建筑材料科学基础

建筑材料科学基础第1页，共133页，2023年，2月20日，星期一主要内容一、绪论二、建筑材料的基本性质三、矿物岩石学基础知识四、建筑材料化学基础知识五、建筑材料与建筑结构六、建筑材料生产工艺七、建筑材料产品设计简介八、建筑材料科学新进展第2页，共133页，2023年，2月20日，星期一一、绪论1、建筑材料的分类2、建筑材料发展简史3、建筑材料的研究内容4、材料科学简介5、本课程的特点第3页，共133页，2023年，2月20日，星期一一、绪论土木工程和建筑工程中使用的材料。也称为土木工程材料。1、建筑材料的分类建筑材料的定义

按作用，建筑材料分为结构材料、功能材料。建筑材料的分类

按组成，建筑材料分为金属材料、无机非金属材料、有机材料、复合材料。第4页，共133页，2023年，2月20日，星期一建筑材料还有哪些分类方法？不同分类方法的特点？1、建筑材料的分类提问提示按应用领域、按发展历史、按来源、按产品外形、按工程惯例等。一、绪论第5页，共133页，2023年，2月20日，星期一（1）用量大。涉及成本、运输、资源、环境等方面。1、建筑材料的分类建筑材料的特点（2）种类多。产品属粗放型。（3）性能跨度范围广。体积密度有大有小，强度有高有低，变形能力有强有弱，传导性能有好有差，……（4）要求具有足够的安全耐久性。能够承受所处环境的各种作用，自身不应产生有毒有害作用。一、绪论第6页，共133页，2023年，2月20日，星期一2、建筑材料发展简史9000年前，人类开始使用火以后，制造出了第一种人造材料——陶；5000年前，人类以陶器为容器，制造出了第二种人造材料——青铜；3000年前，人类在掌握了一定的冶金技术后，开始大量使用铁。100多年前，炼钢技术的发展，使钢铁成为20世纪占主导地位的结构材料；硅酸盐水泥的发明，使水泥混凝土取代天然石材，成为最主要的建筑结构材料，并成为用量最大的人造材料。20世纪初，人工合成有机高分子材料相继问世，并以惊人的速度迅速发展；20世纪中叶，新型陶瓷、复合材料、电子材料（半导体、集成电路）、激光材料等不断创新；目前，超导材料、纳米材料、光电子材料等方面的研究正不断取得突破。可以看出，材料开发及应用的发展速度越来越快，水平越来越高。一、绪论第7页，共133页，2023年，2月20日，星期一2、建筑材料发展简史

建筑材料的发展历程：天然材料（石块、木棍、茅草、泥土）→由天然材料加工而成的材料及制品（烧结粘土制品、钢铁、石灰、石膏、人造板、铸石）→由天然材料经人为配制、加工而成的材料：水硬性胶凝材料（水泥）、人造石（水泥混凝土制品）→人工合成材料（塑料、新型陶瓷）→复合材料（聚合物基、金属基、陶瓷基、碳基）→功能材料（轻质、保温、防水、耐火、耐腐蚀、导电、发光、抗菌）→环境友好材料（利用废料、低能耗、低污染、可回收利用）。一、绪论第8页，共133页，2023年，2月20日，星期一

建筑工程对建筑材料的基本要求是：强度高、耐久性好、成本低、节能环保、安全可靠。随着社会的发展，建筑材料的品种已经由传统的建筑材料（砖瓦、石材、木材、石灰、石膏、玻璃、水泥、普通混凝土、钢材、沥青等）向新型建筑材料（高性能混凝土、特种混凝土、合金材料、复合材料、合成高分子材料、环保节能型建材、智能生态材料等）发展，对保护自然资源、利用工业废渣、减少建材生产环节中的污染及能耗、改善建筑物的保温隔热性能、提高建材的力学性能及安全耐久性、开发多功能建材等方面越来越重视。3、建筑材料的研究内容一、绪论第9页，共133页，2023年，2月20日，星期一

传统的建筑材料性能研究，主要以经验和宏观力学性能试验为主，依赖于传统材料的固有特性；目前，对断裂、疲劳、腐蚀、复合增强等方面的理论研究逐步完善，对材料结构及性能的宏观、微观检测技术不断发展进步，材料加工技术不断创新，材料生产及应用的规范相继制订完善，以及多学科知识的融合、计算机技术的应用，使材料研究正朝着按指定性能设计和制造新型材料的理想前进。因此，建筑材料科学的发展空间在不断扩大、发展速度在不断提高，相关的技术人员的专业知识、观念意识也应该不断更新。3、建筑材料的研究内容一、绪论第10页，共133页，2023年，2月20日，星期一

新材料粗略地可以分为两类:一类是设法将以前从未结合在一起的元素结合成新材料；另一类是改进现有的材料。实际上，更多的新材料属于第二类。当对已有材料改进时，如提高纯度(光纤)、改变其存在形态(单晶硅)或控制其使用条件(低温超导)，材料的性能会发生质的变化。因此，对已有材料的认识也是相当有必要的。陶瓷高温超导材料的发现属于第一类。3、建筑材料的研究内容新材料的开发一、绪论第11页，共133页，2023年，2月20日，星期一

对现有材料改进可以有多种思路。

首先是使用的要求促进了材料的发展，如针对飞机用轻型材料，研制成了Al-Li合金；考虑到发动机需要耐高温材料，研制新型精密陶瓷；还有许多场合要求材料芯部要有高的韧性，表面要耐磨、耐腐蚀，因而必须进行材料的表面改性等。

其次是工艺手段的进步，使材料改进成为可能，新材料才能由理想变成现实。石英玻璃纯度提高，大直径单晶硅片的制造都涉及工艺问题。3、建筑材料的研究内容一、绪论第12页，共133页，2023年，2月20日，星期一

生物材料的启示：具有巧妙的组织（材料与结构合理分布），具有自身修复性（检测缺陷、修复），由循环型成分组成（废弃物处理与利用），复合操作利用了生物工艺学（用温和的条件进行反应，原料及副产品的处理几乎没有问题，用简单的工艺制取复杂的化合物，废弃物处理没有问题。缺点：一般所需时间长，缺乏自由度，生产率不高。）

第三是向大自然学习。仿生概念古已有之，现代仿生研究自1960年代开始。材料仿生研究包括：材料的结构仿生（羟基磷灰石/胶原纳米复合材料），材料的功能仿生（生物传感器、生物芯片、智能材料），材料的过程仿生（人造蜘蛛丝、损伤愈合材料）。3、建筑材料的研究内容一、绪论第13页，共133页，2023年，2月20日，星期一动物的骨头是由磷酸钙（无机物）和胶原纤维（有机物）组成的复合材料。其优秀特点有：按需要自然生长，受伤后能自愈，强韧度高，结构简单而合理（长骨外形呈哑铃型，可避免应力集中，且缓解压力的冲击。骨头内部组织分布不均，高密度物质置于高应力区。）。3、建筑材料的研究内容生物材料的启示一、绪论第14页，共133页，2023年，2月20日，星期一

