第二章　墙体材料生产基本原理

第一节　墙体材料的物质组成与结构

墙体材料与其他材料一样，在其生产和制造过程中，使原材料通过各种物理化学变化，转化成产品，使之具有各种性质，满足各种用途要求。物理化学变化指的就是原材料中的各种物质组成在生产加工过程中，从一种状态转化为另一种状态。要弄清这个物理化学变化过程的前提就是要首先弄清原材料和产品的物质组成和状态特征，因此有必要事先了解墙体材料的物质组成和结构特征。

墙体材料与其他材料一样，均由一定的物质组成，组成墙体材料的物质基本单元可以是化学元素，如氧、硅、铝、铁和钙等；也可以是化合物，如碳酸钙、二水硫酸钙等。墙体材料的生产过程中涉及原材料和产品两种物质状态的化学组成问题。

提到材料的结构，自然会想到“晶胞”，晶胞是能够代表某种物质物理化学性质的最小结构单元。而晶胞又是由原子、离子等质点构成的，由于人类的肉眼无法观察到，借助于各类显微镜也不能观察到，故称为“微观结构”。人类可以直接观察到的结构称为“宏观结构”。介于微观结构和宏观结构之间，借助于显微镜可以观察到的结构称为“显微结构”。显然，微观结构和显微结构的界线是模糊可变的，随着人类科学技术的进步，显微结构的范围会逐渐扩大。

材料结构是指组成材料的结构单元在三维空间中的排列方式及其相互关系。材料的结构单元可以是原子、离子，也可以是分子、离子团，还可以是晶胞，甚至是比晶胞要大的单位，例如：单晶、颗粒、物相、多晶体和多相体等。实际上材料结构划分为微观结构、显微结构和宏观结构是根据组成材料结构的基本单元尺度范围来确定的。结构单元在空间中的排列方式也有不同的形式，例如有规则的、无规则的。相互关系是指这些单元相互间的影响程度，如相互间的作用力大小、其中的电子是否可以相互交流等。

图2-1-1～图2-1-3是水泥熟料的三种层次结构，构成这三种层次结构的结构单元是不相同的，熟料的宏观结构（图2-1-1）是由各种熟料中气孔和熟料颗粒共同构成的，肉眼可见熟料是一种多孔的块状结构；熟料的显微结构（图2-1-2）则由熟料物相A矿（蓝色多边形）、B矿（褐色椭圆形）和中间相（填充在A矿和B矿之间的白色物相）构成的，通过光学显微镜便可观察到各结构单元在三维空间中的排列方式；熟料的微观结构（图2-1-3）则是由Si、O、Al、Fe、Ca等原子或离子构成的，物相的微观结构往往以晶胞作为结构单元，显然，不同的物相其结构单元的化学组成及其排列方式是不同的。图2-1-3中只给出了Si和O之间的排列方式。

图2-1-4是冰洲石单晶（CaCO₃），也称为方解石。所谓“单晶”就是指整个材料是由不计其数的晶胞平行排列堆砌而成的完整的晶体结构，构成单晶的结构单元就是晶胞。我们把结构单元在三维空间中做规则重复排列的物质称为晶体，那么，单晶就是一个晶体。大理石和石灰石是由许许多多的方解石单晶构成的，属于方解石的“多晶材料”，如图2-1-5所示。

水泥熟料、混凝土和烧结页岩砖等材料是由多种物相共同组成的，这种由2种或2种以上物相构成的材料就称为“多相材料”。对于多相材料，有不同的形成方式，一种是机械混合物相，机械混合物相中的各物相是在不同的环境下各自独立形成的；另一种则是共生物相，共生物相中的各物相是在同一化学环境下形成的。

一、化学组成

在墙体材料的生产和使用过程中，人们往往需要了解墙体材料及其原材料的化学组成特征，它是墙体材料在生产和使用中的重要参数，具有重要的参考价值。墙体材料化学组成涵盖的范围很广，除了少数归属于高分子有机材料外，大部分属于无机非金属材料，尤其是属于硅酸盐物质。

