第一篇水泥物理化學及力學基礎

第一篇水泥物理化學及力學基礎

第一章材料的微觀構造與性質第二章材料的力學性質

第三章材料的物理性質第一章

材料的微觀構造與性質

第一節(jié)晶體與非晶體第二節(jié)玻璃體第三節(jié)固溶體第四節(jié)膠體第五節(jié)表面及界面

晶體

定義：晶體是原子、離子或分子按照一定的周期性在空間排列形成具有一定規(guī)則的幾何外形的固體。第一節(jié)晶體非晶體定義：非晶體是內部質點在三維空間不成周期性重復排列的固體。如玻璃。外形無規(guī)則形狀。(1)晶體有整齊規(guī)則的幾何外形；

(2)晶體有固定的熔點，在熔化過程中，溫度始終保持不變；(3)晶體有各向異性的特點。晶體特征晶格：為了描述晶體的結構，把構成晶體的原子當成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就繪成了所表示的格架式空間結構。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為晶格。排有結構粒子的那些點叫做晶格的結點。晶胞：是衡量晶體結構的最小單元。晶體具有平移對稱性。在一個無限延伸的晶體網(wǎng)絡中取出一個最小的結構（晶體學上規(guī)定三維晶體的晶胞為平行六面體，二維晶體的晶胞為平行四邊形），使其能夠在空間內密鋪構成整個晶體，那么這個結構就叫做晶胞。簡而言之，晶胞就是晶體平移對稱的最小單位。晶系：根據(jù)晶體的特征對稱元素（即晶胞）所進行的分類。晶系分類：立方、正方、正交、單斜、三斜、六方、菱方7個晶系。分類依據(jù)：晶胞參數(shù)：a、b、c和α、β、γ表示。其中a、b和c是晶胞三個邊的長度，習慣上叫軸長，α、β和γ叫軸角，它們分別是b和c、a和c、a和b的夾角。晶系軸長軸間夾角立方a=b=c所有的夾角都等于90°正方a=b≠c所有的夾角都等于90°正交（斜方）a≠b≠c所有的夾角都等于90°單斜a≠b≠c其中有兩個夾角是90°，另一個不等于90°三斜a≠b≠c三夾角都不相同，且都不為90°六方a=b≠c夾角為90°和120°菱方a=b=c所有的夾角都相等，但不為90°各種晶系的幾何特征

晶體分類

按其結構粒子和作用力：離子晶體：結合力來自于離子鍵的靜電引力（庫侖引力）；氯化鈉原子晶體：又稱共價鍵晶體，結合力主要靠各個原子都共用某一數(shù)量的電子而產生的。鉆石、鍺和硅是重要的共價晶體。金屬晶體：由電子與陽離子之間的靜電引力，以及離子與離子之間、電子與電子之間的排斥力相互平衡而產生的結合力。分子晶體：原子間完全不共享電子，原子間靠范德華力而產生結合力。第二節(jié)玻璃體1.定義

是由于熔融物冷卻較快而形成的。當達到凝固溫度時，它還具有很大的粘度，致使原子來不及按照一定的規(guī)則排列起來，就已經(jīng)凝固為固體，從而形成玻璃體結構。玻璃是無機非晶態(tài)固體中最重要的一族。常見的玻璃體：硅酸鹽玻璃、合成樹脂和橡膠。2.性質（1）各向同性：均質玻璃在各個方向的性質如折射率、硬度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等性能相同。（2）可逆漸變性：熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉化是可逆和漸變的。（3）連續(xù)性：熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉變時物理化學性質隨溫度變化是連續(xù)的。

（4）介穩(wěn)性：當熔體冷卻成玻璃體時，它能在較低溫度下保留高溫時的結構而不變化。

介穩(wěn)性定義1：指的是系統(tǒng)遠離平衡狀態(tài),但卻能通過與外界進行物質和能量的交換而維持相對穩(wěn)定的系統(tǒng),在系統(tǒng)科學中稱之為具有耗散結構的系統(tǒng).這種系統(tǒng)雖能通過自組織作用而達到穩(wěn)定,但其穩(wěn)定性很容易被外界的微小擾動所破壞。介穩(wěn)性定義2：又稱亞穩(wěn)狀態(tài)，簡稱亞穩(wěn)態(tài)。通常指物質（包括原子、離子、自由基、化合物等各種化學物種）在某種條件下，介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間的一種化學狀態(tài)。在條件稍有變化或介穩(wěn)態(tài)物質稍受擾動、碰撞，它就會變成穩(wěn)定或更不穩(wěn)定的狀態(tài)。

