第一篇水泥物理化学及力学基础

第一篇水泥物理化学及力学基础

第一章材料的微观构造与性质第二章材料的力学性质

第三章材料的物理性质第一章

材料的微观构造与性质

第一节晶体与非晶体第二节玻璃体第三节固溶体第四节胶体第五节表面及界面

晶体

定义：晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。第一节晶体非晶体定义：非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体。如玻璃。外形无规则形状。(1)晶体有整齐规则的几何外形；

(2)晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性的特点。晶体特征晶格：为了描述晶体的结构，把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点。晶胞：是衡量晶体结构的最小单元。晶体具有平移对称性。在一个无限延伸的晶体网络中取出一个最小的结构（晶体学上规定三维晶体的晶胞为平行六面体，二维晶体的晶胞为平行四边形），使其能够在空间内密铺构成整个晶体，那么这个结构就叫做晶胞。简而言之，晶胞就是晶体平移对称的最小单位。晶系：根据晶体的特征对称元素（即晶胞）所进行的分类。晶系分类：立方、正方、正交、单斜、三斜、六方、菱方7个晶系。分类依据：晶胞参数：a、b、c和α、β、γ表示。其中a、b和c是晶胞三个边的长度，习惯上叫轴长，α、β和γ叫轴角，它们分别是b和c、a和c、a和b的夹角。晶系轴长轴间夹角立方a=b=c所有的夹角都等于90°正方a=b≠c所有的夹角都等于90°正交（斜方）a≠b≠c所有的夹角都等于90°单斜a≠b≠c其中有两个夹角是90°，另一个不等于90°三斜a≠b≠c三夹角都不相同，且都不为90°六方a=b≠c夹角为90°和120°菱方a=b=c所有的夹角都相等，但不为90°各种晶系的几何特征

晶体分类

按其结构粒子和作用力：离子晶体：结合力来自于离子键的静电引力（库仑引力）；氯化钠原子晶体：又称共价键晶体，结合力主要靠各个原子都共用某一数量的电子而产生的。钻石、锗和硅是重要的共价晶体。金属晶体：由电子与阳离子之间的静电引力，以及离子与离子之间、电子与电子之间的排斥力相互平衡而产生的结合力。分子晶体：原子间完全不共享电子，原子间靠范德华力而产生结合力。第二节玻璃体1.定义

是由于熔融物冷却较快而形成的。当达到凝固温度时，它还具有很大的粘度，致使原子来不及按照一定的规则排列起来，就已经凝固为固体，从而形成玻璃体结构。玻璃是无机非晶态固体中最重要的一族。常见的玻璃体：硅酸盐玻璃、合成树脂和橡胶。2.性质（1）各向同性：均质玻璃在各个方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能相同。（2）可逆渐变性：熔融态向玻璃态转化是可逆和渐变的。（3）连续性：熔融态向玻璃态转变时物理化学性质随温度变化是连续的。

（4）介稳性：当熔体冷却成玻璃体时，它能在较低温度下保留高温时的结构而不变化。

介稳性定义1：指的是系统远离平衡状态,但却能通过与外界进行物质和能量的交换而维持相对稳定的系统,在系统科学中称之为具有耗散结构的系统.这种系统虽能通过自组织作用而达到稳定,但其稳定性很容易被外界的微小扰动所破坏。介稳性定义2：又称亚稳状态，简称亚稳态。通常指物质（包括原子、离子、自由基、化合物等各种化学物种）在某种条件下，介于稳定和不稳定之间的一种化学状态。在条件稍有变化或介稳态物质稍受扰动、碰撞，它就会变成稳定或更不稳定的状态。

当熔体冷却成玻璃体时，这种状态并不是出于最低的能量状态。但是，它能较长时间在低温下保留了高温时的结构而不变化。第三节固溶体定义1：含有外来杂质原子的晶体称为固体溶液，简称固溶体。定义2：固溶体指的是矿物一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性等。但微观结构上如结点的形状、大小可能随成分的变化而改变。定义3：固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。

常见的固溶体：各种金属合金。分类分类1：按溶质原子在晶格中的位置不同：

（1）置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。（2）间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。分类2：