（一）基础物相与主要化学组成

墙体材料化学组成是决定墙体材料物相组成和性质的物质基础，对墙体材料性能的了解，尤其是对化学性质的了解，非常重要，必须要了解材料的主要化学物质组成。

材料的化学物质组成主要是指组成材料的元素数量关系，每一种墙体材料通常由几种主要的化学物质构成。例如，石膏制品中主要含有Ca、S、O和H元素，它们之间往往存在相对稳定的比例关系，从原子数目上看，Ca∶S∶O∶H=1∶1∶6∶4，从质量分数看含CaO 32.5%、SO₃46.6%、H₂O 20.9%；从构成元素的特性看，石膏属于硫酸盐，酸碱特性属于中性物质离子型化合物，微溶于水。

仅仅从材料的元素种类和数量关系来表征材料的组成特征是不足的。众所周知，化学元素在自然界中更多的是以化合物的形式出现，我们把那些化学组分分布均匀、内部结构相同的化合物称为“相”或“物相”。那么墙体材料就有可能是由一种或一种以上的物相构成的。石膏制品类墙体材料是一种以单一基础物相为特征的材料，对于水泥混凝土制品和烧结页岩砖类墙体材料，构成的基础物相往往是多种物相，物相本身的化学组成相对稳定，由于墙体材料内各物相间的比例变化不定，因此同种类型的墙体材料，例如混凝土类墙体材料的化学组成千差万别，导致其性能上出现各种差异。

（二）次要化学组成与化学组成变化类型

一种墙体材料除了主要化学物质组成以外，往往还存在各种次要组分，这些次要组分的进入，导致基础物相的化学组成发生了变化。次要组分的存在方式多种多样，这些方式是引起墙体材料化学组成发生变化的主要因素，次要组分同样会对墙体材料的性质产生影响，对某些性质的影响可能还非常大。

1.固溶体

“固溶体”是表述某种基础物相中的某些离子被其他物质组分替代时，该物相的化学组成发生变化的类型名称之一。当把基础物相看成一种固态溶剂时，溶液中的溶质就是其中的次要组分。例如方解石中的基础物相是CaCO₃，但方解石中含有Mg时，次要组分Mg就被看成是溶解在方解石中的溶质物质，含有Mg的方解石就被称为方解石的固溶体。现实生活中使用的各种墙体材料中的各组成物相均不可能是100%的化学纯物质，固溶现象是一种非常普遍的现象，次要组分的引入对物相的微观结构影响不大，X射线的衍射花样仅存在细微的差异，各种物理和化学性质随次要组分含量的增加仅仅发生量变而非质变。实际上，固溶体是基础物相中的某种元素被另一种性质类似的元素所替换，基础物相中的结构类型和化学键性质没有发生根本改变的化学组成变化的现象，这种现象有时也称为“类质同象”。当次要组分含量增大到一定极限后，引起基础物相结构发生改变，则该变化后的物相就不能再称为固溶体了。

通过对固溶体中次要化学种类和含量的分析，可以帮助我们弄清墙体材料的制备环境和条件，同时也可以帮助我们进一步了解墙体材料的各种性能。

2.杂质

实际上，杂质属于基础物相中混入的第二物相，例如石膏制品中混入的石英砂，石膏是基础物相，石英砂是第二物相。第二物相的引入导致了材料化学组成的变化，往往是增加了新的化学组分，杂质的引入对材料性质的变化的影响主要体现在杂质的含量上，少量的杂质并不影响基础物相的物理化学性质，但对墙体材料形成的化学过程产生较大的影响。例如，少量碱金属（K^＋、Na^＋）在混凝土中存在时，就有可能引起混凝土发生“碱-骨料反应”，导致混凝土产生有害膨胀，引起混凝土结构功能失效；又如少量的可溶性硫酸盐可以引起烧结页岩砖硫酸盐的析晶泛霜，严重时引起析晶胀裂，导致砖面崩裂。页岩矿中混入石灰石相，会在低温煅烧的页岩砖中留下石灰相，作为一种杂质相，砖块遇水后，会引起石灰的消化反应，同时伴随巨大的体积膨胀，膨胀应力引起砖块失去强度。

杂质相的引入可以是机械混入物，例如墙体材料生产过程中某个环节使用到石灰石带入的燧石；也可以是伴生或共生物，即在墙体材料生产发生化学反应的过程中形成的物相，例如水泥熟料生产过程中留下的游离氧化钙。