树木是由树皮、边材、芯材组成的复合材料。树木的年轮组织有疏密，春材或早材疏松柔软，晚材致密坚硬。木材的细胞壁是由微纤维（由纤维素分子形成的微细纤维）和木质素、半纤维素组成的多层复合柱体（每层中微纤维的升角均不同），且其排列方向朝着有利于受力的方向，并控制树木生长背离地面垂直向上。树根的分形结构使其与土壤结合牢固，抗拔出能力强。3、建筑材料的研究内容一、绪论第15页，共133页，2023年，2月20日，星期一

竹子的竹干横截面上，维管束（作为增强体）在外层（竹青）分布致密，向内逐步散开（竹子生长过程中，风雪造成竹干外部将产生最大应力，因此这种分布满足“最小-最大原理”，即以最少的材料和结构发挥最大的效能。）。竹纤维的结构由多层厚薄相间的层组成，每层中的微纤丝以不同升角分布，这种结构有利于提高刚度和韧性。竹干上的竹节有利于提高抗劈强度、结构刚度和稳定性；竹节中维管束的方向与竹干中不同，使其拉伸强度略有降低，但节中组织胀大，使承载面积增大，保证了竹干承载力。3、建筑材料的研究内容一、绪论第16页，共133页，2023年，2月20日，星期一

蜘蛛丝是在常温的水溶液中由可溶性蛋白质变为不溶性蛋白纤维束而得，强度很高。

在贝壳珍珠层中，无机质霰石的含量达99%，由不到1%的有机质将不同尺寸的霰石晶片按特殊的层状结构粘结起来，形成了层状结构的复合材料，其断裂功比纯霰石高出3000倍以上。3、建筑材料的研究内容一、绪论第17页，共133页，2023年，2月20日，星期一

材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。由于社会发展对材料性能的要求日益提高，单质材料很难满足综合要求，而复合材料因具有可设计性、复合效应而得到重视和快速发展。有人称，二十一世纪是复合材料的时代。

由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，称为复合材料。

复合材料最主要的特点：⑴材料性能可设计性：复合材料的力学、机械、热、声、光、电、防腐、抗老化等物理、化学性能，可通过组分材料的选择和匹配、界面控制等材料设计手段，尽可能满足使用要求。⑵复合效应：复合材料的性能不是组分材料性能的简单叠加，而是按复合效应形成新的性能。

3、建筑材料的研究内容一、绪论第18页，共133页，2023年，2月20日，星期一7000年前仰韶文化时期，西安半坡村遗址，用草拌泥做成的墙壁和砖坯，是纤维增强复合材料的先例。4000年前出现的漆器，以丝、麻及其织物为增强相，以生漆做粘结剂，一层一层铺敷在底胎（模具）上，待漆干固后挖去底胎成型。这种工艺方法与近代复合材料的手糊工艺十分相近。现保存在扬州平山堂的鉴真法师漆器像距今已有1000多年，仍保持完好。

中国古代的弓，用竹片、钢条等材料，经过巧妙地铺叠得到高模量、高强度的优良层合复合构件。

古埃及人在公元前已知道将木材切成板后重新铺叠，制成像现代胶合板似的叠合材料。3、建筑材料的研究内容复合材料简史一、绪论第19页，共133页，2023年，2月20日，星期一

复合材料作为一种学科、一种新兴的材料工业，开始于二十世纪40年代。1942年，由于战争的需要，美国用“比铝轻、比钢强”的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂制造飞机的构件。1940~1960年，玻璃纤维增强塑料（GFRP）（我国俗称玻璃钢）是复合材料发展的第一代。1960~1980年，出现了硼纤维、碳纤维、Kevlar（芳纶）纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维增强塑料及金属基、碳基复合材料，是先进复合材料（ACM）的开发时期，称为复合材料发展的第二代。1980~目前，陶瓷基复合材料逐渐发展，是先进复合材料的成熟时期，称为复合材料发展的第三代。

复合材料的发展，从软基体、较硬基体到硬基体，即从树脂到金属到陶瓷基体。3、建筑材料的研究内容一、绪论第20页，共133页，2023年，2月20日，星期一

实际上，一个新思路往往是一些不同观念的综合，它来源于一个人的综合素质，包括观察事物的能力、生活经验、知识结构、思维方法等。综合素质不是先天的，是后天日积月累培养起来的。培养有教师、学校的责任，也有同学们自己的责任，关键是能不能自觉地思考。

另外，在新材料的探索中，人们还寄希望于理论的预见性。随着固体物理、量子化学、原子分子物理、应用数学、统计物理等相关学科及计算机信息处理技术的迅速发展，"材料设计"工作取得了很大进展。3、建筑材料的研究内容一、绪论第21页，共133页，2023年，2月20日，星期一4、材料科学简介

与人类使用材料的漫长历史相比，科学家研究材料科学的历史比较短暂。它始于19世纪中叶，当时关注的问题是钢铁热处理过程的显微组织的变化，研究的工具限于金相显微镜。随后是相平衡的热力学与统计力学的建立，为探讨材料的相平衡与相变提供了理论基础。20世纪20年代，原子结构的阐明、量子力学的建立又为理解材料的根本结构提供了新的理论依据。另一方面，X射线衍射、电子衍射与电子显微术，乃至于多种电子隧道探针技术，又为探测材料的微观结构提供了新的手段。固体物理学（后延拓为凝聚态物理学）与物理化学为全面理解材料结构与性能关系提供了理论基础。合成化学的发展又为合成层出不穷的新材料提供了手段。到20世纪50年代，金属学（包括化学冶金与物理冶金）业已初具规模。随后半导体技术的发展又对材料的纯度和完整性提出了苛刻的要求，促使材料的研究向纵深发展。一、绪论第22页，共133页，2023年，2月20日，星期一4、材料科学简介

另一方面，金属学的理论与实验手段也向陶瓷学的领域延伸。到1960年左右，"材料科学"的名称问世，迄今巳有50余年的历史。随后非晶材料科学、液晶材料科学和高分子材料科学又相继问世，丰富了材料科学的内涵。在20世纪末，软物质科学蓬勃发展，将液晶、高分子、胶体等领域的研究贯通起来，和传统硬物质科学形成鲜明的对照，软硬兼顾，相得益彰，从而将无机材料科学和有机材料科学辩证地融合起来。

材料科学的基本原理根植于凝聚态物理学、物理化学与合成化学。但由于各种材料的分支学科的学术背景不尽相同，诸分支学科的汇总融合也有一个历史过程，不能一蹴而就。一、绪论第23页，共133页，2023年，2月20日，星期一

