材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)、材料的性能與應(yīng)用

1、第十一講  材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)、材料的性能與應(yīng)用。        一、內(nèi)容提要：本講主要是講解材料的物理性質(zhì)、材料的力學(xué)性質(zhì)、石膏膠凝材料、石灰膠凝材料以及水玻璃等問題。  二、本講的重點(diǎn)：石膏膠凝材料和石灰膠凝材料的性能與應(yīng)用。 本講的難點(diǎn)是：材料的物理性質(zhì)、材料的力學(xué)性質(zhì)中一些概念的區(qū)分以及一些指標(biāo)的計(jì)算。          三、    內(nèi)容講解： 1、&#

2、160;   材料科學(xué)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識  1.    1材料的組成：是指材料的化學(xué)成分或礦物成分。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。            各種材料具有本身特有的化學(xué)成分和礦物成分，不同組成的材料，各具不同的化學(xué)、物理及力學(xué)性質(zhì)，因此，材料組成是材料性質(zhì)的基礎(chǔ)，對材料的性質(zhì)起著決定性作用。 1.2材料的結(jié)構(gòu)    

3、   材料結(jié)構(gòu)一般分為宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)三個(gè)層次。材料的微觀結(jié)構(gòu)是指物質(zhì)的原子、分子層次上的結(jié)構(gòu)，決定著材料的強(qiáng)度、硬度、彈塑性等性質(zhì)。    材料的結(jié)構(gòu)是指組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)是以什么形式聯(lián)結(jié)在一起，物質(zhì)內(nèi)部這種微觀結(jié)構(gòu)， 與材料的物理、力學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系。        固態(tài)物質(zhì)按其內(nèi)部原子的排列情況可以分為兩大類：晶體與非晶體。在晶體中，原子(或分子)在三維空間做有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；非晶體則不然，原子(或分子)散亂 分布，或者只有些局部的短程規(guī)則排

4、列。這一點(diǎn)是晶體與非晶體的根本區(qū)別。一般固態(tài)金屬與合金都是晶體，而玻璃類物質(zhì)是非晶體。      由于內(nèi)部原子的排列情況不同，晶體與非晶體的性質(zhì)也不同。構(gòu)成晶體的質(zhì)點(diǎn)是按一定的規(guī)則在空間呈有規(guī)律的排列，因此晶體具有一定的幾何外形和固定的熔點(diǎn)，顯示各向異性，但實(shí)際應(yīng)用的晶體材料，通常是由許多細(xì)小的晶粒雜亂排列而成，故晶體材料在宏觀上顯示為各向同性。晶體也存在缺陷，晶體缺陷影響著材料的性質(zhì)。而非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，沒有固定的幾何外形，各向同性，固態(tài)的非晶體實(shí)際上是一種過冷狀態(tài)的液體，也稱為玻璃態(tài)。     &

5、#160;   材料的化學(xué)成分相同，如果所形成的結(jié)構(gòu)不同，其性能差異也很大。如石英和硅藻土，其成分雖然都是二氧化硅，但其性能相差很大。  2、    材料的基本性質(zhì)： (3)材料的親水性與憎水性 材料的親水性：材料在空氣中與水接觸時(shí)，能被水潤濕的性質(zhì)，稱材料的親水性，如磚、砼、木材等。 材料的憎水性：材料在空氣中與水接觸時(shí)，不能被水潤濕的性質(zhì)，稱材料的憎水性，如石蠟、瀝青        (4)材料的吸水性與吸濕性   

6、0; 材料的吸水性：是指材料在水中吸收水分的性質(zhì)。材料的吸水性以吸水率表示。 材料的吸水性與材料的孔隙率和孔隙特征有關(guān)。     吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收水分的性質(zhì)稱為吸濕性。潮濕材料在干燥空氣中也會放出水分，稱為材料的吸濕性。材料的吸濕性用含水率表示；含水率系指材料內(nèi)部所含水的質(zhì)量占材料干質(zhì)量的百分率。           (5)材料的抗?jié)B性與耐水性        

7、60;材料的抗?jié)B性：材料抵抗壓力水滲透的性質(zhì)稱為抗?jié)B性，或不透水性。材料的抗?jié)B性通常用滲透系數(shù)來表示。滲透系數(shù)是指一定厚度的材料，在單位壓力水頭作用下，在單位時(shí)間內(nèi)透過單位面積的水量。          材料的耐水性是指材料長期在水作用下不破壞，強(qiáng)度也不顯著降低的性質(zhì)。材料的耐水性用軟化系數(shù)來表示，可用下式表示：   (6)材料的抗凍性  ：  材料的抗凍性：材料在水飽和狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不破壞，也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)，稱為材料的抗凍性。&#