3.胶体

胶体是由一种分散相分散在分散媒所组成的不均匀的分散体系中形成的。“分散相”是一种细度在1～100nm的非晶物相，少量属于微晶相，“分散媒”可以是一种固体、液体或气体，通常为液态水。分散相的化学物质主要是各类容易聚合成大分子的无机聚合物，其中Si、Al、Fe、P、S、C等元素的氧化物及其含氧盐容易形成各种分散相。胶体中的分散相和分散媒的相对含量会随着环境条件的变化而变化，根据相对含量的不同，胶体可进一步分为“胶溶体”和“胶凝体”，前者分散媒含量高，而后者分散相含量高。图2-1-6为黏土胶体的结构示意图。

由于胶体中的分散相粒度很小，因此具有巨大的比表面积，总体积1cm³的分散相的颗粒数量约有10²¹个，表面积约5000m²。胶体表面通常带有未饱和的电荷，或是正电荷或是负电荷，前者称为“正胶体”，后者称为“负胶体”；有的具有两种电荷，例如层状蒙托石胶体，层面带负电荷，端面带正电荷。电荷的存在，使得分散相周围吸附有各类带电离子，这些离子成为胶体的化学组成之一，被吸附的离子分散在分散媒中，受到分散相的静电力作用，当分散媒中同时存在多种离子种类时，分散相会有选择地优先吸附其中一些离子。一旦向胶体中引入可被优先吸附的离子型化学组分，原来被吸附的离子就会被置换出来，形成新的胶体物质。该置换过程称为“离子交换”，离子交换作用是胶体的一个重要特性。胶体的化学组成主要由分散相、分散媒和被吸附的离子种类共同决定，由于胶体的离子交换作用使得被吸附离子的种类和数量会随着环境物质的变化而变化，因此被交换离子成为胶体中的次要组成。

墙体材料中与胶体相关的材料有水玻璃、水泥水化产物中的C-S-H凝胶、混凝土骨料中的蛋白石、未烧结前的黏土矿物和蒸压混凝土中的水化硅酸钙凝胶等物质。除了未脱水的水玻璃外，其余均属于胶凝体，大部分为硅酸盐。

（三）化学组成的变化

墙体材料的生产和使用过程中的化学组成均会发生各种各样的变化，各类墙体材料的化学组分既有共性也有个性。

生产过程中，从原料到产品，要发生各种各样的化学反应，这些反应过程往往伴随着各种气体和液体的挥发和蒸发；使用过程与环境中的各种物质接触，同样要发生各种氧化、化合和溶解反应，这些反应往往会使得反应体系的总质量发生增减。例如，页岩砖的烧结过程中，可燃组分发生氧化反应，形成二氧化碳和水汽挥发掉，砖坯中的吸附水和高岭石中的结构水也会随着温度的升高逐渐挥发掉，当坯体中存在硫酸盐和碳酸盐时，也会发生分解反应，脱出二氧化碳和三氧化硫等物质。混凝土砌块在使用过程中，一方面各种吸附水会随着环境的温度和湿度的变化而增减，另一方面其中的氢氧化钙又会与空气中的二氧化碳发生化合反应生成碳酸钙，同时释放出水分。

（四）化学组成的表达方式

由于大部分墙体材料及其原料属于无机非金属组分，其化学组分通常采用各个金属氧化物的含量来表示。例如：粉煤灰的化学组成可以表示为0.1K₂O·0.2Na₂O·2.1Fe₂O₃·10Al₂O₃·45SiO₂，也可以采用表格的方式列出各氧化物的百分含量。显然，使用各金属氧化物来表征墙体材料的化学组分时，仅仅只能表示出该材料的化学组分比例关系，却不能表达出该材料的化学特性，较好的化学组成表达方式是列出材料中的化合物组成或4矿物组成，也称为物相组成，再分别列出各物相中的化学组成。因此材料的化学组成表达问题实际上就是物相组成的表达问题。物相组成的表达方式有两种：一种称为“实验式”，主要用于对物相结构不清晰的物相化学组成的表达，例如非晶玻璃体等物质化学组分的表达；另一种就是“构造式”，构造式可以表达出物相中各化学组分在物相中结构的位置关系，主要用于结晶物相物质的化学组分的表达，因此也称为“晶体化学式”。

