材料的性質(zhì)除與材料組成有關(guān)外，還與其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造有密切關(guān)系。材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是泛指材料各組成部分之間的結(jié)合方式及其在空間排列分布的規(guī)律。目前，材料不同層次的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的名稱和劃分，在不同學(xué)科間尚未統(tǒng)一。通常，按材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的尺度范圍，可分為宏觀結(jié)構(gòu)、介觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。  一、宏觀結(jié)構(gòu)  材料的宏觀結(jié)構(gòu)是指用肉眼或放大鏡可分辨出的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造狀況，其尺度范圍在10-3m級以上。按宏觀結(jié)構(gòu)的特征，材料有致密、多孔、粒狀、層狀等結(jié)構(gòu)，宏觀結(jié)構(gòu)不同的材料具有不同的特性。例如，玻璃與泡沫玻璃的組成相同，但宏觀結(jié)構(gòu)不同，前者為致密結(jié)構(gòu)，后者為多孔結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)截然不同，玻璃用作采光材料，泡沫玻璃用作絕熱材料。  材料宏觀結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的分類及特征見表1-1。






宏觀結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特征

常用的土木工程材料舉例


按孔隙特征

致密結(jié)構(gòu)
微孔結(jié)構(gòu)
多孔結(jié)構(gòu)

無宏觀尺度的孔隙
主要具有微細孔隙
具有較多粗大孔隙

鋼鐵、玻璃、塑料等
石膏制品、燒土制品等
加氣混凝土、泡沫玻璃、泡沫翅料等


按構(gòu)造特征

纖維結(jié)構(gòu)
層狀結(jié)構(gòu)
散粒結(jié)構(gòu)
聚集結(jié)構(gòu)

主要由纖維狀材料構(gòu)成 
由多層材料疊合構(gòu)成
由松散顆粒狀材料構(gòu)成
由骨料和膠結(jié)材料構(gòu)成

木材，玻璃鋼、巖棉、GRC等
復(fù)合墻板、膠合板、紙面石膏板等
砂石材料、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等
各種混凝土、砂漿、陶瓷等
  二、介觀結(jié)構(gòu)  材料的介觀結(jié)構(gòu)(又稱亞微觀結(jié)構(gòu))是指用光學(xué)顯微鏡和一般掃描透射電子顯微鏡所能觀察到的結(jié)構(gòu)，是介于宏觀和微觀之間的結(jié)構(gòu)。其尺度范圍在10-3～10-9m。材料的介觀結(jié)構(gòu)根據(jù)其尺度范圍，還可分為顯微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)。其中，顯微結(jié)構(gòu)是指用光學(xué)顯微鏡所能觀察到的結(jié)構(gòu)，其尺度范圍在10-3～10-7m。土木工程材料的顯微結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)具體材料分類研究。對于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)及界面特性等結(jié)構(gòu)；對于金屬材料，通常是研究其金相組織、晶界及晶粒尺寸等。對于木材，通常是研究木纖維、管胞、髓線等組織的結(jié)構(gòu)。材料在顯微結(jié)構(gòu)層次上的差異對材料的性能有顯著的影響。例如，鋼材的晶粒尺寸越小，鋼材的強度越高。又如混凝土中毛細孔的數(shù)量減少、孔徑減小，將使混凝土的強度和抗?jié)B性等提高。因此，對于土木工程材料而言，從顯微結(jié)構(gòu)層次上研究并改善材料的性能十分重要。  材料的納米結(jié)構(gòu)是指一般掃描透射電子顯微鏡所能觀察到的結(jié)構(gòu)。其尺度范圍在10-7～10-9m。材料的納米結(jié)構(gòu)是20世紀80年代末期引起人們廣泛關(guān)注的一個尺度。其基本結(jié)構(gòu)單元有團簇、納米微粒、人造原子等。由于納米微粒和納米固體有小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)等基本特性，使由納米微粒組成的納米材料具有許多奇異的物理和化學(xué)性能，因而得到了迅速發(fā)展，在土木工程中也得到了應(yīng)用，例如，磁性液體、納米涂料等。通常膠體中的顆粒直徑為1～100 nm，其結(jié)構(gòu)是典型的納米結(jié)構(gòu)。  三、微觀結(jié)構(gòu)  材料的微觀結(jié)構(gòu)是指原子或分子層次的結(jié)構(gòu)。材料按微觀結(jié)構(gòu)可分為晶體和玻璃體。  (一)晶體結(jié)構(gòu)  晶體是質(zhì)點(原子、分子、離子)按一定規(guī)律在空間重復(fù)排列的固體，具有一定的幾何形狀和物理性質(zhì)。晶體質(zhì)點間鍵能的大小以及結(jié)合鍵的特性決定晶體材料的特性，如表1—2。
 




材料的微觀結(jié)構(gòu)

常見材料

主要特性


原子晶體(以共價鍵結(jié)合)

金剛石、石英、剛玉

強度、硬度、熔點均高，密度較小


離子晶體(以離子鍵結(jié)合)

氧化鈉、石膏、石灰巖

強度、硬度、熔點較高，但波動大，部分可溶，密度中等


分子晶體(以分子鍵結(jié)合)

蠟及有機化合物晶體

強度、硬度、熔點較低，大部分可溶，密度小


金屬晶體(以金屬鍵結(jié)合)

鐵、鋼、銅、鋁及其合金

強度，硬度變化大，密度大  無機非金屬材料中的晶體，通常不是單一的結(jié)合鍵，而是既存在共價鍵又存在離子鍵。硅酸鹽材料在土木工程材料中占有重要地位，它廣泛應(yīng)用在水泥、陶瓷、磚瓦、玻璃等材料中，硅酸鹽晶體的基本結(jié)構(gòu)單元是SiO4四面體，硅在四個氧形成的四面體的正中(如圖l—1)。硅酸鹽的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是由基本單元SiO4與其他金屬離子結(jié)合而成，可以組成鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)等硅酸鹽晶體。  (二)玻璃體  玻璃體是熔融物在急冷時，質(zhì)點來不及按一定規(guī)律排列而形成的內(nèi)部質(zhì)點無序排列的固體或固態(tài)液體。玻璃體結(jié)構(gòu)的材料沒有固定的熔點和幾何形狀，且各向同性。由于內(nèi)部質(zhì)點未達到能量最低位置，大量化學(xué)能儲存在材料結(jié)構(gòu)中，因此，其化學(xué)穩(wěn)定性差，易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如某些活性混合材料的活性特點，正是這種玻璃體結(jié)構(gòu)材料的表現(xiàn)。