8、160;   、    。     材料的抗凍性用抗凍等級表示?？箖龅燃壥且砸?guī)定的試件、在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，測得其強(qiáng)度降低不超過規(guī)定值，并無明顯損壞和剝落時(shí)所能經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)來確定。      (七)導(dǎo)熱性與比熱     當(dāng)材料兩側(cè)存在溫度差時(shí)，熱量將由溫度高的一側(cè)，通過材料傳遞到溫度低的一側(cè)， 材料的這種傳導(dǎo)熱量的能力，稱為導(dǎo)熱性。     材料導(dǎo)熱性

9、可用導(dǎo)熱系數(shù)來表示。導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義是：厚度為lm的材料， 當(dāng)溫度改變1K時(shí)，在ls時(shí)間內(nèi)通過lm2面積的熱量。 比熱是指lkg重的材料，在溫度改變1K時(shí)所吸收或放出的熱量。 例2、    試判斷下列中說法不正確的項(xiàng)（  ） A、    材料的吸水性是指材料在浸水狀態(tài)下吸入水分的能力 B、     材料的抗?jié)B性是指材料在壓力的作用下，材料抵抗水滲透的性能，用滲透系數(shù)來表示。 C、    

10、0;材料的吸濕性是指材料吸收空氣中水分的能力。 D、    材料的軟化系數(shù)k越小，其耐水性越好。      答案為（D）  2.2、材料的力學(xué)性質(zhì)     材料的力學(xué)性質(zhì)是指材料在外力作用下的變形性和抵抗破壞的性質(zhì)。     (1)材料的強(qiáng)度與硬度     材料在外力作用下抵抗破壞的能力，稱為材料的強(qiáng)度。根據(jù)外力作用的形式不同，材料的強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度

11、等。      硬度是指材料表面抵抗硬物壓人或刻劃的能力。材料的硬度愈大，其強(qiáng)度愈高。      (2)材料的彈性與塑性     材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后能完全恢復(fù)到原始形狀的性質(zhì)稱為彈性。材料的這種可恢復(fù)的變形稱為彈性變形，彈性變形屬可逆變形，其大小與外力成正比，此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為材料的彈性模量。     材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除后，有一部分變形不能恢復(fù)，這種性質(zhì)稱為材料的塑性，這種

12、不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形，塑性變形為不可逆變形。     (3)材料的脆性與韌性     材料受外力作用，當(dāng)外力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，材料發(fā)生突然破壞，且破壞時(shí)無明顯的塑性變形，這種性質(zhì)稱為脆性，具有這種性質(zhì)的材料稱脆性材料。     材料在沖擊或振動荷載作用下，能吸收較大的能量，同時(shí)產(chǎn)生較大的變形而不破壞的性質(zhì)稱為韌性。 3、無機(jī)氣硬性膠凝材料   膠凝材料：是指在一定條件下通過自身的一系列變化而把其它材料膠結(jié)成具有強(qiáng)度的整體的材料。建筑上用來將散粒材料(如砂、石子等

13、)或塊狀材料(如磚、石塊等)粘結(jié)成為整體的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料。膠凝材料按其化學(xué)成分可分為無機(jī)膠凝材料和有機(jī)膠凝材料兩大類。  無機(jī)膠凝材料：以無機(jī)礦物為主要成分，當(dāng)其與水或水溶液拌和所形成的漿體，經(jīng)過一系列的物理化學(xué)變化后產(chǎn)生膠結(jié)力而把其它材料膠結(jié)成為具有強(qiáng)度的整體。無機(jī)膠凝材料按其硬化條件的不同又分為氣硬性膠凝材料和水硬性膠凝材料。 水硬性膠凝材料：是指既能在空氣中硬化，又能在水中硬化并保持和發(fā)展其強(qiáng)度，如硅酸鹽水泥，鋁酸鹽水泥。 氣硬性膠凝材料：是指只能在空氣中硬化，并能在空氣中保持或繼續(xù)發(fā)展其強(qiáng)度的    膠凝材料，如石膏、石灰、水玻璃等。