1.实验式

实验式有两种表达方式，一是将物相中的所有元素按照化学元素的电负性来排列，金属排在前，非金属排在后，并在每个元素的后面采用下标的方式表达出其中的原子数量关系。例如正长石的实验式可以表示为KAlSi₃O₈；另一种则采用金属氧化物组合的方式来表达，同样是正长石的实验式可以表示为K₂O·Al₂O₃·6SO₂。氧化物的表达式并不代表正长石中存在K₂O这样的氧化物。

2.构造式

构造式不仅表达了物相中化学元素的种类和数量关系，同时还表达出了每个元素在晶体结构中的相互空间位置关系，其书写规则如下。

阳离子写在前面，阴离子写在后面。有多种阳离子时，电价低的在前，高的在后。同价阳离子则按照强碱性的在前，弱碱性的在后这个原则排列。

阴离子以络阴离子团出现时，用方括号[]来表示，如硅氧四面体基团[SiO₄]，附加的阴离子则写在络阴离子的后面。

类质同象置换关系的元素均写在同一括号内，其间用逗号隔开，含量高的写在前，低的写在后。

结晶水用xH₂O（x为定值）表示，胶体水等非定量水用nH₂O（n代表任意值）表示，均写在最后，用圆点“·”分开。

例如，黏土矿物伊利石的构造式为：K_<1Al₂[（SiAl）₄O₁₀]（OH）₂·nH₂O，该构造式给出了多种结构信息，伊利石中有两种类型的铝离子，一种处在四面体层内[（SiAl）₄O₁₀]，置换硅氧四面体中的硅离子，另一种处在八面体层内Al₂；伊利石有两种水，一种是结晶水（OH）₂，另一种为层间水·nH₂O。

二、相组成

墙体材料的化学组成并不能反映出组成材料的物质的所有特征，例如，水泥加上水的化学组成与水泥硬化后的化学组成并没有本质上的差别，但是为什么水泥加水搅拌开始到终凝之前的性质与加水搅拌28天之后的性质截然不同，前者可以流动并可以造型，后者坚硬如石。两者化学元素种类和数量关系均没有发生变化，那是什么“魔力”使得它们的性质发生了变化呢？显然，在此期间内随着时间的推移，由于水泥与水之间发生了一系列的物理化学变化过程，由相同化学元素构成的化合物种类发生了变更，形成了新的化合物相，由于物相种类和数量的变化，导致它们的性质发生了转变，由具有流动特性的浆体转变成坚如磐石的石状体。由此可知，要了解墙体材料的性能和制造出有特定用途和性能的墙体材料，仅仅了解材料的化学组成是远远不够的，同时更要了解材料的物相种类和组成，了解各物相的结构、形态、大小和数量等信息。

（一）相结构

按照物相的概念，物相中的化学元素在三维空间中具有分布均匀的特性，因此物相各部分在各空间的物理化学性质是处处相同的。然而，均匀分布的化学元素在空间中的排列方式是可以不同的，根据物相中元素在空间的排列方式不同，可以将物相分为两种类型：晶相与非晶相，也称为晶体与非晶体。晶相中的物质单元在空间中的排列是规则的，如果是不规则的，就称为“非晶相”或“玻璃相”。

1.晶体的基本性质

晶相具有一些有别于非晶相的特殊性质，这是由晶体的格子构造所决定的。主要包括自限性、均一性、各向异性、对称性和固定熔点等特性。

（1）自限性（自范性）

自限性是指晶体在生长过程中，在适当的条件下，可以自发地形成几何凸多面体外形能力的性质。晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的直接反映。由于晶相中的物质单元的排列具有规则性，因此晶相的宏观外形往往具有特定的几何形态，例如立方体、菱形十二面体等。玻璃相则不存在规则的外形特征。晶面、晶棱和角顶分别与格子构造中的面网、行列和结点相对应。