按固溶度来分类：可分为有限固溶体和无限固溶体。无限固溶体只可能是转换固溶体。分类3：

按溶质原子与溶剂原子的相对分布来分，可分为无序固溶体和有序固溶体。无序固溶体：认为溶质质点（原子、离子）在溶剂晶体结构中的分布是任意的、无规则的。有序固溶体：溶质质点的分布是有序的，即溶质质点在结构中按一定规律排列。第四节胶体定义：

胶体是一种分散质粒子直径介于粗分散体系和溶液之间的一类分散体系，这是一种高度分散的多相不均匀体系。分散质粒子直径：在1nm—100nm之间。实验:将一把泥土放到水中,大粒的泥沙很快下沉,浑浊的细小土粒因受重力的影响最后也沉降于容器底部,而土中的盐类则溶解成真溶液.但是,混杂在真溶液中还有一些极为微小的土壤粒子,它们既不下沉,也不溶解,人们把这些即使在显微镜下也观察不到的微小颗粒称为胶体颗粒,含有胶体颗粒的体系称为胶体体系组成：分散相与分散介质，分散相即为分散质粒子，分散介质又称为分散剂。分散相分散，分散介质连续。相：物理化学名词，根据系统中物质存在的形态和分布不同，又将系统分为相（phase）。相是指在没有外力作用下，物理、化学性质完全相同、成分相同的均匀物质的聚集态。

分类：按照分散剂状态不同分为：

气溶胶——以气体作为分散介质的分散体系。其分散相可以是气相、液相或固相。：如SO2扩散在空气中

液溶胶——以液体作为分散介质的分散体系。其分散相可以是气相、液相或固相。：如Fe(OH)3胶体

固溶胶——以固体作为分散介质的分散体系。其分散相可以是气相、液相或固相。：如有色玻璃、烟水晶。性质

能发生丁达尔现象，聚沉，产生电泳，可以渗析，可以吸附等性质。①有丁达尔效应

当一束光通过胶体时，从入射光的垂直方向上可看到有一条光带，这个现象叫丁达尔现象。利用此性质可鉴别胶体与溶液、浊液。②有电泳现象

由于胶体微粒表面积大，能吸附带电荷的离子，使胶粒带电。当在电场作用下，胶体微粒可向某一极定向移动。胶粒带电情况：金属氢氧化物、金属氧化物的胶粒一般带正电荷，而金属硫化物和硅酸的胶粒一般带负电荷。③发生布朗运动无规则运动（离子或分子无规则运动的外在体现）。④可发生凝聚（或称聚沉）胶体的稳定性介于溶液和浊液之间，在一定条件下能稳定存在，属于介稳体系。

胶体具有介稳性的两个原因：胶体粒子在不停地做布朗运动，容易互相吸引。但是，胶体粒子可以通过吸附而带有电荷，同种胶粒带同种电荷，而同种电荷会相互排斥，要使胶体聚沉，就要克服排斥力，消除胶粒所带电荷。

⑤吸附

定义：吸附是指物质（主要是固体）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子的现象。

原因：表面层上的粒子向内的吸引力不平衡。

影响因素：吸附作用与物质的表面积有关，表面积越大，吸附能力越强。胶体是一个高度分散体系，其总表面积很大，因而胶体具有高度的吸附能力。⑥渗析

又称透析。一种以浓度差为推动力的膜分离操作，利用膜对溶质的选择透过性,实现不同性质溶质的分离。即利用半透膜能透过小分子和离子但不能透过胶体粒子的性质从溶胶中除掉作为杂质的小分子或离子的过程。电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Ψ电位胶体的结构

凝胶

（1）定义：在聚沉过程中得到的产物中有一种称作凝胶。凝胶具有有分散介质形成的蜂窝状或由细纤维集合而成的毛细管状结构，在其空隙中含有液体。液体部分经蒸发干燥固化了的称为干凝胶。水泥的水化物便是干凝胶的一种。

（2）凝胶的溶胀干凝胶吸取溶媒膨胀的现象称为溶胀。如混凝土会由于吸水而少许膨胀。（3）凝胶的触变性溶胶在静置时变为凝胶，凝胶在施加外力振动搅拌等刺激时变为溶胶的现象称为触变性。第五节表面及界面1.表面张力和表面自由能表面：多相体系中相之间存在着界面(interface)。习惯上人们仅将气-液，气-固界面称为表面(surface)。

表面张力(surfacetension)