科学体系分为三个层次：基础科学、应用科学、工程。应用科学工程科学体系数学基础科学物理学化学力学生命科学地学冶金学陶瓷学地质工程医学机械工程化学工程土木工程电气工程4、材料科学简介参阅：科普知识介绍.PPT。一、绪论第24页，共133页，2023年，2月20日，星期一

材料科学属于应用科学，是关于材料的本质的理论，论述材料的结构与成分、性能的联系。材料科学材料工程材料研究材料的组成材料的结构材料的性能材料的加工材料的使用性能材料的开发4、材料科学简介一、绪论第25页，共133页，2023年，2月20日，星期一

我国高等院校本科教育专业设置按“学科门类”、“学科大类（一级学科）”、“专业（二级学科）”三个层次来设置。我国高校现行的12个学科门类是（1）哲学；（2）经济学；（3）法学；（4）教育学；（5）文学；（6）历史学；（7）理学；（8）工学；（9）农学；（10）医学；（11）军事学；（12）管理学。学科门下设一级学科，共有88个一级学科。一级学科下设二级学科，共有358个二级学科。每个专业都有十几门专业课程。4、材料科学简介我国高校的学科门类设置一、绪论第26页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科门类设置门类代码、名称一级学科代码、名称01哲学0101哲学02经济学0201理论经济学，0202应用经济学03法学0301法学，0302政治学，0303社会学，0304民族学04教育学0401教育学，0402心理学，0403体育学05文学0501中国语言文学，0502外国语言文学，0503新闻传播学，0504艺术学06历史学0601历史学07理学0701数学，0702物理学，0703化学，0704天文学，0705地理学，0706大气科学，0707海洋科学，0708地球物理学，0709地质学，0710生物学，0711系统科学，0712科学技术史08工学0801力学，0802机械工程，0803光学工程，0804仪器科学与技术，0805材料科学与工程，0806冶金工程，0807动力工程及工程热物理，0808电气工程，0809电子科学与技术，0810信息与通信工程，0811控制科学与工程，0812计算机科学与技术，0813建筑学，0814土木工程，0815水利工程，0816测绘科学与技术，0817化学工程与技术，0818地质资源与地质工程，0819矿业工程，0820石油与天然气工程，0821纺织科学与工程，0822轻工技术与工程，0823交通运输工程，0824船舶与海洋工程，0825航空宇航科学与技术，0826兵器科学与技术，0827核科学与技术，0828农业工程，0829林业工程，0830环境科学与工程，0831生物医学工程，0832食品科学与工程09农学0901作物学，0902园艺学，0903农业资源利用，0904植物保护，0905畜牧学，0906兽医学，0907林学，0908水产10医学1001基础医学，1002临床医学，1003口腔医学，1004公共卫生与预防医学，1005中医学，1006中西医结合，1007药学，1008中药学11军事学1101军事思想及军事历史，1102战略学，1103战役学，1104战术学，1105军队指挥学，1106军制学，1107军队政治工作学，1108军事后勤学与军事装备学12管理学1201管理科学与工程，1202工商管理，1203农林经济管理，1204公共管理，1205图书馆、情报与档案管理第27页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称0101哲学010101马克思主义哲学，010102中国哲学，010103外国哲学，010104逻辑学，010105伦理学，010106美学，010107宗教学，010108科学技术哲学0201理论经济学020101政治经济学，020102经济思想史，020103经济史，020104西方经济学，020105世界经济，020106人口、资源与环境经济学0202应用经济性020201国民经济学，020202区域经济学，020203财政学（含税收学），020204金融学（含保险学），020205产业经济学，020206国际贸易学，020207劳动经济学，020208统计学，020209数量经济学，020210国防经济0301法学030101法学理论，030102法律史，030103宪法学与行政法学，030104刑法学，030105民商法学（含：劳动法、社会保障法），030106诉讼法学，030107经济法学，030108环境与资源保护法学，030109国际法学（含：国际公法、国际私法、国际经济法），030110军事法学0302政治学030201政治学理论，030202中外政治制度，030203科学社会主义与国际共产主义运动，030204中共党史（含：党的学说与党的建设），030205马克思主义理论与思想政治教育，030206国际政治，030207国际关系，030208外交学0303社会学030301社会学，030302人口学，030303人类学，030304民俗学（含：中国民间文学）0304民族学030401民族学，030402马克思主义民族理论与政策，030403中国少数民族经济，030404中国少数民族史，030405中国少数民族艺术第28页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称0401教育学040101教育学原理，040102课程与教学论，040103教育史，040104比较教育学，040105学前教育学，040106高等教育学，040107成人教育学，040108职业技术教育学，040109特殊教育学，040110教育技术学0402心理学040201基础心理学，040202发展与教育心理学，040203应用心理学0403体育学040301体育人文社会学，040302运动人体科学，040303体育教育训练学，040304民族传统体育学0501中国语言文学050101文艺学，050102语言学及应用语言学，050103汉语言文字学，050104中国古典文献学，050105中国古代文学，050106中国现当代文学，050107中国少数民族语言文学（分语族），050108比较文学与世界文学0502外国语言文学050201英语语言文学，050202俄语语言文学，050203法语语言文学，050204德语语言文学，050205日语语言文学，050206印度语言文学，050207西班牙语语言文学，050208阿拉伯语语言文学，050209欧洲语言文学，050210亚非语言文学，050211外国语言学及应用语言学0503新闻传播学050301新闻学，050302传播学0504艺术学050401艺术学，050402音乐学，050403美术学，050404设计艺术学，050405戏剧艺术学，050406电影学，050407广播电视艺术学，050408舞蹈学0601历史学060101史学理论及史学史，060102考古学及博物馆学，060103历史地理学，060104历史文献学（含：敦煌学、古文字学），060105专门史，060106中国古代史，060107中国近现代史，060108世界史第29页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称0701数学070101基础数学，070102计算数学，070103概率论与数理统计，070104应用数学，070105运筹学与控制论0702物理学070201理论物理，070202粒子物理与原子核物理，070203原子与分子物理，070204等离子体物理，070205凝聚态物理，070206声学，070207光学，070208无线电物理0703化学070301无机化学，070302分析化学，070303有机化学，070304物理化学（含：化学物理），070305高分子化学与物理0704天文学070401天体物理，070402天体测量与天体力学0705地理学070501自然地理学，070502人文地理学，070503地图学与地理信息系统0706大气科学070601气象学，070602大气物理学与大气环境0707海洋科学070701物理海洋学，070702海洋化学，070703海洋生物学，070704海洋地质0708地球物理学070801固体地球物理学，070802空间物理学0709地质学070901矿物学、岩石学、矿床学，070902地球化学，070903古生物学与地层学（含：古人类学），070904构造地质学，070905第四纪地质学0710生物学071001植物学，071002动物学，071003生理学，071004水生生物学，071005微生物学，071006神经生物学，071007遗传学，071008发育生物学，071009细胞生物学，071010生物化学与分子生物学，071011生物物理学，071012生态学0711系统科学071101系统理论，071102系统分析与集成0712科学技术史071200科学技术史第30页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