（2）均一性

均一性是指同种晶体或者同一晶体的不同部分，具有相同的物理化学性质的特性。例如将一块石英敲碎，敲碎后的每小块石英的密度、熔点和化学组成等性质相同。这是由于晶体各个部分的组成基本单元（晶胞）排列方式是相同的，质点周期性重复排列，由此可见，由结构决定的一切物理性质，如密度、导热性、膨胀性等也都具有均一性。非晶体不具有处处结构排列相同的特性，仅仅是宏观统计上具有均匀性，故当非晶体被敲碎后，有可能存在两小块颗粒的密度或化学组成不完全相同的现象。

（3）各向异性

在同一晶体格子构造中，由于不同方向上质点排列不一样而引起晶体的性质也随方向不同而存在差异的性质，称为晶体的异向性，也称各向异性。例如方解石的解理特性就具有各向异性的特征，即当对方解石施加压力时，方解石会沿某一特定方向平整裂开，而非沿其他方向平整裂开的性质。

（4）对称性

对称性是指物体经过某种操作，如旋转一定角度或经过镜面反映，使得物体各部分性质，包括外形、颜色等物理化学性质，与未操作前完全相同（也称为重复）的特性。晶体具有对称性，说明晶体在不同方向或位置上具有相同的性质，这些相同的性质有规律地重复着。例如，方解石具有3个方向的解理，这3个解理方向绕一条直线呈120°交角平均对称地分布着。

晶体不仅仅存在各种宏观物理化学性质上的对称，同时也存在微观结构性质上的这种特征，格子状构造本身就是质点在三维空间呈周期性重复的体现。

（5）固定熔点

在相同热力学条件下，晶体与同种物质组成的非晶质体、液体、气体状态相比较，其内能更小，因此晶体比具有相同化学成分的非晶质体更稳定。

某一体系中，内能等于动能加势能，动能是由晶体内部质点在平衡点周围做无规则运动所决定的，常与温度和压力有关；势能则由质点间相互位置所决定，与质点的排列相关。当温度和压力确定时，动能即确定，此时势能就了决定了物质体系的内能。由于晶体内部质点都已经达到平衡位置，因此晶体的势能最小。而对于非晶质体、液体、气体的质点排列来说，由于排列无规律，质点间的距离偏离平衡距离，因此其势能都比晶体势能大。

晶体受热融化时，由于晶体具有格子状构造，其内部各质点按相同方式排列，各部分势能相同，因此熔化时所需的温度相同，具有一定的熔点。而非晶质体内部质点间距离不同，势能有大有小，非晶体熔解时需要的能量不同，体现在熔化温度不一致，即不具有固定的熔点。

2.物相的类型

按照物相微观结构特征，将物相分为晶相物质和非晶相物质。对于非晶相物质，由于微观结构具有长程无序的特点，难以进一步进行分类，而对于结晶相，根据不同的分类标准，可将结晶相进一步进行不同的分类。

按照结晶相的对称特点，可以将晶相分为三大晶族、七大晶系和32个晶类，晶类有时也称对称型，具体名称见表2-1-1。

按照构成晶体的元素种类和数量关系则把晶体分为单质、二元化合物，多元化合物等晶体类型。有些化合物的化学元素的数量关系虽然相同，但由于它们的晶体结构不同，所以通常以某些“典型结构”来命名，如二元化合物AB类型中又进一步分为NaCl型结构、CaO型结构、立方ZnS（闪锌矿）型结构和α-ZnS（纤锌矿）型结构等典型结构类型，属于NaCl型结构的有MgO、KCl等结晶物相。图2-1-7给出了NaCl型结构的晶胞示意图。

由于多数无机非金属材料属于氧化物晶相材料，因此可以根据物相中氧的堆积方式、阳离子的配位数和填充位置进行分类，大多数氧化物结构可以在氧离子近乎密堆的基础上形成，而正离子则处于合适的间隙位置上。就密堆方式而言主要有立方密堆和六方密堆两种类型，间隙类型有四面体间隙和八面体间隙等。表2-1-2给出了氧离子密堆方式与典型晶体结构的关系。

对于大多数组成墙体材料及其原材料的物相来说，其主要的物质组成属于各种类型的硅酸盐物质，组成硅酸盐物相的基本结构单元是硅氧四面体[SiO₄]^4－，根据硅氧四面体的连接方式，可以把硅酸盐分成岛状、链状、层状和架状四种。