14、60; 石膏膠凝材料：包括建筑石膏、高強(qiáng)石膏、硬石膏水泥等，用途：可用于粉刷和制備砌筑砂漿， 還可制成各種石膏制品。   石灰是以碳酸鈣為主要成分的原料(如石灰石、白堊等)，經(jīng)過高溫下適當(dāng)?shù)撵褵?，分解和排出二氧化碳后所得到的產(chǎn)品，其主要成分是氧化鈣。    3.1、石膏膠凝材料   石膏膠凝材料是一種以粉末狀半水硫酸鈣(CaS04 H2O)為主的氣硬性膠凝材料。如建筑石膏、高強(qiáng)石膏等。生產(chǎn)石膏膠凝材料的原料有天然二水石膏、硬石膏和工業(yè)副產(chǎn)品石膏。建筑中使用最多的石膏膠凝材料是建筑石膏，其次是高強(qiáng)

15、石膏，此外還有硬石膏水泥等。    作為氣硬性膠凝材料的石膏，通常是天然二水石膏經(jīng)過低溫煅燒、脫水、磨細(xì)而成。  二水石膏在受熱脫水過程中，根據(jù)不同條件，得到各種半水石膏和無水石膏的變體，并具有各自不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。如下圖所示： 用途：（1）室內(nèi)抹灰，粉刷（2）制成多孔的石膏制品（3）制作模型或雕塑（4）制作裝飾涂料的填料以及人造大理石（5）制作各種石膏板。 （2）    高強(qiáng)石膏：是二水石膏在加壓蒸汽熱處理?xiàng)l件下，形成-半水石膏，再經(jīng)干燥、磨細(xì)制成的氣硬性膠凝材料。高強(qiáng)石膏的生產(chǎn)過程同建筑石膏類似，也是對二水古跡

16、進(jìn)行膠水處理，但是在蒸汽壓力封閉式設(shè)備內(nèi)熱處理二水石膏，或者在具有某些鹽類的水溶液內(nèi)加熱二水石膏，使其脫水為-半水石膏，然后通過干燥磨成粉狀產(chǎn)品。       高強(qiáng)石膏的密度通常為26002800 kg/m3,，初凝時(shí)間不早于3min，終凝時(shí)間不早于5min，不遲于30min。 （3）    硬石膏：即無水石膏。硬石膏膠凝材料是由天然硬石膏或人工加熱脫水所制得的無水石膏，摻加活化劑制成的粉狀物料，又稱硬石膏水泥。高溫煅燒石膏民屬于這一類。 硬石膏在活人劑的作用下，水化硬化能力增強(qiáng)，凝結(jié)

17、時(shí)間縮短，強(qiáng)度提高。 與建筑石膏相比，硬石膏膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較小，凝結(jié)時(shí)間較長，強(qiáng)度較高，具有較好的而水性，可以在一般潮濕環(huán)境中應(yīng)用，硬石膏材料具有較好的抗酸、抗堿侵蝕的能力，適合用作化學(xué)藥品倉庫的建筑材料。高溫煅燒石膏的抗水性較好，而磨性好，可以作為地板材料，故又稱為地板石膏。 例4、    指出下列錯(cuò)誤的一個(gè)（  ） A、    建筑石膏可用于室內(nèi)抹灰、粉刷，有良好的效果。 B、     建筑石膏可用于制作各種石膏板 C、 &

18、#160;   建筑石膏可用于濕度、溫度過高的環(huán)境中 D、    建筑石膏可用于制作裝飾涂料的填料，也可以制造人造大理石。 答案為：（C）  3.2石灰膠凝材料： 石灰，是建筑石灰的簡稱，是在建筑上使用最早的礦物膠凝材料之一。石灰是具有不同化學(xué)成分和物理形態(tài)的生石灰、消石灰、水硬性石灰的統(tǒng)稱。       石灰是一種氣硬性膠凝材料，它是以碳酸鈣為主要成分的原料如石灰石、白堊等，經(jīng)過高溫煅燒而成，其主要成分是氧化鈣，煅燒反應(yīng)式如下： 由于生產(chǎn)石灰的原料中常含