當熔體冷卻成玻璃體時，這種狀態(tài)并不是出于最低的能量狀態(tài)。但是，它能較長時間在低溫下保留了高溫時的結構而不變化。第三節(jié)固溶體定義1：含有外來雜質原子的晶體稱為固體溶液，簡稱固溶體。定義2：固溶體指的是礦物一定結晶構造位置上離子的互相置換，而不改變整個晶體的結構及對稱性等。但微觀結構上如結點的形狀、大小可能隨成分的變化而改變。定義3：固溶體是指溶質原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相。

常見的固溶體：各種金屬合金。分類分類1：按溶質原子在晶格中的位置不同：

（1）置換固溶體：溶質原子占據(jù)溶劑晶格中的結點位置而形成的固溶體稱置換固溶體。（2）間隙固溶體：溶質原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。分類2：

按固溶度來分類：可分為有限固溶體和無限固溶體。無限固溶體只可能是轉換固溶體。分類3：

按溶質原子與溶劑原子的相對分布來分，可分為無序固溶體和有序固溶體。無序固溶體：認為溶質質點（原子、離子）在溶劑晶體結構中的分布是任意的、無規(guī)則的。有序固溶體：溶質質點的分布是有序的，即溶質質點在結構中按一定規(guī)律排列。第四節(jié)膠體定義：

膠體是一種分散質粒子直徑介于粗分散體系和溶液之間的一類分散體系，這是一種高度分散的多相不均勻體系。分散質粒子直徑：在1nm—100nm之間。實驗:將一把泥土放到水中,大粒的泥沙很快下沉,渾濁的細小土粒因受重力的影響最后也沉降于容器底部,而土中的鹽類則溶解成真溶液.但是,混雜在真溶液中還有一些極為微小的土壤粒子,它們既不下沉,也不溶解,人們把這些即使在顯微鏡下也觀察不到的微小顆粒稱為膠體顆粒,含有膠體顆粒的體系稱為膠體體系組成：分散相與分散介質，分散相即為分散質粒子，分散介質又稱為分散劑。分散相分散，分散介質連續(xù)。相：物理化學名詞，根據(jù)系統(tǒng)中物質存在的形態(tài)和分布不同，又將系統(tǒng)分為相（phase）。相是指在沒有外力作用下，物理、化學性質完全相同、成分相同的均勻物質的聚集態(tài)。

分類：按照分散劑狀態(tài)不同分為：

氣溶膠——以氣體作為分散介質的分散體系。其分散相可以是氣相、液相或固相。：如SO2擴散在空氣中

液溶膠——以液體作為分散介質的分散體系。其分散相可以是氣相、液相或固相。：如Fe(OH)3膠體

固溶膠——以固體作為分散介質的分散體系。其分散相可以是氣相、液相或固相。：如有色玻璃、煙水晶。性質

能發(fā)生丁達爾現(xiàn)象，聚沉，產生電泳，可以滲析，可以吸附等性質。①有丁達爾效應

當一束光通過膠體時，從入射光的垂直方向上可看到有一條光帶，這個現(xiàn)象叫丁達爾現(xiàn)象。利用此性質可鑒別膠體與溶液、濁液。②有電泳現(xiàn)象

由于膠體微粒表面積大，能吸附帶電荷的離子，使膠粒帶電。當在電場作用下，膠體微?？上蚰骋粯O定向移動。膠粒帶電情況：金屬氫氧化物、金屬氧化物的膠粒一般帶正電荷，而金屬硫化物和硅酸的膠粒一般帶負電荷。③發(fā)生布朗運動無規(guī)則運動（離子或分子無規(guī)則運動的外在體現(xiàn)）。④可發(fā)生凝聚（或稱聚沉）膠體的穩(wěn)定性介于溶液和濁液之間，在一定條件下能穩(wěn)定存在，屬于介穩(wěn)體系。