（1）岛状硅酸盐结构

根据硅（Si）和氧（O）离子的化合价关系，一个硅只需要两个氧就可以保证阴阳离子的电价平衡，即氧硅比为2时，阴阳离子就处于稳定的8电子外层或18电子外层结构状态。实际硅酸盐物相中，由于存在其他阳离子，因此有可能使得物相中的氧硅比值大于2，当氧硅比值大于3时，物相中的硅氧四面体可能处在相互连接成无限大的链状、层状和架状结构状态。

岛状硅酸盐结构又可以根据硅氧四面体连接的数目分为孤立硅氧四面体结构、双硅氧四面体结构、三连环硅氧四面体结构、四连环硅氧四面体结构和六连环硅氧四面体结构5种类型，见图2-1-8。当氧硅比大于或等于4时，就形成了孤立硅氧四面体结构。这种物相的化学式相当于2R^＋₂O·SiO₂（=R^＋₄[SiO₄]）；2R^＋₂O·SiO₂（=2R^2＋[SiO₄]）；RO₂·SiO₂（=R^4＋[SiO₄]）。在这种硅酸盐中氧硅比为4，阳离子R可以是K^＋、Na^＋、Mg^2＋、Ca^2＋、Fe^2＋、Be^2＋、Zn^2＋、Mn^4＋、Zr^4＋等。水泥熟料矿物中的硅酸三钙和硅酸二钙矿物就属于孤立状硅酸盐结构类型的物相。具有很低膨胀系数（1×10⁶℃）的堇青石Mg₂Al₃[Si₅AlO₁₈]则具有六连环硅氧四面体结构类型特征。

（2）链状硅酸盐结构

在这类硅酸盐中，硅氧四面体以无限的单链n[SiO₃]^2－或双链n[Si₄O₁₁]^6－的形式存在，如图2-1-9所示。单链中的每个硅氧四面体以两个角顶分别与相邻的两个硅氧四面体连接成链，而双链中则由两个桥氧硅氧四面体和三个桥氧四面体相间连接成长链。无论是单链还是双链结构，链与链之间都是通过非桥氧与其他金属阳离子结合而相互连接起来的。

烧结页岩砖中莫来石具有链状硅酸盐结构类型的特征。

（3）层状硅酸盐结构

黏土中的高岭石、蒙脱石和伊利石等均属于层状硅酸盐结构。硅氧四面体的某一个面，是由硅氧四面体中的3个氧原子组成的平面，彼此以桥氧方式连接成六边形对称的无限二维硅氧四面体结构层是层状硅酸盐的基本结构特点（图2-1-10）。从图中可以看出该二维平面层中可以划分出一个矩形单位图形来，即图2-1-10中虚线所划定的区域。该区域成为层状硅酸盐晶胞中的一个基本单元要素，其组成可用（Si₄O₁₀）^4－来表示，该矩形单元的两个基本长度单位为a=0.52nm，b=0.90nm，这正是大多数层型硅酸盐结构的一般晶格参数值，见表2-1-3。

硅氧四面体层结构中有一个氧原子属于非桥氧，该氧的价态未被Si^4＋所饱和，因而它要与另一个阳离子结合，该阳离子配位数为6，通常可形成八面体，并彼此连接组成六边形对称的八面体层（图2-1-11），八面体层中的Me可以是二价或三价的金属离子Mg^2＋、Ca^2＋、Fe^2＋、Fe^3＋、Al^3＋、Mn^3＋等，八面体空隙中若填充的是三价离子，如Al^3＋，则只有2/3的空隙是填满的。如为二价离子，如Mg^2＋，则全部空隙均填满。前者称为二八面体，后者称为三八面体。可见，层状硅酸盐中的硅氧四面体层往往与由其他阳离子形成的八面体层连接起来。由1个八面体层与1个四面体层相结合起来形成一个更大的双层单元层，也称为1∶1型单元层；当1层八面体层的两侧各与1层硅氧四面体层相结合所形成的三层单元层称为2∶1型单元层。在单元层之间的区域，可以完全不存在其他任何离子，如：滑石；也可以存在水分子（即层间水）或其他阳离子，如：蒙脱石。高岭土就是双层硅酸盐矿物的代表，滑石则属于三层硅酸盐矿物。