称0801力学080101一般力学与力学基础，080102固体力学，080103流体力学，080104工程力学0802机械工程080201机械制造及其自动化，080202机械电子工程，080203机械设计及理论，080204车辆工程0803光学工程080300光学工程0804仪器科学与技术080401精密仪器及机械，080402测试计量技术及仪器0805材料科学与工程080501材料物理与化学，080502材料学，080503材料加工工程0806冶金工程080601冶金物理化学，080602钢铁冶金，080603有色金属冶金0807动力工程及工程热物理080701工程热物理，080702热能工程，080703动力机械及工程，080704流体机械及工程，080705制冷及低温工程，080706化工过程机械0808电气工程080801电机与电器，080802电力系统及其自动化，080803高电压与绝缘技术，080804电力电子与电力传动，080805电工理论与新技术0809电子科学与技术080901物理电子学，080902电路与系统，080903微电子学与固体电子学，080904电磁场与微波技术0810信息与通信工程081001通信与信息系统，081002信号与信息处理0811控制科学与工程081101控制理论与控制工程，081102检测技术与自动化装置，081103系统工程，081104模式识别与智能系统，081105导航、制导与控制0812计算机科学与技术081201计算机系统结构，081202计算机软件与理论，081203计算机应用技术第31页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称0813建筑学081301建筑历史与理论，081302建筑设计及其理论，081303城市规划与设计（含：风景园林规划与设计），081304建筑技术科学0814土木工程081401岩土工程，081402结构工程，081403市政工程，081404供热、供燃气、通风及空调工程，081405防灾减灾工程及防护工程，081406桥梁与隧道工程0815水利工程081501水文学及水资源，081502水力学及河流动力学，081503水工结构工程，081504水利水电工程，081505港口、海岸及近海工程0816测绘科学与技术081601大地测量学与测量工程，081602摄影测量与遥感，081603地图制图学与地理信息工程0817化学工程与技术081701化学工程，081702化学工艺，081703生物化工，081704应用化学，081705工业催化0818地质资源与地质工程081801矿产普查与勘探，081802地球探测与信息技术，081803地质工程0819矿业工程081901采矿工程，081902矿物加工工程，081903安全技术及工程0820石油与天然气工程082001油气井工程，082002油气田开发工程，082003油气储运工程0821纺织科学与工程082101纺织工程，082102纺织材料与纺织品设计，082103纺织化学与染整工程，082104服装0822轻工技术与工程082201制浆造纸工程，082202制糖工程，082203发酵工程，082204皮革化学与工程0823交通运输工程082301道路与铁道工程，082302交通信息工程及控制，082303交通运输规划与管理，082304运载工具运用工程0824船舶与海洋工程082401船舶与海洋结构物设计制造，082402轮机工程，082403水声工程第32页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称0825航空宇航科学与技术082501飞行器设计，082502航空宇航推进理论与工程，082503航空宇航制造工程，082504人机与环境工程0826兵器科学与技术082601武器系统与运用工程，082602兵器发射理论与技术，082603火炮、自动武器与弹药工程，082604军事化学与烟火技术0827核科学与技术082701核能科学与工程，082702核燃料循环与材料，082703核技术及应用，082704辐射防护及环境保护0828农业工程082801农业机械化工程，082802农业水土工程，082803农业生物环境与能源工程，082804农业电气化与自动化0829林业工程082901森林工程，082902木材科学与技术，082903林产化学加工工程0830环境科学与工程083001环境科学，083002环境工程0831生物医学工程083100生物医学工程0832食品科学与工程083201食品科学，083202粮食、油脂及植物蛋白工程，083203农产品加工及贮藏工程，083204水产品加工及贮藏工程0901作物学090101作物栽培学与耕作学，090102作物遗传育种0902园艺学090201果树学，090202蔬菜学，090203茶学0903农业资源利用090301土壤学，090302植物营养学0904植物保护090401植物病理学，090402农业昆虫与害虫防治，090403农药学第33页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称0905畜牧学090501动物遗传育种与繁殖，090502动物营养与饲料科学，090503草业科学，090504特种经济动物饲养（含：蚕、蜂等）0906兽医学090601基础兽医学，090602预防兽医学，090603临床兽医学0907林学090701林木遗传育种，090702森林培育，090703森林保护学，090704森林经理学，090705野生动植物保护与利用，090706园林植物与观赏园艺，090707水土保持与荒漠化防治0908水产090801水产养殖，090802捕捞学，090803渔业资源1001基础医学100101人体解剖和组织胚胎学，100102免疫学，100103病原生物学，100104病理学与病理生物学，100105法医学，100106放射医学，100107航空、航天与航海医学1002临床医学100201内科学，100202儿科学，100203老年医学，100204神经病学，100205精神病与精神卫生学，100206皮肤病与性病学，100207影像医学与核医学，100208临床检验诊断学，100209护理学，100210外科学，100211妇产科学，100212眼科学，100213耳鼻咽喉科学，100214肿瘤学，100215康复医学与理疗学，100216运动医学，100217麻醉学，100218急诊医学1003口腔医学100301口腔基础医学，100302口腔临床医学1004公共卫生与预防医学100401流行病与卫生统计学，100402劳动卫生与环境卫生学，100403营养与食品卫生学，100404儿少卫生与妇幼保健学，100405卫生毒理学，100406军事预防医学1005中医学100501中医基础理论，100502中医临床基础，100503中医医史文献，100504方剂学，100505中医诊断学，100506中医内科学，100507中医外科学，100508中医骨伤科学，100509中医妇科学，100510中医儿科学，100511中医五官科学，100512针灸推拿学，100513民族医学（含：藏医学、蒙医学等）1006中西医结合100601中西医结合基础，100602中西医结合临床第34页，共133页，2023年，2月20日，星期一我国高校的学科专业设置一级学科代码、名称二级学科代码、名称1007药学100701药物化学，100702药剂学，100703生药学，100704药物分析学，100705微生物与生化药学，100706药理学1008中药学100800中药学1101军事思想及军事历史110101军事思想，110102军事历史1102战略学110201军事战略学，110202战争动员学1103战役学110301联合战役学，110302军种战役学（含：第二炮兵战役学）1104战术学110401合同战术学，110402兵种战术学1105军队指挥学110501作战指挥学，110502军事运筹学，110503军事通信学，110504军事情报学，110505密码学，110506军事教育训练学（含：军事体育学）1106军制学110601军事组织编制学，110602军队管理学1107军队政治工作学110700军队政治工作学1108军事后勤学与军事装备学110801军事后勤学，1108002后方专业勤务，110803军事装备学1201管理科学与工程120100管理科学与工程1202工商管理120201会计学，120202企业管理（含：财务管理、市场营销、人力资源管理），120203旅游管理，120204技术经济及管理1203农林经济管理120301农业经济管理，120302林业经济管理1204公共管理120401行政管理，120402社会医学与卫生事业管理，120403教育经济与管理，120404社会保障，120405土地资源管理1205图书馆、情报与档案管理120501图书馆学，120502情报学，120503档案学第35页，共133页，2023年，2月20日，星期一5、本课程的特点

