常见的建筑材料如混凝土与钢材有哪些基础科学属性？

混凝土和钢材是两种最常用的建筑材料，它们各自具有独特的基础科学属性，这些属性决定了它们的性能和应用。以下是它们各自的关键科学属性：

一、 混凝土

混凝土是一种复合材料，主要由水泥、水、骨料（砂、石）以及可能的掺合料和外加剂组成。其基础科学属性源于其复杂的微观结构和化学反应。

化学属性 (水化反应)：

• 核心反应： 水泥与水发生化学反应（水化反应），生成水化硅酸钙凝胶（C-S-H）、氢氧化钙（CH）和其他水化产物。这是混凝土获得强度的根本原因。
• 微观结构形成： 水化反应产生的水化产物（尤其是C-S-H凝胶）包裹并粘结骨料颗粒，形成致密但多孔的固体结构。凝胶是强度的主要来源。
• 孔隙性： 反应过程中会留下毛细孔、气孔等孔隙。孔隙率、孔径分布直接影响混凝土的强度、渗透性、耐久性。
• 长期反应： 水化反应是一个长期过程（可持续数月甚至数年），导致混凝土强度随龄期增长（养护），但也可能产生不利影响（如碱骨料反应）。

物理属性：

• 抗压强度高： 这是混凝土最突出的力学性能，主要由水化产物（尤其是C-S-H凝胶）的粘结作用和骨料的强度贡献。
• 抗拉强度低： 混凝土的抗拉强度远低于其抗压强度（通常约为抗压强度的1/10），这是其内在弱点，需要通过配筋（钢材）来弥补。
• 密度： 普通混凝土密度约为2300-2500 kg/m³，属于较重材料。
• 热膨胀系数： 混凝土具有热胀冷缩的特性，其线性膨胀系数约为10×10⁻⁶ /°C（与钢筋相近，这是二者能协同工作的原因之一）。
• 导热性： 混凝土具有一定的导热性。
• 徐变： 在持续荷载作用下，混凝土会发生随时间增长的变形（徐变），影响长期变形和预应力损失。
• 收缩： 混凝土在硬化过程中会因水分蒸发、碳化等原因产生体积收缩，可能导致开裂。

耐久性相关属性：

• 渗透性： 衡量液体和气体渗入混凝土内部的能力。低渗透性是高耐久性的关键，与水灰比、密实度、养护等有关。
• 抗冻融性： 孔隙中的水结冰膨胀会导致混凝土破坏。引入适量微小气泡（引气）可显著提高抗冻性。
• 抗化学侵蚀性： 抵抗酸、盐、硫酸盐等化学物质侵蚀的能力，与水化产物稳定性、密实度有关。
• 碳化： 大气中的CO₂与混凝土中的氢氧化钙反应生成碳酸钙，降低碱度，可能导致钢筋锈蚀。

二、 钢材

钢材是以铁为主要元素，并含有少量碳（通常<2%）和其他合金元素的金属材料。其基础科学属性主要源于金属的晶体结构、相变和合金化。

物理属性：

• 高强度： 钢材具有很高的抗拉和抗压强度。
• 高延展性： 钢材在断裂前能承受显著的塑性变形（伸长率），这是其重要的韧性来源，有利于承受冲击荷载和应力重分布。
• 韧性： 钢材在断裂前能吸收大量能量（韧性好），抵抗冲击和脆性断裂的能力强（但低温、应力集中、特定冶金缺陷可能导致脆性转变）。
• 密度： 约为7850 kg/m³，属于较重材料。
• 热膨胀系数： 约为12×10⁻⁶ /°C，与混凝土相近。
• 导热性： 钢材是热的良导体。
• 导电性： 钢材是电的良导体。

微观结构与力学属性：

• 晶体结构： 钢主要是铁原子在空间按体心立方或面心立方晶格排列形成的多晶体材料。
• 晶粒与晶界： 晶粒大小、形状和晶界特性对强度、韧性有显著影响（细晶强化）。
• 相变： 钢的性能可通过热处理（如淬火、回火、正火、退火）改变其微观组织（如铁素体、奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体）来实现调控。
• 位错理论： 塑性变形主要通过晶体内的位错运动实现。合金元素、加工硬化（冷作硬化）等会影响位错运动，从而改变强度。
• 疲劳： 钢材在交变应力作用下可能发生疲劳破坏，存在疲劳极限。
• 蠕变： 在高温下，钢材在持续应力下会发生缓慢的塑性变形（蠕变）。

化学与电化学属性：

• 腐蚀： 钢材最大的弱点是在潮湿或有电解质的环境中容易发生电化学腐蚀（生锈）。腐蚀会显著降低钢材的承载能力和耐久性。
• 合金化： 通过添加铬、镍等元素形成不锈钢，可显著提高耐腐蚀性（钝化膜）。添加锰、钒、铌等元素可细化晶粒或产生沉淀强化，提高强度。

总结

• 混凝土： 其性能基础是水泥水化反应形成的多孔复合材料结构。抗压强度高、抗拉强度低、耐久性受孔隙和化学稳定性影响是其核心特性。
• 钢材： 其性能基础是铁的晶体结构、合金化和热处理。高强度、高延展性、韧性好，但易腐蚀是其核心特性。

正是由于混凝土抗压强度高但抗拉强度低，而钢材抗拉强度高且延性好，两者结合形成钢筋混凝土，能够充分发挥各自的优势，成为现代建筑结构的基石。理解它们的基础科学属性对于正确选择、设计、施工和维护建筑结构至关重要。