：（实际上是表面拉力）简单定义：液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。

解释：通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种表面收缩力称为表面张力。（注：红颜色部分指出了表面张力的本质）

宏观表现：露水总是尽可能的呈球型（题图），而某些昆虫则利用表面张力可以漂浮在水面上。

其它定义：①促使液体表面收缩的力叫做表面张力。②液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。说明：①表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。②表面张力是分子力的一种表现。③表面张力F的大小跟分界线MN的长度成正比。第五节表面及界面第五节表面及界面表面能引入：如果没有外界的约束，液体倾向于形成球形小滴。将水分散成雾滴，即扩大其表面，有许多内部水分子移到表面，就必须克服表面张力对体系做功——表面功。显然这样的分散体系便储存着较多的表面能(surfaceenergy)。

从能量的角度理解球形水滴：如果没有外界的约束，液体倾向于形成球形小滴，这是由于球形的比表面积与体积的比值为最小，这种使总的表面积尽可能减小的倾向是由于总表面能倾向于最低的结果。

总表面能是表面能与比表面积的乘积。

表面能是增加单位面积的表面所需要做的功。表面张力指增加表面单位长度所需要的力。

比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。2.界面在固相、液相、气相之间，两种相接触的面称为界面。3.吸附指物质（主要是固体）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子的现象。4.浸润液体慢慢渗透。放在洁净的玻璃板上的一滴水银，能够在玻璃板上滚来滚去，而不附着在上面。这种现象叫做不浸润。对玻璃来说，水银是不浸润液体。放在洁净的玻璃板上的一滴水，会附着在玻璃板上形成薄层。这种现象叫做浸润。对玻璃来说，水是浸润液体。

《水泥与水泥混凝土》P9图。

5.粘附指两个发生接触的表面之间的吸引。粘附可以用粘附功表示，即分开单位面积粘附表面所需要的功或能。影响粘附的因素包括：（1）表面污染；（2）表面的粗糙程度（原子尺度）；（3）接触压力。第二章材料的力学性质第一节强度第二节弹性第三节粘性第四节韧性及脆性第五节耐磨性范围：弹性、粘性、塑性参数：强度、脆性、疲劳、韧性等。弹性：指由于外力作用而产生变形，如果除去外力，则变形就会立即消失而完全恢复原状的一种性质。塑性：指应力达到某种程度以上，或者经过长时间的持续所产生的变形，即使应力消失也不能完全复原的一种性质。粘性：施加于液体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系起来的液体的一种宏观属性。（或者：应力达到某种程度以后，变形速度将会随着应力的增长而相应地加大的一种性质）。

原因：由于粘性的耗能作用，在无外界能量补充的情况下，运动的流体将逐渐停止下来。即粘性与时间有关。

第一节强度分类：

（1）根据外力种类的不同分为抗拉强度、抗压强度、抗折强度、抗剪强度和抗扭强度。（2）根据加速速度的不同可以分为静力强度和冲击强度。原因：材料对于冲击的抵抗有时很难根据静力强度作出判断，因此可以对于试件施加冲击力，利用它在破坏所吸收的能力表示，通常将它称为冲击值。如：我国公路抗滑表层用集料，就提出了集料冲击值要求。

（3）疲劳强度：荷载反复作用下，材料将会在比极限强度低的应力下破坏。

（4）徐变破坏：经过很长时间的荷载持续作用而发生的破坏，称为徐变破坏。徐变：材料在恒定应力（或荷载）作用下产生的与时间有关的形变。（包括粘弹性、滞弹性、粘性流动等）粘弹性：对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性称粘弹性。注：粘弹性同时具有类似固体的特性，如弹性，强度，因次稳定性，和类似液体的特性如随时间，温度，负荷大小和速率而变化的流动特性。滞弹性：在弹性范围内，应变落后于应力的行为称为滞弹性。粘性流动：具有粘性的实际流体的运动。

徐变的应变量和应变速率都是温度、应力条件和材料性质的函数。松弛：材料若长时间保持应变不变，则需要的应力减小。（原因：产生徐变时，如果总变形保持不变，则弹性应变会减小，从而应力也会减小）注：徐变和松弛是相关的，徐变越大，应力松弛越大，两者在测试时可以互相替代。第二节弹性