根据同济大学材料科学与工程学院本科培养方案，本课程为材料科学与工程专业建筑材料方向的专业必修课。前期相关课程有：土木工程概论、材料概论、材料研究方法、材料科学基础、材料工程基础等；同期相关课程有：建筑结构材料；后期相关课程有：建筑功能材料、胶凝材料学、土木工程材料概论、无机非金属材料概论、特种建筑材料、生态环境建筑材料等。一、绪论第36页，共133页，2023年，2月20日，星期一5、本课程的特点几乎所有的材料都可以用作建筑材料，而建筑材料几乎应用于所有的行业，所以建筑材料涉及的内容很多、可以从不同角度和深度来讲述，而且除了本课程之外，还有一系列相关课程涉及建筑材料。孔子说过：君子有所为，有所不为。本课程内容安排上，涵盖了建筑材料从原材料到产品的全过程，以材料科学的基本原理——“组成、结构与性能的关系”为主线，解析建筑材料的性能、生产及应用中的一般性原理，而回避了其他课程涉及的具体内容。本课程以补充介绍矿物岩石学、建筑材料产品设计等方面的内容为特色，以建筑材料化学、建筑材料生产工艺、建筑热工设计等方面的内容为重点。课程学习过程中，要求学生进行延伸阅读，并展开讨论。一、绪论第37页，共133页，2023年，2月20日，星期一5、本课程的特点下载标准：，下载专业期刊文章：从同济大学校园网可以免费进入；在校园外，可以用同济大学VPN免费进入。（路径：校园网/公共服务/图书馆/数据库/中文库/维普中国科技期刊/交大镜像，分类检索：工业技术/建筑/建筑材料/）下载专业电子书：/ebook/shzx/index_220.html推荐的网站一、绪论在线阅读专业电子书：超星电子书（/ebook）第38页，共133页，2023年，2月20日，星期一二、建筑材料的基本性质1、材料科学基础知识2、建筑材料的物理性质3、建筑材料的力学性质4、建筑材料的耐久性5、建筑材料标准与规程第39页，共133页，2023年，2月20日，星期一

工程师在选用材料的时候，必须对所用材料的基本性能（强度、密度、韧性、导电性、导热性等）、加工性能（可成型性、机械加工性）、使用性能（耐久性、疲劳破坏）、成本、来源等方面加以全面考虑。现有材料的品种数以万计，并且不断涌现出新的材料，如何准确掌握材料的性能？材料科学提出的一个基本原则是：材料的性能来源于该材料的内部结构。材料的内部结构包括原子、原子在晶体中或分子中与邻近原子的结合方式以及显微结构。所以，针对特定的使用性能要求，所选择的材料必须具有合适的原子结构、晶体结构及其内部排列，而材料在加工或使用期间，其内部结构一旦发生了变化，其性能也将发生相应的变化。1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质第40页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识材料的组成二、建筑材料

的基本性质

就材料研究而言，原子是材料内部结构的基本单位。基本概念与原子有关的基本概念

原子量：碳-12原子质量的十二分之一（0.6022*1024个碳-12原子的质量为1克，阿伏伽德罗常数）；原子序数：每个中性原子相关的电子数；周期表：同族原子的化学特性及电子特性都相似。第41页，共133页，2023年，2月20日，星期一第42页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质基本概念与电子有关的基本概念

电量：一个电子所具有的负电荷量为0.16*10-18库；电子能级：电子在原子核周围的特定轨道上运动（驻波），电子具有特定的能态，在这些轨道之间存在着禁用能量间隙；价电子：最顶端的轨道容纳价电子，施加一个相当小的能量（电离能），就能将价电子移出原子，形成带正电子的阳离子。第43页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质基本概念与分子有关的基本概念分子可定义为一个牢固地结合在一起的原子团，但它与别的同样的原子团之间的结合是相当弱的（例如F2，破坏连接两个原子的共价键需要160kJ/mol的能量，而使分子分离而沸腾气化只需3kJ/mol的能量。）。第44页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质结合力当原子相互距离为无限远时，彼此之间不存在相互作用；当原子相互靠近时，会产生相互作用：既有吸引，也有排斥（吸引来自于异性电荷的库仑作用力；排斥来自于同性电荷的库仑作用力，以及由泡利不相容原理决定的电子间作用力），在稳定的凝聚态时，原子间距离使吸引与排斥合力为零。第45页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质

当你敲碎一块玻璃时，克服的是什么力？如果你将碎玻璃重新拼接在一起，那个力怎么又不存在了？

这个力，就是上述的原子间作用力，以及下述的键合力。材料的抗力第46页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质事实是：当两个原子相互靠近时，存在一个无法逾越的最小间隙，使原子无法互相穿透。按照波尔的原子模型，电子围绕原子核旋转。为什么当两个原子核接近时，电子轨道不会交错呢？

1924年，奥地利物理学家W.E.泡利（1900～1958）为说明化学元素周期律提出了泡利原理：一个原子中没有任何两个电子可以拥有完全相同的量子态（原子中电子的状态由主量子数n、角量子数l、磁量子数ml以及自旋磁量子数ms所描述）。

当两个原子逐步接近时，他们不能接受来自对方的电子，使这两个原子相距足够距离而不相互干扰。因此，可以用硬球模型来表示离子、原子、分子。

美国物理学家费曼说，每当人们把手按在桌面上时，就可感觉到桌子的抗力，由此证实泡利原理是正确的。原子的不可穿透性第47页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质结合力离子键：由正负电荷的相互吸引而造成（镁和氧结合形成MgO，放出能量570kJ/mol）；共价键：在特定的原子间由于共有电子而形成的吸引力（两个碳原子间的共价键键能为370kJ/mol）；金属键：由非局域电子（金属原子的最外层电子或价电子）而形成的吸引力。主价键：原子间的结合第48页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质结合力感应偶极子；极性分子；氢键：C-H、O-H、N-H正电荷吸引相邻分子的价电子，形成氢键（氢键的最大能量约30kJ/mol），氢键是次价键力中最强的，而且较普遍。次价键：分子间的结合（范德华力）第49页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质结合力离子键没有方向性，离子键的结合力很强，所以由离子键结合而成的离子晶体有很高的强度、硬度、熔点，离子键材料的导电性很差（由于离子的运动不像电子那么容易）。共价键具有饱和性、方向性，共价键的结合力很强，所以共价键材料的强度、硬度、熔点很高，脆性大（由于共价键的方向性），绝缘性（由于其外层电子都用于成键）。金属键没有方向性，金属键的结合力比共价键弱，所以金属键材料的硬度、熔点都低于共价键材料，可产生较大变形（由于金属键没有方向性），导电性好（公有电子能自由运动）。第50页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质结合力分子键（范德华键）很弱，所以分子键材料的硬度、熔点都很低。

