材料的性質除與材料組成有關外，還與其結構和構造有密切關系。材料的結構和構造是泛指材料各組成部分之間的結合方式及其在空間排列分布的規律。目前，材料不同層次的結構和構造的名稱和劃分，在不同學科間尚未統一。通常，按材料的結構和構造的尺度范圍，可分為宏觀結構、介觀結構和微觀結構。  一、宏觀結構  材料的宏觀結構是指用肉眼或放大鏡可分辨出的結構和構造狀況，其尺度范圍在10-3m級以上。按宏觀結構的特征，材料有致密、多孔、粒狀、層狀等結構，宏觀結構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，但宏觀結構不同，前者為致密結構，后者為多孔結構，其性質截然不同，玻璃用作采光材料，泡沫玻璃用作絕熱材料。  材料宏觀結構和構造的分類及特征見表1-1。






宏觀結構

結構特征

常用的土木工程材料舉例


按孔隙特征

致密結構
微孔結構
多孔結構

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


按構造特征

纖維結構
層狀結構
散粒結構
聚集結構

主要由纖維狀材料構成 
由多層材料疊合構成
由松散顆粒狀材料構成
由骨料和膠結材料構成

木材，玻璃鋼、巖棉、GRC等
復合墻板、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、介觀結構  材料的介觀結構(又稱亞微觀結構)是指用光學顯微鏡和一般掃描透射電子顯微鏡所能觀察到的結構，是介于宏觀和微觀之間的結構。其尺度范圍在10-3～10-9m。材料的介觀結構根據其尺度范圍，還可分為顯微結構和納米結構。其中，顯微結構是指用光學顯微鏡所能觀察到的結構，其尺度范圍在10-3～10-7m。土木工程材料的顯微結構，應根據具體材料分類研究。對于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙結構及界面特性等結構；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、髓線等組織的結構。材料在顯微結構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量減少、孔徑減小，將使混凝土的強度和抗滲性等提高。因此，對于土木工程材料而言，從顯微結構層次上研究并改善材料的性能十分重要。  材料的納米結構是指一般掃描透射電子顯微鏡所能觀察到的結構。其尺度范圍在10-7～10-9m。材料的納米結構是20世紀80年代末期引起人們廣泛關注的一個尺度。其基本結構單元有團簇、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、表面界面效應等基本特性，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性能，因而得到了迅速發展，在土木工程中也得到了應用，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，其結構是典型的納米結構。  三、微觀結構  材料的微觀結構是指原子或分子層次的結構。材料按微觀結構可分為晶體和玻璃體。  (一)晶體結構  晶體是質點(原子、分子、離子)按一定規律在空間重復排列的固體，具有一定的幾何形狀和物理性質。晶體質點間鍵能的大小以及結合鍵的特性決定晶體材料的特性，如表1—2。
 




材料的微觀結構

常見材料

主要特性


原子晶體(以共價鍵結合)

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，它廣泛應用在水泥、陶瓷、磚瓦、玻璃等材料中，硅酸鹽晶體的基本結構單元是SiO4四面體，硅在四個氧形成的四面體的正中(如圖l—1)。硅酸鹽的結構比較復雜，是由基本單元SiO4與其他金屬離子結合而成，可以組成鏈狀結構、層狀結構等硅酸鹽晶體。  (二)玻璃體  玻璃體是熔融物在急冷時，質點來不及按一定規律排列而形成的內部質點無序排列的固體或固態液體。玻璃體結構的材料沒有固定的熔點和幾何形狀，且各向同性。由于內部質點未達到能量最低位置，大量化學能儲存在材料結構中，因此，其化學穩定性差，易與其他物質發生化學反應。如某些活性混合材料的活性特點，正是這種玻璃體結構材料的表現。