材料的弹性特征（1）应力应变曲线

参阅《水泥与水泥混凝土》P12图1-2-2-1。其中的直线关系即服从胡克定律。（2）弹性极限

弹性极限即指材料抵抗这一限度的外力的能力,如果继续使用拉力扩大,就会使这个物体产生残余变形,直至断裂。

残余变形：又称不可恢复变形。材料在荷载时产生变形，卸荷载后变形只能部分恢复，不能恢复的那一部分变形称残余变形。

弹性后效：残余变形中的一部分还会随着时间的推移而逐渐消失，这样的弹性恢复称为弹性后效。

塑性变形（或永久变形）：残余变形中，除掉弹性后效，最后遗留下来的变形。弹性模量（1）引言

一般地讲，对弹性体施加一个外界作用（称为“应力”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”）。“弹性模量”的一般定义是：应力除以应变。例如：

线应变、剪切应变、体积应变。线应变——

对一根细杆施加一个拉力F，这个拉力除以杆的截面积S，称为“线应力”，杆的伸长量dL除以原长L，称为“线应变”。线应力除以线应变就等于杨氏模量E=(F/S)/(dL/L)剪切应变——

对一块弹性体施加一个侧向的力f（通常是摩擦力），弹性体会由方形变成菱形，这个形变的角度a称为“剪切应变”，相应的力f除以受力面积S称为“剪切应力”。剪切应力除以剪切应变就等于剪切模量G=(f/S)/a

体积应变——

对弹性体施加一个整体的压强p，这个压强称为“体积应力”，弹性体的体积减少量(-dV)除以原来的体积V称为“体积应变”，体积应力除以体积应变就等于体积模量:K=P/(-dV/V)（2）模量定义

杨氏模量，或简称弹性模量，又称纵向弹性模量E：为正应力与正应变的比值。

剪切模量，又称横向模量或刚性模量G：为剪切应力与剪切应变的比值。体积模量K：

式中

——静水压应力；为体积应变。（3）弹性模量和割线模量第三节粘性1.材料的粘性变形粘性：施加于液体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系起来的液体的一种宏观塑性。

粘性大小通常用粘度系数来表示：如果η只是温度的函数，在一定的温度下，η为常数，与应力、时间无关，即剪应力——剪应变率曲线为直线，斜率即为η，那么符合以上公式规律的即为牛顿流体。2.温度对于η的影响

两者之间有函数关系，如沥青材料的粘温曲线。第四节韧性及脆性1.韧性（toughness,ductility（可延展性））：即材料断裂前吸收能量和进行塑性变形的能力。

通常用材料受力达到破坏程度所吸收的能量来表示。韧性好的材料，在断裂前会发生较大的塑性变形。韧性大的材料能经受高压力和冲击力或者具有较大的变形能。例：我国的公路抗滑表层用集料，就提出了冲击韧性的要求。

韧性断裂：构件经过大量变形后而产生的断裂。2.脆性(brittleness，fragility，脆性的：brittle,fragile)：材料受力达到一定程度时，突然发生破坏，并无明显的变形，这种性质称为脆性。

*：脆性材料易于发生脆断，不仅意味着在外力做成的应力集中的条件下裂纹易于萌发，更意味着裂纹在保持尖锐的条件下迅速扩展。第五节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质第一节密度、密实度及孔隙率第二节热学性质第三节抗渗性及抗冻性第一节密度、密实度及孔隙率在集料那一章介绍。第二节热学性质1.导热性：当材料两面存在温度差时，热量从材料一面通过材料传导至另一面的性质。导热系数：单位厚度的材料，两面温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积的热量。

导热系数主要取决于材料的物质结构，此外还与材料孔结构有关。由于材料密闭孔隙内的密闭空气的导热系数很小，所以导热系数与孔隙率、孔隙的连通程度等有关。材料吸水、受潮或遭受冰冻后，导热系数也会大大提高，因为水和冰的导热系数远大于空气。2.

热容量和比热热容量：系统在某一过程中，温度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的热量叫做这个系统在该过程中的“热容量”。比热：单位质量材料温度升高或降低1K所吸收或放出的热量称为热容量系数（或单位热容量）或比热。3.

导温系数又称热扩散系数，是材料在受热或冷却时，各部分温度趋于一致的性能，又称热扩散系数。是材料的导热系数与其比热和密度乘积的比值。第三节抗渗性及抗冻性1.

抗渗性