氢键具有饱和性、方向性。实际的凝聚态材料的键合情况往往不是单一的，如碳元素可以结合成金刚石（共价键），也可以结合成石墨（层内形成环状共价键，层间形成金属键和分子键）。两成键原子的电负性相差很大时，形成的化合物主要是离子键；电负性相差较小时，主要形成共价键，也有一定的离子键；同种原子之间，可以是共价键，或金属键。材料的键合方式决定其性能，尤其在熔点、硬度上反映明显。第51页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质结合力金属材料的结合键主要是金属键；无机非金属材料的结合键主要是共价键或离子键；高分子材料的结合键主要是共价键、分子键、氢键。

第52页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的组成化学组成指构成材料的基本元素和化合物。一般地，金属材料的化学组成以主要元素的含量来表示，无机非金属材料的化学组成以氧化物的含量来表示。矿物组成指构成材料的矿物种类和数量。矿物是指：无机非金属材料中，某些元素或化合物以特定的结合形式存在，并具有特定的物理化学性质的组织结构。第53页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构

一般地，从宏观、细观、微观三个层次研究材料的结构与性能之间关系。用肉眼可分辨的材料结构，其尺寸在10-3m以上（毫米级）。

宏观结构材料的宏观结构包括：孔结构（孔隙的大小、形状、分布、连通性、体积总和等）、构造【固体材料分为：致密结构（钢材、玻璃）、多孔结构（烧结粘土砖、泡沫塑料）、纤维结构（木材、石棉）、层状结构（胶合板、纸面石膏板）、散粒材料（粒状、粉状材料）、复合材料等】。第54页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构材料的宏观结构与材料的性质密切相关，如：致密的材料强度高、抗渗性好，多孔的材料自重小、保温性能好。材料的宏观结构较容易改变，采用适当的材料加工手段（引气、抽孔、材料复合等），可以获得所需的材料性能。宏观结构第55页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构用光学显微镜可分辨的材料结构，其尺寸在10-3~10-6m（微米级）。如：金属材料的金相组织；木材的木纤维、髓线等显微组织；混凝土的微裂纹等。细观结构（亚微观结构）材料的细观结构与材料的使用性能密切相关，在分析材料的缺陷、破坏、性能退化等方面起重要作用。第56页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构用电子显微镜、X射线衍射仪等可分辨的材料结构，属于原子、分子层次，其尺寸在10-6~10-10m（纳米级）。微观结构材料的微观结构与材料的物理性质（强度、硬度、弹塑性、导热性等）有关。第57页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构微观结构根据其内部原子排列方式，固体分为晶体、非晶体两大类。非晶体中的原子无规则地堆砌在一起，如：松香、沥青、普通玻璃等，它们没有确定的熔点，各向同性；晶体中的原子（或离子）按一定规律排列，如：金属及绝大多数固体，甚至某些物质的外形也具有规则的轮廓（水晶、结晶盐、天然金刚石、冰糖等），它们具有确定的熔点，各向异性。第58页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构微观结构在结晶学中，将晶体中重复的单元称为晶胞。根据布喇菲（Bravais）空间点阵学说，所有的晶体，可分为7个晶系：立方、四方、正交、六方、菱方、单斜、三斜。晶体分为：原子晶体（石英、金刚石）、离子晶体（石膏、氯化钠）、分子晶体（蜡、部分有机化合物）、金属晶体（铁、钢、铝、铜及其合金）。第59页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构微观结构大多数金属的晶体结构属于这三种晶胞：体心立方、面心立方、密排六方。多数盐类、碱类（金属氢氧化物）、金属氧化物都形成离子晶体。对于二元离子晶体，可归纳为六种基本结构类型：NaCl型面心立方，CsCl型简单立方，立方ZnS型面心立方，六方ZnS型简单立方，CaF2型面心立方，金红石TiO2型体心立方。典型的共价晶体有三种：金刚石（单质型）、ZnS（AB型）、SiO2（AB2型）。硅酸盐（水泥、砖瓦、玻璃、搪瓷等）的基本结构单元是[SiO4]4-四面体。第60页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的结构微观结构非晶体包括：（1）玻璃体：熔融物质经急冷而形成的无定形体（粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰）；玻璃体具有潜在的化学活性。（2）胶体：细小的固体粒子（直径1~100μm）分散在介质中所组成的结构，一般属非晶体；胶体有很大的粘结力；胶体脱水形成凝胶，凝胶体具有固体性质，在长期应力作用下又具有粘性液体的流动性质。胶体可以是固体颗粒分散在溶液中（颜料）、一种液体分散在另一种液体中（牛奶）、固体颗粒分散在气体中（烟雾）。胶体粒子分散在溶液中的行为很像理想气体。胶体粒子之间的相互作用可以通过调节粒子的表面以及改变溶液的特性来控制，这使得通过胶体形成晶体的方法成为制备纳米和亚微米材料的重要手段。以胶体为代表的软物质研究是材料科学一个的新生长点。第61页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的性能从固体力学到断裂力学

一般地，力学性能是工程结构材料研究和应用中最关键性的问题。有关力学理论的发展十七世纪以来，随着生产力的迅猛发展，各种金属和非金属材料相继问世，为了确认材料的承载能力、分析构件的受力状态、为建筑结构或机械构件的设计提供理论依据，固体力学的初级阶段——材料力学得到了建立和发展。从17世纪中叶到19世纪末，材料力学不断发展和完善，提出了各种强度理论，建立了一整套有关结构强度设计的计算方法，这些方法被称为传统的强度设计方法。第62页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质从固体力学到断裂力学

有关力学理论的发展材料力学的传统的强度设计方法是：根据构件的受力分析，计算出构件横截面上的应力σ；根据材料试验，确定材料的极限应力，然后除以安全系数，得到材料的许用应力[σ]（各种材料的许用应力可从有关工程手册中查到）；建立安全条件，σ≤[σ]，即构件中的计算应力不超过材料的许用应力时，构件就能够安全地工作。可见，强度条件中只包含应力。第63页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质从固体力学到断裂力学