膠體具有介穩(wěn)性的兩個原因：膠體粒子在不停地做布朗運動，容易互相吸引。但是，膠體粒子可以通過吸附而帶有電荷，同種膠粒帶同種電荷，而同種電荷會相互排斥，要使膠體聚沉，就要克服排斥力，消除膠粒所帶電荷。

⑤吸附

定義：吸附是指物質（主要是固體）表面吸住周圍介質（液體或氣體）中的分子或離子的現(xiàn)象。

原因：表面層上的粒子向內的吸引力不平衡。

影響因素：吸附作用與物質的表面積有關，表面積越大，吸附能力越強。膠體是一個高度分散體系，其總表面積很大，因而膠體具有高度的吸附能力。⑥滲析

又稱透析。一種以濃度差為推動力的膜分離操作，利用膜對溶質的選擇透過性,實現(xiàn)不同性質溶質的分離。即利用半透膜能透過小分子和離子但不能透過膠體粒子的性質從溶膠中除掉作為雜質的小分子或離子的過程。電位離子反離子擴散層膠團邊界滑動面膠粒吸附層膠核ξ電位Ψ電位膠體的結構

凝膠

（1）定義：在聚沉過程中得到的產物中有一種稱作凝膠。凝膠具有有分散介質形成的蜂窩狀或由細纖維集合而成的毛細管狀結構，在其空隙中含有液體。液體部分經(jīng)蒸發(fā)干燥固化了的稱為干凝膠。水泥的水化物便是干凝膠的一種。

（2）凝膠的溶脹干凝膠吸取溶媒膨脹的現(xiàn)象稱為溶脹。如混凝土會由于吸水而少許膨脹。（3）凝膠的觸變性溶膠在靜置時變?yōu)槟z，凝膠在施加外力振動攪拌等刺激時變?yōu)槿苣z的現(xiàn)象稱為觸變性。第五節(jié)表面及界面1.表面張力和表面自由能表面：多相體系中相之間存在著界面(interface)。習慣上人們僅將氣-液，氣-固界面稱為表面(surface)。

表面張力(surfacetension)

：（實際上是表面拉力）簡單定義：液體表面層由于分子引力不均衡而產生的沿表面作用于任一界線上的張力。

解釋：通常，由于環(huán)境不同，處于界面的分子與處于相本體內的分子所受力是不同的。在水內部的一個水分子受到周圍水分子的作用力的合力為0，但在表面的一個水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對它的吸引力小于內部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內部，結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種表面收縮力稱為表面張力。（注：紅顏色部分指出了表面張力的本質）

宏觀表現(xiàn)：露水總是盡可能的呈球型（題圖），而某些昆蟲則利用表面張力可以漂浮在水面上。

其它定義：①促使液體表面收縮的力叫做表面張力。②液體表面相鄰兩部分之間，單位長度內互相牽引的力。說明：①表面張力的方向和液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個曲面的切面上。②表面張力是分子力的一種表現(xiàn)。③表面張力F的大小跟分界線MN的長度成正比。第五節(jié)表面及界面第五節(jié)表面及界面表面能引入：如果沒有外界的約束，液體傾向于形成球形小滴。將水分散成霧滴，即擴大其表面，有許多內部水分子移到表面，就必須克服表面張力對體系做功——表面功。顯然這樣的分散體系便儲存著較多的表面能(surfaceenergy)。

從能量的角度理解球形水滴：如果沒有外界的約束，液體傾向于形成球形小滴，這是由于球形的比表面積與體積的比值為最小，這種使總的表面積盡可能減小的傾向是由于總表面能傾向于最低的結果。

總表面能是表面能與比表面積的乘積。

表面能是增加單位面積的表面所需要做的功。表面張力指增加表面單位長度所需要的力。

比表面積是指單位質量物料所具有的總面積。2.界面在固相、液相、氣相之間，兩種相接觸的面稱為界面。3.吸附指物質（主要是固體）表面吸住周圍介質（液體或氣體）中的分子或離子的現(xiàn)象。4.浸潤液體慢慢滲透。放在潔凈的玻璃板上的一滴水銀，能夠在玻璃板上滾來滾去，而不附著在上面。這種現(xiàn)象叫做不浸潤。對玻璃來說，水銀是不浸潤液體。放在潔凈的玻璃板上的一滴水，會附著在玻璃板上形成薄層。這種現(xiàn)象叫做浸潤。對玻璃來說，水是浸潤液體。

