2.5 材料的組成、結構和構造及其對材料性能的影響

2.5.1 材料的組成及其對材料性質的影響

材料的組成包括材料的化學組成、礦物組成和相組成。它不僅影響著材料的化學性質，也是決定材料物理性質和力學性質的重要因素。

1．化學組成

化學組成是指構成材料的化學元素及化合物的種類和數量。當材料與自然環境及各類物質相接觸時，它們之間將依照化學變化規律發生作用。如鋼材和其他金屬材料的銹蝕、材料的可燃性和耐火性、混凝土受到酸、堿、鹽類物質的侵蝕等都屬于化學作用。材料這些方面的性質均是由其化學組成所決定的。

2．礦物組成

礦物是指無機非金屬材料中具有特定的晶體結構和特定物理力學性能的組織結構。礦物組成是指構成材料的礦物種類和數量。如大理石的主要礦物組成為白云石、方解石及少量石英，所以大理石不耐酸腐蝕，酸雨會使大理石中的方解石腐蝕成石膏，致使石材表面失去光澤；花崗巖的主要礦物組成為長石、石英及少量云母，酸性巖石多，決定了花崗巖耐酸性好，但耐火性較差；硅酸鹽類水泥的主要礦物組成為鋁酸鈣、硅酸鈣及鐵鋁酸鈣等，決定了水泥容易水化為堿性凝膠體，且具有凝結硬化的性能；石英砂的主要礦物組成為石英，如果其中含有蛋白石、玉髓，則易降低水泥混凝土的耐久性。

3．相組成

材料中結構相近、性質相同的均勻部分稱為相。自然界中的物質可分為氣相、液相、固相三種形態。即使是同種物質，在不同的溫度、壓力等條件下，也經常會轉變其存在狀態，如氣相變為液相或固相。凡由兩相或兩相以上的物質組成的材料稱為復合材料。建筑材料大多數是復合材料，如鋼筋混凝土、瀝青混合料、塑料泡沫夾心壓型鋼板，它們的配比和構造形式不同，材料性質變化可能很大。

2.5.2 材料的結構及其對材料性質的影響

材料的結構分為宏觀結構、細觀結構和微觀結構。材料的結構是決定材料性質非常重要的因素。

1．宏觀結構

宏觀結構是指用肉眼或放大鏡就能夠觀察到的粗大組織，其尺寸在10-3m以上。建筑材料的宏觀結構，按其孔隙特征分為致密結構、多孔結構。

（1）致密結構。

致密結構是指材料內部基本上無空隙，結構密實。這類材料一般具有吸水率低、抗滲性和抗凍性好、強度較高等性質。如鋼材、致密的天然石材、玻璃和瀝青等。

（2）多孔結構。

多孔結構是指材料內部具有大致呈均勻分布的、獨立的或部分相通的孔隙。孔隙又有大孔和微孔之分。這類材料一般質輕，吸水率高，抗滲性和抗凍性差，但保溫、隔熱、吸聲性好，如加氣混凝土、石膏制品、泡沫塑料、多孔磚等。

建筑材料的宏觀結構，按其組織構造特征分為纖維結構、層狀結構、散粒結構和聚集結構。

（1）纖維結構。

纖維結構是指由天然或人工合同纖維物質構成的結構。這類材料纖維之間存在相當多的孔隙，平行纖維方向的強度較高，一般具有較好的保溫隔熱和吸聲性能。如木材、竹、礦棉、鋼纖維、玻璃纖維等。

（2）層狀結構。

層狀結構是指由天然形成或人工黏結等方法將材料疊合成層狀的結構。這一類材料每一層性質可能不同，但疊合后綜合性質較好，顯著提高了材料的強度、硬度、絕熱或裝飾等性能，擴大了使用范圍。如紙面石膏板、膠合板、蜂窩板、泡沫壓型鋼板復合墻等。

（3）散粒結構。

散粒結構是指材料呈松散顆粒狀的結構，顆粒分為密實顆粒與輕質多孔顆粒。前者如砂子、石子等，因其致密、強度高，所以，適合做混凝土集料。后者如膨脹珍珠巖、陶粒等，因其多孔結構，所以，適合做絕熱材料。這類材料的性質除了與顆粒本身的性質有關外，還與顆粒間的接觸程度、黏結性質等有關。

（4）聚集結構。

聚集結構是指由集料與具有膠凝性或黏結性物質膠結而成的結構。如砂漿、混凝土等。

2．細觀結構

細觀結構，又稱為亞微觀結構，是指在光學顯微鏡下能觀察到的結構，其尺寸范圍為10-3～10-6m。建筑材料的細觀結構，只能針對某種具體的建筑材料來進行分類研究，如木材可分為木纖維、導管髓線、樹脂道；混凝土可分為基相、集料相、界面相；天然巖石可分為礦物、晶體顆粒、非晶體組織；鋼鐵可分為鐵素體、滲碳體、珠光體。

材料細觀結構層次上的各種組織的特征、數量、分布及界面性質對建筑材料的性能有著重要的影響。

3．微觀結構

材料微觀結構是指用電子顯微鏡或X射線來分析研究材料的原子、分子層次的結構的特征，其尺寸范圍為10-6～10-10m。材料的微結構決定著材料的許多基本性質，如強度、硬度、熔點、導熱性、導電性等。根據質點在空間中分布狀態不同，材料微觀結構可分為晶體、玻璃體和膠體。