有关力学理论的发展从19世纪起，由于出现了一系列的断裂事故，人们对传统的强度设计观点产生了疑问。对这些事故的分析表明，构件的工作应力小于许用应力，而破坏的现象是突然断裂，人们把这样的断裂称为“低应力脆断”。进一步研究发现，在低应力脆断构件的断口处，存在宏观裂纹（用肉眼或低倍显微镜可见的裂纹，工程中一般认为尺寸大于0.1mm的裂纹），这些宏观裂纹是由材料中的原始缺陷或焊缝处的微裂纹发展而来的。1920年，英国人格理菲斯（Griffith）对玻璃试件的分析发现，根据分子力推算出的玻璃的理论强度为1.7*1010帕，而试验测得的玻璃的实际强度远远低于理论强度，且随着试件尺寸的增大，实际强度迅速降低。第64页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质从固体力学到断裂力学

有关力学理论的发展在工程实际中，工件不可避免地带有原始缺陷或微裂纹。为了解决带有裂纹构件的强度计算问题，断裂力学诞生了。断裂力学是研究带有裂纹或尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科，它在构件的裂纹尺寸、工作应力、材料抵抗裂纹扩展能力这三者之间建立了定量关系，为结构安全设计、寿命预测、材料加工、新材料研制等提供理论基础。第65页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质从固体力学到断裂力学

有关力学理论的发展裂纹在构件中的发生和扩展，是一个极为复杂的过程，应该从宏观、微观两方面同时进行研究。材料科学研究原子、位错、杂质、晶体尺度内的断裂过程，即研究裂纹的成核过程；应用力学研究宏观裂纹；工程分析是将应用力学的成果用于指导工程实际。断裂力学一般侧重于宏观裂纹的理论分析和实验研究，并以宏观-微观相结合的方法来研究断裂问题。第66页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质断裂力学与损伤力学

有关力学理论的发展材料的结构组织，在外载或环境因素作用下，会出现微裂纹的形成及扩展、空洞萌生、晶体位错等微观不可逆变化，由此造成材料宏观力学性能的劣化，称为材料损伤。材料在损伤过程中，内部微裂纹及孔隙的具体形状、尺度、分布、相互作用、裂纹尖端应力场等难以确定，损伤力学的原理是：将含有众多微裂纹的区域看成是局部均匀场，在这个场内，考虑全部裂纹的整体效应，找出一个能够表达这个均匀场的场变量，称为损伤变量，用来描述材料的损伤状态。损伤变量无法直接测量，需通过中间变量来确定，如通过材料弹性模量的变化来定义损伤度（损伤度为0时，材料没有损伤；最大损伤度小于或等于1。）。第67页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质断裂力学与损伤力学

有关力学理论的发展损伤力学是对分布于材料内部的损伤演化到形成确定尺寸的宏观裂纹之前这一阶段的研究，这个阶段对材料总寿命来说可达80%左右。断裂力学则是研究材料里的宏观裂纹在荷载或环境因素作用下导致的失稳断裂破坏。可以说，损伤力学是研究稠密的缺陷，断裂力学则要求材料里有一个可以识别的、对破坏起支配作用的裂纹；损伤力学是断裂力学的前期。第68页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质材料的性能与变形有关的材料性能

材料的工程性能弹性：物体在外力作用下产生变形，当外力消失后物体能恢复原来的形状，这种性质称为弹性。理想弹性体称为虎克（Hooke）体或弹簧元件。第69页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质与变形有关的材料性能

材料的工程性能塑性：固体材料产生不可恢复的变形称为塑性变形。理想塑性体称为圣维南（St.Venant）体或滑块元件。粘性：物体在外力作用下产生的变形与加载速度和持续时间有关。理想粘性体称为牛顿（Newton）体或阻尼器。蠕变：材料在恒应力长期作用下产生的塑性变形，随时间增长而增大。材料在总应变保持不变的条件下，其应力随时间增长而减小的现象，称为应力松弛。第70页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质与变形有关的材料性能

材料的工程性能材料的弹性行为符合胡克定律（弹力与变形呈线性关系），表征材料弹性特征的参数是弹性模量、相对变形的量。弹性模量反映了材料的刚度。第71页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质与变形有关的材料性能

材料的工程性能

弹性模量是固体原子间结合强度的标志之一，原子半径和离子半径越小、原子价越高的物质，其弹性模量和硬度就越大。当固体受外力作用产生弹性拉伸时，其原子间距增大，即外力对抗原子间作用力而作了功，导致固体的内能增加，使系统的自由能增大，弹性模量越大。陶瓷材料比金属材料的弹性模量高（10倍），是由于陶瓷通常以离子键或共价键结合，原子间作用力很强，相互之间键角十分固定，因此很难变形；金属键没有方向性，且位错滑移很容易发生，易产生塑性变形。橡胶属于高弹性体，其弹性变形巨大、而弹性模量很小，是由于橡胶具有柔性长链分子结构，外力使弯曲的分子线团拉直，但基本上不影响分子中的原子间距，拉伸使系统的有序度增加，即熵减小，从而增大了自由能。第72页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质与变形有关的材料性能

材料的工程性能理想弹性体的变形与应力作用的时间无关；理想粘性体的变形与应力作用的时间呈线性关系。自然界中的实际物体均同时具有弹性和粘性，高分子材料是典型的粘弹性体，其蠕变和应力松弛现象较明显。高分子材料的应力松弛是由于在外力作用下，分子链段沿外应力的方向运动并排列，从而减小了内部应力。第73页，共133页，2023年，2月20日，星期一1、材料科学基础知识二、建筑材料

的基本性质与变形有关的材料性能

材料的工程性能研究物质流动和变形的科学称为流变学(rheology)，它综合了流体力学、塑性理论和弹性理论。随着涂料、食品、化妆品等胶体物质工业的兴盛，人们发现这类物质具有流动性却不服从牛顿定律、具有半固态却不服从虎克定律，1919年宾汉姆（Bingham）提出了塑性流动的概念，并于1929年在美国成立流变学会。流变学分为金属流变学、食品流变学、分散系统流变学、生物流变学等不同领域，各具特点，互不相同。混凝土流变学属于混凝土材料学的研究领域。第74页，共133页，2023年，2月20日，星期一本资料引自：中国流变网（/），原作者：王振东,1999年11月在武汉华中科技大学召开的第六届全国流变学学术会议上的大会报告，后发表于《力学与实践》2001年23卷4期。（1）流变学的诞生