（4）骨架状硅酸盐结构

骨架硅酸盐结构就是硅氧四面体在空间相互连接组成的三维网络结构，典型的骨架状硅酸盐就是石英SiO₂。

二氧化硅组成的物相有三种结构类型，即石英、鳞石英及方石英，这三种形式都以硅氧四面体连成骨架，只是四面体的连接方式有些不同，它们各自有一定的稳定温度范围。即：

　（2-1-1）

二氧化硅的这三种晶型都有低温相与高温相。低温相为α相，高温相为β相，它们之间的转变温度如下：

　（2-1-2）

　（2-1-3）

　（2-1-4）

高低温相之间的转变是一种无扩散的相变，不需要拆散原来的硅氧骨架，而只在原有骨架的基础上各硅氧四面体稍加扭转，因此相变比较容易发生。

除了石英外，长石也属于骨架状结构，它是由硅氧四面体和铝氧四面体联合组成的三维架状结构。相当于Al^3＋替代了Si^4＋，故骨架带负电荷，为了平衡电价，需要有K^＋、Na^＋、Ca^2＋、Ba^2＋等阳离子进入结构的间隙中。如钾长石化学式为K[AlSi₃O₈]，这种结构的特点是空隙大，密度低，并容易形成低温玻璃相。故在砖瓦烧结中钾长石常起助熔剂的作用。

（二） 同质多象

“同质多象”又称“同质异象”，是化学组分相同的物质在不同物理化学环境条件下形成两种或两种以上不同微观结构的现象。例如，上节提到二氧化硅在不同的温度条件下由“石英”转变为“鳞石英”再转变为“方石英”的现象，水泥熟料矿物中的β-C₂S与γ-C₂S之间的转化现象均属于同质多象现象。由于物相结构发生了转变，尽管化学组分未发生变化，但是物相的物理化学性质却发生了巨大的变化，一个明显的例子是石墨与金刚石的关系，两者均由化学元素碳组成，但两者的性质截然不同，石墨呈现黑色，具有导电性和极低的硬度，而金刚石无色透明，为绝缘体，以及具有极高的硬度。之所以产生如此大的性能差异，完全是由于同质多象变体之间结构上的差异引起的。

同质多象的形成主要受到物相形成的物理化学环境的控制，即受到物相形成时的温度、压力及介质成分特点的影响，某些固溶体中的次要组分种类和含量也会影响到同质多象变体之间的转变，这些外界环境的变化迫使物相进行内部结构调整，以适应新的环境，达到新的平衡。

温度对物相结构的影响主要体现在对组成物相中各离子半径的影响，有的离子对温度的响应较大，有的较小，随着温度的升高，离子半径会随之增加，作用力随之减小，因此结构调整的结果往往是密度减小，强度降低等。压力的影响与温度的影响类似，随着物相形成压力的增加，离子半径随之减小，对结构影响的结果与温度的升高相反。

（三）类质同象

物相的化学组成千差万别，并不是每一种化学组成比例关系和形成环境都对应一种物相结构，有的化学组分完全不同的物相，确有相同的空间结构排列方式，例如具有氯化钠型结构的物相化学组分可以是氧化镁。有的物相间部分化学组成相同，另一部分不同，不同的化学组分之间可以相互置换，并不改变物相的结构类型，因此将这种具有不同化学物质组成，但具有相同结构的现象称为类质同象。例如，方解石（CaCO₃）、菱镁矿（MgCO₃）和白云石[（Ca，Mg）CO₃]之间就属于类质同象。

类质同象有两种基本的类型，一种是有限置换型类质同象，另一种是完全置换型类质同象。有限置换型固溶体中两种相互置换的化学组分只能在有限的范围内相互置换，而完全置换型类质同象中的两种化学组分之间可以任意的比例相互置换。

