1.1　材料的組成、結構與構造及其對材料性質的影響

影響材料性質的因素有外部因素和內部因素，內部因素是指材料的組成、結構和構造，外部因素是指外界環境介質。外部因素影響材料性質要通過內部因素才能起作用，所以對材料性質起決定性作用的是其內部因素。因此，下面重點分析材料的組成、結構和構造與材料性質的關系。

1.1.1　材料的組成

材料的組成包括材料的化學組成、礦物組成和相組成。它不僅影響材料的化學穩定性，而且也是決定材料物理及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或化合物的種類及數量。

當材料與外界環境介質接觸時，它們之間必然按化學變化規律發生作用。比如混凝土受到酸、堿、鹽的侵蝕作用，鋼材的銹蝕等都屬于化學作用。材料有關這方面的性質都是由化學組成所決定的。

對于化合物，一般用氧化物的形式表示，包括酸性氧化物和堿性氧化物。

（2）礦物組成

礦物組成是指構成材料的礦物種類和數量。礦物是指無機非金屬材料中具有一定化學成分和特定的晶體結構及物理力學性能的單質或化合物。

化學組成相同的材料，由于礦物組成不同，其性質有可能不同。例如，由石灰（CaO）、砂（SiO2）和水在常溫下硬化而成的石灰砂漿與在高溫高濕條件下硬化而成的灰砂磚性能有較大差別。

對于某些土木工程材料來說，如天然石材、無機膠凝材料等，決定材料性質的關鍵因素是其礦物組成。比如水泥的礦物成分有3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3，改變這四種礦物成分相對比例，可以制成不同性能水泥。

（3）相組成

材料中具有相同物理、化學性質的均勻部分稱為相。自然界中的物質可分為氣相、液相和固相。土木工程材料復合材料可看作是多相固體。例如，混凝土可認為是集料顆粒（集料相）分散在水泥漿基體（基相）中所組成的復合材料。

復合材料的性質與材料的相組成及界面特性有密切關系。所謂界面是指多相材料中相與相之間的分界面，在實際材料中，界面是一個薄弱區，它的成分和結構與相內是不一樣的，它們之間是不均勻的，可作為“界面相”來處理。通過改變和控制材料的相組成，可以改善和提高材料的技術性能。

1.1.2　材料的結構

材料的結構對材料的性質有重要影響。材料的結構一般分為宏觀、細觀和微觀三個層次。

（1）宏觀結構

土木工程材料的宏觀結構是指肉眼可以看到或借助放大鏡可觀察到的粗大組織，其尺寸在10-3m級（毫米級）以上。這是最粗的一種結構形式，可按孔隙特征和構造特征分為多種結構形式。

①散粒結構

散粒結構的材料是由單獨的松散顆粒組成。顆粒有密實顆粒與輕質多孔顆粒之分。前者如砂子、石子等，因其結構致密、強度高，適合做承重的混凝土集料。后者如陶粒、膨脹珍珠巖等，為多孔結構，適合做絕熱材料。散粒結構的材料，顆粒間多存在大量的空隙，其空隙率主要取決于顆粒級配。

②聚集結構

聚集結構是指材料中的顆粒通過膠凝材料彼此牢固地結合在一起而形成的結構形式。具有這種結構的材料種類繁多，如各種水泥混凝土、砂漿、瀝青混凝土，某些天然巖石等；建筑陶瓷和燒結磚也屬于這種結構，陶瓷是焙燒過程中玻璃相結合晶體顆粒形成的材料，而燒結磚是玻璃相結合未熔融的黏土顆粒形成的材料。

③多孔結構

多孔結構的材料中含有大量的、粗大或微小的（10-3～1mm）、均勻分布的孔隙，這些孔隙或者封閉，或者連通。這是加氣混凝土、泡沫混凝土、發泡塑料、石膏制品、黏土磚瓦等所特有的結構。具有多孔結構的材料，其性質決定于孔隙的特征、多少、大小及分布情況。一般來說，這類材料的強度較低，抗滲性和抗凍性較差，吸水性較大，保溫隔熱性較好。

④致密結構

致密結構的材料在外觀上和內部結構上都是致密的。如鋼材、玻璃、天然石材、塑料等材料具有這種結構特征。這種材料內部基本上無孔隙，其特點是強度和硬度高，吸水性小，抗滲性和抗凍性較好，耐磨性較好，保溫隔熱性差。