《水泥與水泥混凝土》P9圖。

5.粘附指兩個發(fā)生接觸的表面之間的吸引。粘附可以用粘附功表示，即分開單位面積粘附表面所需要的功或能。影響粘附的因素包括：（1）表面污染；（2）表面的粗糙程度（原子尺度）；（3）接觸壓力。第二章材料的力學性質第一節(jié)強度第二節(jié)彈性第三節(jié)粘性第四節(jié)韌性及脆性第五節(jié)耐磨性范圍：彈性、粘性、塑性參數(shù)：強度、脆性、疲勞、韌性等。彈性：指由于外力作用而產生變形，如果除去外力，則變形就會立即消失而完全恢復原狀的一種性質。塑性：指應力達到某種程度以上，或者經(jīng)過長時間的持續(xù)所產生的變形，即使應力消失也不能完全復原的一種性質。粘性：施加于液體的應力和由此產生的變形速率以一定的關系聯(lián)系起來的液體的一種宏觀屬性。（或者：應力達到某種程度以后，變形速度將會隨著應力的增長而相應地加大的一種性質）。

原因：由于粘性的耗能作用，在無外界能量補充的情況下，運動的流體將逐漸停止下來。即粘性與時間有關。

第一節(jié)強度分類：

（1）根據(jù)外力種類的不同分為抗拉強度、抗壓強度、抗折強度、抗剪強度和抗扭強度。（2）根據(jù)加速速度的不同可以分為靜力強度和沖擊強度。原因：材料對于沖擊的抵抗有時很難根據(jù)靜力強度作出判斷，因此可以對于試件施加沖擊力，利用它在破壞所吸收的能力表示，通常將它稱為沖擊值。如：我國公路抗滑表層用集料，就提出了集料沖擊值要求。

（3）疲勞強度：荷載反復作用下，材料將會在比極限強度低的應力下破壞。

（4）徐變破壞：經(jīng)過很長時間的荷載持續(xù)作用而發(fā)生的破壞，稱為徐變破壞。徐變：材料在恒定應力（或荷載）作用下產生的與時間有關的形變。（包括粘彈性、滯彈性、粘性流動等）粘彈性：對應力的響應兼有彈性固體和粘性流體的雙重特性稱粘彈性。注：粘彈性同時具有類似固體的特性，如彈性，強度，因次穩(wěn)定性，和類似液體的特性如隨時間，溫度，負荷大小和速率而變化的流動特性。滯彈性：在彈性范圍內，應變落后于應力的行為稱為滯彈性。粘性流動：具有粘性的實際流體的運動。

徐變的應變量和應變速率都是溫度、應力條件和材料性質的函數(shù)。松弛：材料若長時間保持應變不變，則需要的應力減小。（原因：產生徐變時，如果總變形保持不變，則彈性應變會減小，從而應力也會減?。┳ⅲ盒熳兒退沙谑窍嚓P的，徐變越大，應力松弛越大，兩者在測試時可以互相替代。第二節(jié)彈性

材料的彈性特征（1）應力應變曲線

參閱《水泥與水泥混凝土》P12圖1-2-2-1。其中的直線關系即服從胡克定律。（2）彈性極限

彈性極限即指材料抵抗這一限度的外力的能力,如果繼續(xù)使用拉力擴大,就會使這個物體產生殘余變形,直至斷裂。

殘余變形：又稱不可恢復變形。材料在荷載時產生變形，卸荷載后變形只能部分恢復，不能恢復的那一部分變形稱殘余變形。

彈性后效：殘余變形中的一部分還會隨著時間的推移而逐漸消失，這樣的彈性恢復稱為彈性后效。

塑性變形（或永久變形）：殘余變形中，除掉彈性后效，最后遺留下來的變形。彈性模量（1）引言

一般地講，對彈性體施加一個外界作用（稱為“應力”）后，彈性體會發(fā)生形狀的改變（稱為“應變”）?！皬椥阅Ａ俊钡囊话愣x是：應力除以應變。例如：

線應變、剪切應變、體積應變。線應變——

對一根細桿施加一個拉力F，這個拉力除以桿的截面積S，稱為“線應力”，桿的伸長量dL除以原長L，稱為“線應變”。線應力除以線應變就等于楊氏模量E=(F/S)/(dL/L)剪切應變——