（1）晶體。

晶體是指質點（離子、原子、分子）在空間上，按特定的規則、呈周期性排列的固體。晶體結構的特點：具有特定的幾何外形、固定的熔點、各向異性及化學穩定性。按組成晶體的質點及化學鍵的不同。晶體可分為以下幾種：

原子晶體：中性原子以共價鍵結合而形成的晶體，如石英等。

離子晶體：正負離子以離子鍵結合而形成的晶體，如NaCl等。

分子晶體：以分子間的范德華力即分子鍵結合而成的晶體，如有機化合物。

金屬晶體：以金屬陽離子為晶格，由自由電子與金屬陽離子間的金屬鍵結合而成的晶體，如鋼材等。

從鍵的結合力來看，共價鍵和離子鍵最強，金屬鍵較強，分子鍵最弱。如纖維狀礦物材料石棉，纖維與纖維之間的分子鍵結合力要比纖維內鏈狀結構方向上的共價鍵力弱得多，這類材料易分散成纖維狀，強度具有方向性；如云母、黏土、滑石等結構層狀材料的層間鍵力是分子力，結合力較弱，這類材料容易剝成薄片；島狀材料如石英，硅、氧原子以共價鍵結合成四面體，四面體在三維空間形成立體空間網架結構，故其結構強度較大、質地堅硬。

（2）玻璃體。

玻璃體是指熔融物質在急速冷卻時，質點來不及或因某種原因不能按規則排列就產生凝固所形成的結構。玻璃體亦稱為無定形體或非晶體，其結構特征為質點在空間上呈非周期性排列。

玻璃體是化學不穩定結構，易與其他物質起化學反應，具有良好的化學活性。如生產水泥熟料時，硅酸鹽從高溫水泥回轉窯急速落入空氣中，急冷過程使它來不及作定向排列，質點間的能量只能以內能的形式儲存起來，具有化學不穩定性，能與水反應產生水硬性；火山灰、粉煤灰、水淬粒化高爐礦渣等玻璃體材料，能與石膏、石灰在有水的條件下水化和硬化，常被大量用作硅酸鹽水泥的摻和料，以改善水泥性質。

（3）膠體。

膠體是指由固體顆粒（粒徑為10-7～10-10m）分散在連續介質中所形成的分散體系。

在膠體結構中，若膠粒數量較少，液體性質對膠體結構的強度及變形性質影響較大，這種結構稱為溶膠結構。若膠粒數量較多，膠粒在表面能作用下發生凝聚，或者由于物理化學作用而使膠粒彼此相連，形成空間網絡結構，從而使膠體的強度增大，變形性減小，形成固體狀態或半固體狀態，這種結構稱為凝膠結構。

膠體在建筑材料中有廣泛的應用，如液體瀝青、涂料、硬化水泥漿體就是膠體結構。膠體結構與晶體和玻璃體結構相比，強度較低，變形較大。

2.5.3 材料的構造及其對材料性質的影響

材料的構造是指具有特定性質的材料結構單元互相組合搭配的情況。與結構相比，構造更強調相同材料或不同材料間的搭配與組合關系。如具有特定結構的節能墻板，是由不同性質的材料經一定的搭配與組合而成的一種復合材料。這種構造賦予了墻板良好的隔聲吸聲、隔熱保溫、防火抗震、堅固耐久等的整體功能和綜合性質。

隨著材料科學和工程理論與技術的日益發展，不斷深入研究材料的組成、結構、構造和材料性能之間的關系，不僅有利于為包括土木工程在內的各種工程正確選用材料，而且還會加速實現按所需性能來設計與研制新型材料的目標。

【案例分析2.1】

最大的海難——泰坦尼克號的沉沒

現象：1912年，當時世界上最大的客船泰坦尼克號初航，不幸撞上冰山，35cm厚的船鋼板在水位線處像拉鏈拉開一樣被撕裂，海水排山倒海般涌向船內，約3小時后沉沒。

原因分析：泰坦尼克號所用的鋼板，經過抗壓強度試驗，其抗壓強度比現代鋼材還要高。但對其做鋼材沖擊韌性試驗，發現鋼材斷裂時吸收的沖擊功很低，是韌性差的脆性材料。經化學分析顯示，該鋼材的含硫量較高，硫致使鋼材的脆性增加。

【案例分析2.2】

鑄鐵造橋釀成災難

現象：1878年6月，英國人用鑄鐵在北海的Tay灣上建造了全長3160m、單跨73.5m的跨海大橋，采用梁式桁架結構，在石材和磚砌筑的基礎上采用鑄鐵管做橋面。結果建成不到兩年，在一個臺風襲擊的夜晚，在臺風加上火車沖擊荷載的作用下橋墩脆斷、橋梁倒塌、車毀人亡。

原因分析：塌橋災難主要是由于鑄鐵的橋墩在沖擊荷載作用下發生脆斷所造成的。在那之后，人們對鋼材和鑄鐵這兩種材料進行了深入的性能比較研究，發現鋼材不僅具有很高的抗壓強度，同時也具有很高的抗拉強度和抗沖擊韌性。從此以后，人們開始采用鋼材建造橋梁，并逐步完善其結構設計和施工技術，不斷刷新橋梁跨度的記錄。