实际上，并非任意两种化学组分之间都可以相互置换，它们之间相互置换是有条件的，也就是相互置换的两种化学组分之间存在一些相似性，这些相似性主要体现在以下几个方面：首先，替换组分之间的总电价必须相等，如Ca^2＋、Mg^2＋之间的替换为+2价离子之间的替换、Na^＋+Al^3＋和Si^4＋之间的置换为+4价离子之间的置换，前者称为“等价置换类质同象”，后者称为“异价置换类质同象”；其次，置换离子之间的离子半径必须相似或相近，经过归纳发现，当两离子半径之差与离子平均半径之比小于15%时，才能形成完全型类质同象，在15%～30%之间时，则形成有限置换型类质同象，大于30%时就很难形成类质同象了。最后，相互置换离子的类型也要相似，离子类型决定了离子的极化性质、化学键类型等结构要素，不同离子类型的离子，例如Ca^2＋和Hg^2＋、Na^＋和Cu^＋之间，尽管它们之间电价相同，离子半径相近，但是他们之间并不存在相互置换的现象，Ca^2＋和Na^＋属于8电子外层离子类型，而Cu^＋和Hg^2＋则属于18电子外层离子类型。

被置换量的多少与物相的形成环境有密切的关系，例如较高温度下形成的物相中的置换量要大于较低温度下的置换量，某些离子浓度较大时，会影响另一部分离子的置换，当环境中不存在其他低价阳离子时，Al^3＋置换Si^4＋的可能性就会大大降低。

三、显微结构

显微结构是指借助光学显微镜或电子显微镜观察到的结构，显微结构描述的结构实际上涉及单个晶体的形态、大小和各类晶体之间的相互关系。

普通光学显微镜的最大放大倍数为1000～1500倍，能够分辨两个点之间的最小距是0.2μm，该距离也称为分辨力，小于这个距离就不能分辨。所以，一般认为普通光学显微镜的分辨力极限约为0.2μm。电子显微镜的分辨力更好，通常可以达到纳米级，而且可以识别不同区域的元素组成和分布状况。

材料的性质与材料的显微结构特征有极大的关系，相同的结晶体或物质，由于显微结构的差异，其性质可以相差甚远。例如连接致密的刚玉，可以呈现像玻璃一样的透光性质，而连接不致密，晶体间存在缝隙时，材料将失去透光能力。烧结砖中如果烧结产物之间连接不致密，尤其是有较多的微孔存在时，砖的强度会降低，保温性能会提高。显微结构中的空洞如果是以贯通孔的形式存在时，砖的吸水性就会增大。混凝土制品中的湿胀干缩特性与混凝土中的凝胶体数量和大小有关，凝胶间的微裂缝可以存储吸附水，但吸附水的数量增大时，会伴随着制品体积的膨胀。

四、宏观结构

宏观结构是指用肉眼或放大镜能观察到的结构、它分为散粒结构、聚集结构、多孔结构、致密结构、纤维结构、层状结构等结构类型。

致密状结构：密实结构的材料内部基本上无孔隙，结构致密。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗性和抗冻性较好，耐磨性较好，绝热性差。如钢材、天然石材、玻璃、玻璃钢等。

多孔状结构：多孔结构的材料其内部存在大体上呈均匀分布的独立或部分相通的孔隙，孔隙率较大。孔隙有大孔和微孔之分。具有多孔结构的材料，其性质取决于孔隙的特征、多少、大小及分布情况。一般来说，这类材料的强度较低，抗渗性和抗冻性较差，吸水性较大，绝热性较好。如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等。

微孔状结构：该种结构具有众多直径微小的孔隙，通常密度和热导率较小，有良好的隔声、声性能和吸水性，抗渗性能较差。石膏制品、烧结砖具有典型的微孔状构造。

颗粒状结构：颗粒状构造的材料是指呈松散颗粒状的材料。颗粒有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其致密、强度高，适合作承重的混凝土骨料。后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因其多孔结构，适合作绝热材料。粒状构造的材料，颗粒间存在大量的空隙，其空隙率主要取决于颗粒级配。

纤维状结构：纤维结构的材料内部组成有方向性，纵向较紧密而横向较疏松，组织中存在相当多的孔隙，这类材料的性质具有明显的方向性，一般平行纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、玻璃纤维、石棉等。

层状结构：层状结构的材料具有叠合结构，它是用胶结料将不同的片状材料或具有各向异性的片状材料胶合成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状构造的材料后，可获得平面各向同性，更重要的是可以显著提高材料的强度、硬度、绝热性或装饰性等性质，扩大其使用范围。如胶合板、纸面石膏板、塑料贴面板等。