19、有碳酸鎂(MgC03)，所以石灰中也會含有一定量的氧化鎂(MgO)。按照建筑生石灰等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 根據(jù)氧化鎂含量的多少，石灰分為鈣質(zhì)石灰和鎂質(zhì)石灰兩類。 根據(jù)成品加工方法不同，可將石灰分成以下幾種： （1）塊狀生石灰：由原料煅燒而得的原產(chǎn)品，主要成分為氧化鈣。 （2）生石灰粉：由塊狀生石灰磨細(xì)而得的細(xì)粉，其細(xì)度一般要求為0.125毫米方孔篩 的篩余(718)，主要成分是氧化鈣。 （3）消石灰粉：將生石灰用適量水消化而得的粉末，亦稱熟石灰，主要成分為氫氧化鈣(Ca(OI-2)。 （4）石灰漿：將生石灰用過量水(約為生石灰體積的34倍)消化而得的粘稠漿體，亦稱石灰膏，主要成分為氫氧化鈣和水。如果

20、水量加得更多，所得到的白色懸濁液，稱為石灰乳。在15C時(shí)溶有03氫氧化鈣的透明液體，稱為石灰水。 石灰的消化與硬化： （1）石灰的消化： 生石灰加水變成粉末的方法稱為消化，成品稱為消石灰粉。石灰的消化過程用下面熱反應(yīng)化學(xué)式表示：石灰的消化過程是一個(gè)可逆的過程，反應(yīng)的方向取決于溫度和周圍介質(zhì)中蒸汽壓。 在常溫下，反應(yīng)向右進(jìn)行。           生石灰消化過程需要一定時(shí)間，如果生石灰消化不充分，在消石灰粉中殘留有未消化的生石灰，則在使用后，由于未消化的生石灰繼續(xù)消化，從而導(dǎo)致

21、爆裂或不正常的膨脹現(xiàn)象。     消化時(shí)間取決于周圍環(huán)境的溫度和蒸汽壓、生石灰的煅燒程度和雜質(zhì)含量、石灰塊的尺寸以及摻人的外加劑等因素。      生石灰消化成消石灰粉或石灰漿可以采用人工的方法，也可采用機(jī)械方法。一般，人工方法的勞動強(qiáng)度大，勞動條件惡劣，而且消化時(shí)間長，成品質(zhì)量不均勻，但其成本低，所以目前也常使用。         （2）石灰硬化：石灰漿體的硬化包括兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程：干燥和碳酸化。  &

22、#160;       石灰漿在干燥環(huán)境中，多余的游離水逐漸蒸發(fā)，使顆粒聚結(jié)在一起，同時(shí)生石灰漿體的內(nèi)部形成大量的毛細(xì)孔隙。另外，當(dāng)水分蒸發(fā)時(shí)，液體中氫氧化鈣達(dá)到一定程度的過飽和，從而會產(chǎn)生氫氧化鈣的析晶過程，加強(qiáng)了石灰漿中原來的氫氧化鈣顆粒之間的結(jié)合。     石灰漿能吸收空氣中的二氧化碳而碳酸化，其反應(yīng)如下  。上式表明，Ca(OH)2與C02只有在水分存在下才能發(fā)生碳酸化過程，形成碳酸鈣(CaCO3)。碳酸鈣的固相體積比氫氧化鈣的固相體積稍微增大一些，使石灰漿體的結(jié)構(gòu)更

23、加致密，所以碳酸化也是石灰硬化的原因之一。   石灰漿在凝結(jié)硬化過程中收縮極大且發(fā)生開裂，因此，石灰漿不能單獨(dú)使用，而必須摻人一些骨料最常用的是砂子。石灰砂漿中的砂子好像是砂漿中的骨架，它可減少和防止開裂。摻砂可節(jié)省石灰用量，降低成本。此外砂子可使砂漿形成較多的孔隙，以利于石灰漿內(nèi)部水分的排除和吸收二氧化碳。    石灰漿在硬化時(shí)，不但游離水分要向環(huán)境排出、，而且碳酸化反應(yīng)生成的水分也要蒸發(fā)到周圍環(huán)境中去，所以只能用于較干燥的環(huán)境，不宜用于潮濕環(huán)境和水中。 (3)石灰的應(yīng)用      （i）建筑粉刷  建筑室內(nèi)墻面和頂棚采用消石灰乳進(jìn)行粉刷，施工方便，顏色潔白，建筑中應(yīng)用十分廣泛。  (ii)建筑砂漿       石灰可以單獨(dú)或者與水泥一起配制成砂漿，用作磚墻和混凝土基層的抹灰或砌筑。 (iii)三合土和灰土  三合土是利用消石灰粉、粘土砂子加水拌和