⑤纖維結構

纖維結構的材料內部組成有方向性，縱向較緊密而橫向較疏松，組織中存在相當多的孔隙。這類材料在平行纖維方向和垂直纖維方向上的強度、導熱性及其他一些性質明顯不同，即各向異性，如木材、玻璃纖維、石棉等。

⑥層狀結構

層狀結構（或稱疊合結構）是板材常見的結構。它是將材料疊合成層狀，用膠結材料或其他方法將它們結合成整體。如木膠合板、紙面石膏板、塑料貼面板等。層狀結構每一層的材料性質不同，但疊合成層狀構造的材料后，可獲得平面各向同性，更重要的是可以顯著提高材料的強度、硬度、絕熱性或裝飾性等性質，擴大其使用范圍。比如木膠合板，由于每層木片的纖維方向是相互正交的，因而可減少收縮率、強度等性質在不同方向上的差別；又如紙面石膏板，由于表層紙的護面和增強作用，提高了石膏板的抗折強度。

（2）細觀結構

細觀結構（原稱亞微觀結構）是指用光學顯微鏡可以觀察到的微米級的組織結構。其尺寸范圍在10-3～10-6m。該結構主要研究材料內部晶粒的大小和形態、晶界或界面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分布。土木工程材料的細觀結構，只能針對某種具體材料來進行分類研究。如對混凝土可分為基相、集料相、界面相；對天然巖石可分為礦物、晶體顆粒、非晶體組織；對鋼材可分為鐵素體、珠光體、滲碳體；對木材可分為木纖維、導管、髓線、樹脂道。研究金屬材料亞微觀結構的方法稱為金相分析，通過顯微鏡可以觀察到金屬的顯微形貌圖像。研究非金屬材料（巖石、水泥、陶瓷等）亞微觀結構的方法稱為巖相分析，通過顯微鏡可以分析出其亞微觀結構，包括：

①晶相種類、形狀、顆料大小及其分布情況；

②玻璃相的含量及分布；

③氣孔數量、形狀及分布。

材料細觀結構層次上的這些組織的特征、數量、分布和界面性質對材料的強度、耐久性等性能有很大的影響。一般而言，材料內部的晶粒越細小、分布越均勻，則材料的受力狀態越均勻、強度越高、脆性越小、耐久性越高；晶粒或不同組成材料之間的界面黏結越好，則材料的強度和耐久性越好。

（3）微觀結構

微觀結構是指借助電子顯微鏡或X射線，可以觀察到的材料的原子、分子級的結構，微觀結構的尺寸范圍在10-10～10-6m。材料的許多性質如強度、硬度、彈塑性、熔點、導熱性、導電性等性能都是由其微觀結構所決定的。

材料微觀結構可分為晶體、玻璃體、膠體三種形式。

①晶體

晶體是內部質點（原子、離子、分子）在空間上按特定的規則呈周期性排列時所形成的結構。借助于點線將質點連接起來所構成的幾何空間格架稱為晶格，而把構成晶格的最基本單元稱為晶胞，晶胞的各邊尺寸稱為晶格常數。按晶格的幾何形狀不同，自然界中的晶體共包括24種晶格，比如最常見的立方晶格、正方晶格、斜方晶格、六方晶格等。

晶體分為單晶體和多晶體，土木工程材料大多為多晶體材料。單晶體及多晶體材料具有如下特點：

a.具有固定的熔點和化學穩定性，這是晶體內部質點按能量最小原則排列所決定的。

b.單晶體具有規則的幾何外形，這是晶體內部質點呈規則排列的外部表現。但多晶體材料由于是由大量晶胞形成的晶粒呈雜亂無章排列而形成的，它的幾何外形是多變的。

c.單晶體具有各向異性的性質，但多晶體材料則是各向同性的。

晶體的各種物理力學性質，除與各質點的排列方式有關外，還與組成晶體的質點類型及質點間的結合鍵有關。根據組成晶體的質點及結合鍵的不同，晶體可分為如下幾類：

a.原子晶體。若質點為中性原子，則由中性原子以共價鍵結合而成的晶體稱為原子晶體（亦稱共價鍵晶體），其強度、硬度及熔點均最高，而密度小，如石英、金剛石、剛玉等。

b.離子晶體。若質點為離子，則由正負離子以離子鍵結合而成的晶體稱為離子晶體，其強度、硬度及熔點均較高，密度中等，但不耐水。土木工程材料中許多無機非金屬材料多是以離子晶體為主構成的材料，如石膏、石灰、某些天然石材及人工材料等。