對一塊彈性體施加一個側向的力f（通常是摩擦力），彈性體會由方形變成菱形，這個形變的角度a稱為“剪切應變”，相應的力f除以受力面積S稱為“剪切應力”。剪切應力除以剪切應變就等于剪切模量G=(f/S)/a

體積應變——

對彈性體施加一個整體的壓強p，這個壓強稱為“體積應力”，彈性體的體積減少量(-dV)除以原來的體積V稱為“體積應變”，體積應力除以體積應變就等于體積模量:K=P/(-dV/V)（2）模量定義

楊氏模量，或簡稱彈性模量，又稱縱向彈性模量E：為正應力與正應變的比值。

剪切模量，又稱橫向模量或剛性模量G：為剪切應力與剪切應變的比值。體積模量K：

式中

——靜水壓應力；為體積應變。（3）彈性模量和割線模量第三節(jié)粘性1.材料的粘性變形粘性：施加于液體的應力和由此產生的變形速率以一定的關系聯(lián)系起來的液體的一種宏觀塑性。

粘性大小通常用粘度系數(shù)來表示：如果η只是溫度的函數(shù)，在一定的溫度下，η為常數(shù)，與應力、時間無關，即剪應力——剪應變率曲線為直線，斜率即為η，那么符合以上公式規(guī)律的即為牛頓流體。2.溫度對于η的影響

兩者之間有函數(shù)關系，如瀝青材料的粘溫曲線。第四節(jié)韌性及脆性1.韌性（toughness,ductility（可延展性））：即材料斷裂前吸收能量和進行塑性變形的能力。

通常用材料受力達到破壞程度所吸收的能量來表示。韌性好的材料，在斷裂前會發(fā)生較大的塑性變形。韌性大的材料能經(jīng)受高壓力和沖擊力或者具有較大的變形能。例：我國的公路抗滑表層用集料，就提出了沖擊韌性的要求。

韌性斷裂：構件經(jīng)過大量變形后而產生的斷裂。2.脆性(brittleness，fragility，脆性的：brittle,fragile)：材料受力達到一定程度時，突然發(fā)生破壞，并無明顯的變形，這種性質稱為脆性。

*：脆性材料易于發(fā)生脆斷，不僅意味著在外力做成的應力集中的條件下裂紋易于萌發(fā)，更意味著裂紋在保持尖銳的條件下迅速擴展。第五節(jié)耐磨性表征材料表面抵抗磨耗的能力。第三章材料的物理性質第一節(jié)密度、密實度及孔隙率第二節(jié)熱學性質第三節(jié)抗?jié)B性及抗凍性第一節(jié)密度、密實度及孔隙率在集料那一章介紹。第二節(jié)熱學性質1.導熱性：當材料兩面存在溫度差時，熱量從材料一面通過材料傳導至另一面的性質。導熱系數(shù)：單位厚度的材料，兩面溫度差為1K時，在單位時間內通過單位面積的熱量。

導熱系數(shù)主要取決于材料的物質結構，此外還與材料孔結構有關。由于材料密閉孔隙內的密閉空氣的導熱系數(shù)很小，所以導熱系數(shù)與孔隙率、孔隙的連通程度等有關。材料吸水、受潮或遭受冰凍后，導熱系數(shù)也會大大提高，因為水和冰的導熱系數(shù)遠大于空氣。2.

熱容量和比熱熱容量：系統(tǒng)在某一過程中，溫度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的熱量叫做這個系統(tǒng)在該過程中的“熱容量”。比熱：單位質量材料溫度升高或降低1K所吸收或放出的熱量稱為熱容量系數(shù)（或單位熱容量）或比熱。3.

導溫系數(shù)又稱熱擴散系數(shù)，是材料在受熱或冷卻時，各部分溫度趨于一致的性能，又稱熱擴散系數(shù)。是材料的導熱系數(shù)與其比熱和密度乘積的比值。第三節(jié)抗?jié)B性及抗凍性1.

抗?jié)B性