量元素（Cr、Mn、Ni等）； 生石灰的化学组成是：CaO，熟石灰的组成是Ca(OH)2； 水泥中四种矿物相所含的化合物是： CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等。 聚氯乙烯塑料的化学组成有： PVC树脂（[-CH－CHCl-]n）、二丁酯、CaCO3等。 化学组成与矿物组成的关系 化学组成相同，其矿物组成不一定相同； 例如：半水石膏的化学成分为CaSO4?0.5H2O，但它有?-、?-、?- 等3种矿物相。 不同的矿物相，其化学组成可能相同。 例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是CaO和SiO2。 矿物组成相同，其化学组成一定相同。 材料组成与性能的关系 土木工程材料的组成不同，其性能可完全不同。 例如： 生石膏CaSO4·2H2O与熟石膏CaSO4·0.5H2O的差别在所含H2O的数量不同，因而，后者有水化活性，而前者没有； 纯铁强度不高且较柔软，而钢较强韧，生铁较硬脆， 其主要原因是它们的含C量百分之几的微小差别； 聚氯乙烯树脂[-CH2-CHCl-]n 与聚乙烯醇[-CH2-CHOH-]n ，在组成上,前者的大分子链上含Clˉ 离子，而后者含OHˉ 离子，因而，后者是水溶性的，而前者不是。 ……等等。 二、 材料的结构 Summary 材料的结构——材料所含各物相(固、液、气)的形态、尺寸、堆积方式和分布情况；构成各物相的质点的堆积方式和分布情况； 根据分辨率的大小，材料结构分为宏观、细观和微观三个层次； 材料的结构取决其组成和制造工艺及其条件(温度、压力等)； 相同组成的材料可以有不同的结构； 相同结构的材料可以有不同的组成。 以混凝土为例 1. 宏观构造 材料构造是指宏观的组织状态和具有特定性质的材料单元的组合情况，其尺寸范围在10-3m以上，肉眼可分辨。如： 材料内部的孔隙特征和孔结构； 混凝土中砂、石和水泥石的堆积和分布情况； 纤维增强复合材料中的纤维分布状态等。 2 . 细观结构 材料是由多物相和多晶体构成的。 细观结构的尺寸范围为10-6~10-3m，它是指材料内部组织结构和各物相的堆积结构。 如： 钢材的晶体组织在常温下由铁素体、珠光体和渗碳体； 岩石、陶瓷、水泥石中各矿物相 的堆积结构等； 高分子材料中晶相与非晶相的堆积结构。 3. 微观结构 微观结构—指尺寸范围在10-10~10-6m内，组成材料的化合物或 矿物的组织状态，是分子、原子与离子排列、连接的结构状态。 根据排列有序与无序，微观结构分为 晶 体（有序、重复排列） 非晶体（无序连接） 玻璃体 胶 体 晶 体 结构特点 晶体结构中，质点（离子、原子或分子）作三维空间有序堆