c.分子晶體。若質點為分子，則分子或分子團之間依靠分子間范德華力結合而成分子晶體。分子晶體結構材料中質點間范德華力這種結合鍵較弱，只能在某些環境條件下才具有較可靠的物理力學性能，一般環境中其強度、硬度及熔點都很低，溫度敏感性強，密度較小。如土木工程中常用的水及水性乳液、石蠟及部分有機化合物等。

d.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稱為金屬晶體。由于電子在材料中可以自由穿梭，所以金屬的導熱性和導電性好；電子既然可到處穿梭，就可以與陽離子任意結合，所以說它有良好的鍵結合性，即金屬的延展性良好，不易被撕裂。土木工程中常用的金屬晶體材料有生鐵、鋼材、鋁材、銅材等。

②玻璃體

將熔融物質迅速冷卻（急冷），使其內部質點來不及按規則排列就凝固，這時形成的物質結構即為玻璃體，又稱為無定形體或非晶體。玻璃體的結合鍵為共價鍵或離子鍵。玻璃體無固定的幾何外形，具有各向同性，破壞時也無清晰的解理面，加熱時無固定的熔點，只出現軟化現象。

由于玻璃體在凝固時質點來不及作定向排列，質點間的能量只能以內能的形式儲存起來，因此，玻璃體具有化學不穩定性，亦即存在化學潛能，在一定的條件下，易與其他物質發生化學反應。例如水淬粒化高爐礦渣、火山灰等均屬玻璃體，經常大量用作硅酸鹽水泥的摻合料，以改善水泥性能。玻璃體在燒土制品或某些天然巖石中，起著膠黏劑的作用。

③膠體

物質以極其微小的顆粒（粒徑為10-9～10-7m）分散在連續相介質中形成的結構，稱為膠體。其中分散粒子一般帶有電荷（正電荷或負電荷），而介質帶有相反的電荷，從而使膠體保持穩定性。由于膠體的質點很微小，表面積很大，因而表面能很大，有很強的吸附力，土木工程中常利用膠體材料的這種吸附能力來黏結其他材料。

在膠體結構中，若膠粒較少，則液體性質對膠體結構的強度及變形性質影響較大，這種膠體結構稱為溶膠結構。溶膠具有較大的流動性，土木工程材料中的涂料就是利用這一性質配制而成的。若膠粒數量較多，則膠粒在表面能的作用下產生凝聚作用或由于物理化學作用而使膠粒產生彼此相連，形成空間網絡結構，從而使膠體結構的強度增大，變形性能減小，形成固態或半固態，此膠體結構稱為凝膠結構。凝膠具有觸變性，即凝膠被攪拌或振動，又能變成溶膠。水泥漿、新拌混凝土、膠黏劑等均表現出觸變性。當凝膠完全脫水硬化變成干凝膠，它具有固體的性質，即產生強度。硅酸鹽水泥的主要水化產物最后形成的物質就是干凝膠體。

膠體結構與晶體及玻璃體結構相比，強度較低、變形較大。

1.1.3　材料的構造

材料的構造是指具有特定性質的材料結構單元間的相互組合搭配情況。構造概念與結構概念相比，更強調了相同材料或不同材料的搭配組合關系。如木材的宏觀構造和微觀構造，就是指具有相同材料結構單元（木纖維管胞）按不同的形態和方式在宏觀和微觀層次上的組合和搭配情況。它決定了木材的各向異性等一系列物理力學性能。又如具有特定構造的節能墻板，就是由不同性質的材料經特定組合搭配而成的一種復合材料，這種構造賦予墻板良好的保溫隔熱、吸聲隔聲、防火抗震、堅固耐久等整體功能和綜合性質。

綜上所述，材料由于組成、結構、構造不同，而使其材料的性質各具特色，因此，理解材料的組成、結構、構造與材料性質間的關系，對于掌握材料性質、合理利用材料，或進一步改善和提高材料的性能并研制性能優良的復合材料，都是非常重要的。