1928年雷纳应邀从巴勒斯坦到美国访问，与印地安纳州Lafayette学院的宾汉（BinghamEC1878～1945）教授一起工作。宾汉对雷纳说，我（一个化学家）和你（一个土木工程师），一起工作解决共同的问题，随着胶体化学的发展，这种工作方式将会变得很平常，因此需要建立一个物理学科的分支来处理这类问题。雷纳告诉宾汉，这样的分支是存在的，并且作为连续介质力学而被人们所认识。宾汉认为这样做不好，会吓跑化学家，需要给它起一个新的名字。宾汉请教了一位担任古典文学教授的同事，根据公元前6世纪古希腊哲学家赫拉克利特（Heraclitus）“一切皆流”的说法，提出了“流变学”（Rheology）这个名字。Rheo一词来源于希腊语Rheos（流动）之意。Rheology的中文译名没有简单地译成流动学，而是创造性地译成流变学，既有流动，又有变形。流变学简介第75页，共133页，2023年，2月20日，星期一（1）流变学的诞生宾汉于1928年在美国提议成立了流变学会（RheologicalSociety），研究材料的变形和流动。1929年召开了流变学会的第一次会议，并创办了《流变学杂志》。宾汉是流变学的奠基人。他研究了悬胶、油漆、水泥等一些材料的流变特性，写了一系列论文，特别是在1919年和H.格林联合发表的论文“油漆是一种塑性材料而不是黏性流体”，该文指出，油漆在剪切应力较小时，剪切应变率为零（或不发生流动），只有在剪切应力超达过临界值（即屈服应力）时，才发生流动，这时应变率和应力与屈服应力之差成正比。后来人们将具有这种流变规律或本构关系的材料或物质，称为黏塑性材料或宾汉塑性材料（简称宾汉体）。Eg:除油漆外，石膏、悬胶、面粉团，水泥砂浆等均可作为宾汉体来处理。圣维南的塑性流动材料和牛顿流体，均可作为宾汉体的特殊情况，前者的流动速度为零，后者的屈服应力为零。流变学简介第76页，共133页，2023年，2月20日，星期一直到第二次世界大战爆发以前，美国流变学会仍是世界上唯一的流变学会。1939年，荷兰皇家科学院成立了以J.M.伯格斯为首的流变学小组。1940年，英国成立了流变学家俱乐部。

1945年12月国际科学联合会（InternationalCouncilofScientificUnions）组织了一个流变学委员会。1947年在冯卡门主席的主持下举行了第一次会议，代表们来自物理、化学、生物科学、大地测量、空气物理、理论和应用力学的国际联合会。委员会的职能是：对流变学的专门名词进行命名；对流变学的论文进行摘要；组织国际流变学会议等。1968年前，国际流变学会议每5年举行一次。1968年以后，每4年举行一次。第15届国际流变学会议是2008年8月在美国举行的。

1973年国际流变学委员会被接纳为国际纯粹和应用化学联合会的分支机构。

1974年国际流变学专业委员会被接纳为国际理论和应用力学联合会的分支机构。（1）流变学的诞生流变学简介第77页，共133页，2023年，2月20日，星期一（2）流变学的研究对象流动的固体——流变学的研究对象之一流动的固体，是指弹性形变与黏性流动同时存在的物体。“弹性形变”是指短暂的、能恢复原状的形变。而“黏性流动”是指持续的、不能恢复原状的形变，它也被称为“流变”。过去一般谈固体时，是指只有弹性形变的物体；谈到流体时，是指只有黏性流动的流体。实际上，同时具有这两种性质的物体是很多的。流变学简介第78页，共133页，2023年，2月20日，星期一用钢棒和沥青棒作如下的实验：将钢捧放在两支点上，棒的正中间放一重物，此时钢棒弯了；当重物取走时，弯曲了的钢棒能完全恢复原状如下图a。钢棒此时是弹性形变。将沥青棒放到两支点上，如下图b那样，中间也放一重物。重物放置一段时间后取走，沥青捧稍恢复了一点，但并没恢复原状，还是弯的。这里的沥青棒，除有弹性形变外，己有了流变。如在沥青棒中间用手快速按一下，抬起手后，它能恢复原状，表现出很好的弹性。但若手按下较长时间再抬起，就己不能恢复原状。同是一根沥青捧，迅速按一下，它是弹性体；较长时间地按，又显现有流体的性质。钢棒与沥青棒的变形（2）流变学的研究对象流动的固体——流变学的研究对象之一流变学简介第79页，共133页，2023年，2月20日，星期一实际上很多物体，当外力作用的时间小于某一时间时，物体表现出弹性；当外力作用的时间大于这一时间，物体就会流变。这个时间就叫做物体的“缓和时间”。“缓和时间”是一个时间阈值，当外力作用时间超过此阈值时，物体的弹性就会“缓和”而产生流变。弹性体与流体之所以不同，也可认为只是其缓和时间不同而已。缓和时间无限长的物体，是理想的弹性体；缓和时间等于零的物体是理想的流体。具有弹性和黏性混合性质的物体，其缓和时间既不为零，也不是无穷大，它们就是可流动的固体，或者是有弹性的流体。固体表现出流动的性质，除了外力作用时间的因素外，还有温度的因素。当温度不断升高时，大部分物体都会要流变，表现出流体的性质。（2）流变学的研究对象流动的固体——流变学的研究对象之一流变学简介第80页，共133页，2023年，2月20日，星期一金属由应力引起的应变随时间变化的流动现象，称为蠕变。通常，升高温度或增加应力会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。金属材料在恒拉应力作用下，经过一定的时间而发生断裂的现象，称作蠕变断裂。在土木工程中，土地基的流变可延续数十年之久。地下隧道竣工数十年之后，仍可出现蠕变断裂。固体材料的蠕变是流变学研究的重要课题。现代工业需要耐高温、耐蠕变的高质量的金属、合金、陶瓷和高强度的聚合物，因此与固体蠕变断裂有关的流变学分支会迅速发展起来。核工业中核反应堆和粒子加速器的发展，也为研究幅射产生的流变打开了新的领域。（2）流变学的研究对象流动的固体——流变学的研究对象之一流变学简介第81页，共133页，2023年，2月20日，星期一在地球科学中，人们很早就知道时间过程这一重要因素。当观察地质断面时，可以看到岩石有皱纹的褶曲结构，这是岩石在流动的证据。在几亿年的地质年代里，岩层受着横向的力而流变成褶曲形状。在江西庐山芦林桥附近，有一处“第四纪冰川遗迹”,己立碑成为向旅游者展示岩石也在流动的景点。有人曾测量计算过冰川的黏性，大约是混凝土的100万倍；而混凝土的黏性，大约是水的100亿倍。可见无论冰川是多么“黏”，多么难于流动，经过了几千年、几万年，终究还是在慢慢地向下流动着。流变学为研究地壳中有趣的地球物理现象（如冰川期以后的上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震成因以及成矿作用等）提供了物理-