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哈利法塔原名迪拜塔，是目前世界第一高楼与人工构造物。塔高828m，楼层总数162层，造价15亿美元，该塔建造过程中总共使用33万立方米混凝土、6.2万吨强化钢筋、14.2万平方米玻璃，这些不同的土木工程材料的使用带来了建筑史上一段传奇。那么，为什么会有形态、性质千差万别的土木工程材料供设计施工选择？这些土木工程材料的组成、结构及构造又有哪些特点呢？
材料是构成土木工程的物质基础，其处于建（构）筑物的不同部位和不同的使用环境，不同的使用功能对材料性质要求也不同，如板、梁、柱以及承重墙体主要承受各种荷载作用，屋面、墙面要承受外界环境的侵蚀和起到保温、防水等作用。为了保证工程结构的使用功能、耐久性和安全性，土木工程材料应具有抵御上述各方面不良影响的性质，这些性质归纳起来，包括材料的物理性质、力学性质和耐久性。
材料的组成是指构成该材料的成分，它不仅影响材料的化学性质，而且是决定材料物理力学性质的重要因素。具体说来，材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。
1．化学组成
化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种类与数量。材料在各种化学作用下表现出的性质，都是由其化学组成所决定的。
2．矿物组成
矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量比例关系。某些材料如天然石材、无机胶凝材料，其矿物组成是在其化学组成确定的条件下决定其性能的主要因素。
3．相组成
材料中性质相同、结构相近的均匀部分称为相。自然界中的物质，可分为气相、液相、固相三种形态。对材料而言，同种化学物质由于加工工艺不同，温度、压力等环境条件不同，可形成不同的相。在土木工程材料中，如混凝土是由骨料颗粒（分散相）分散在水泥浆（基相）中硬化而成的两相复合材料。可通过改变和控制有关的相组成和界面特性，来改善和提高材料的技术性能。
材料的结构也是决定材料性能的重要因素，具体可分为宏观结构、亚微观结构和微观结构。
1．宏观结构
材料的宏观结构是指用肉眼能观察到的外部和内部的结构，其尺寸在10 -3 m以上。土木工程材料常见的宏观结构，按孔隙特征可以分为以下几类。
（1）密实结构。密实结构的材料内部基本无孔隙，结构致密，如图1.1（a）所示。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗性、抗冻性及耐磨性较好，而绝热性差，如钢材、天然石材、玻璃钢等。
（2）多孔结构。多孔结构材料其内部存在大体上均匀分布的、独立或部分相通的孔隙，孔隙率较高，其孔隙又有大孔和微孔之分。具有多孔结构的材料，其性质决定于孔隙的特征、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，绝热性则较好，如加气混凝土、石膏制品、烧结普通砖等，如图1.1（b）所示。
图1.1 按孔隙特征分类
土木工程材料的宏观结构按构造特征可以分为以下几类。
（1）纤维结构。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，一般平行于纤维方向的强度较高，导热性较好。如木材、竹、玻璃纤维、石棉等。
（2）层状结构。层状结构的材料具有叠合结构，是用胶结材料将不同的片材或各向异性的片材胶合成整体，其每一层的材料性质不同，但叠合成层状结构后，整体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。
（3）散粒结构。散粒结构指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒与轻质多孔颗粒之分，前者如砂、石子等，因其致密、强度高，适合作混凝土骨料；后者如陶粒、膨胀珍珠岩等，因为具有多孔结构，适合作绝热材料。
（4）纹理结构。天然材料在生长或形成过程中，自然形成一种天然纹理，如木材、大理石、花岗石等板材，或人工制造材料时特意造成纹理，如瓷质彩胎砖、人造花岗石板材等。这些天然或人工造成的纹理，使材料具有良好的装饰性。
2．亚微观结构
亚微观结构是指用光学显微镜和一般扫描透射仪器所能观察到的结构，介于宏观和微观之间，其尺度范围在10 -3 ～10 -9 m。材料的亚微观结构根据其尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构，其中显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围为10 -3 ～10 -7 m。土木工程材料的显微结构，应根据具体材料分类研究。对于水泥混凝土，通常是研究水泥石的孔隙结构及界面特性等；对于金属材料，通常是研究其金相组织，即晶界及晶粒尺寸等；对于木材，通常是研究木纤维、管胞、髓线等组织结构。材料在显微结构层次上的差异对材料的性能有着显著的影响，对于土木工程材料而言，从显微结构层次上研究并改善材料性能十分重要。
材料的纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构，其尺度范围为10 -7 ～10 -9 m。由于纳米微粒和固体有小尺寸效应、表面界面效应等基本特性，使得由纳米微粒组成的纳米材料具有许多奇异的物理和化学性能，因而得到了迅速发展，在土木工程中也得到了应用，如磁性液体、纳米涂料等。通常胶体中的颗粒直径为1～100nm，其结构是典型的纳米结构。
材料在亚微观结构层次上的各种组织结构的性质和特点各异，它们的特征、数量和分布对土木工程材料的性能有重要的影响。
3．微观结构
微观结构是指基本物相的种类、形态、大小及其分布特征，它与材料的强度、硬度、弹塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质有密切的关系。土木工程材料的使用状态均为固体，固体材料的相结构基本上可分为晶体、非晶体两类，不同结构的材料性质明显不同。
1）晶体
构成晶体的质点（原子、离子、分子）按一定的规则在空间呈有规律的排列时所形成的结构称为晶体结构，如图1.2所示。晶体具有一定的几何外形，显示各向异性。但实际应用的晶体材料，通常是由许多细小的晶粒杂乱地排列组成，故晶体材料在宏观上显示为各向同性。
图1.2 晶体结构
2）非晶体
非晶体又称无定形物质，是相对晶体而言的。在非晶体中，组成物质的原子和分子之间的空间排列不呈现周期性和平移对称性，其结构完全不具备长程有序，只存在短程有序。非晶体包括玻璃体和胶体等。
（1）玻璃体。将熔融的物质进行迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及做有规则的排列便凝固，这时形成的物质结构即为玻璃体。玻璃体具有化学不稳定性，亦即存在化学潜能，在一定的条件下易与其他物质发生化学反应，具有良好的化学活性。如粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰等均属玻璃体，常被大量用作硅酸盐水泥的掺合料，以改善水泥性质。
（2）胶体。以结构粒径为10 -7 ～10 -9 m的固体颗粒（胶粒）作为分散相，分布在连续相介质中形成分散体系的物质即称为胶体。通常分散粒子带有电荷（正电荷或负电荷），而介质带有相反的电荷，保证胶体具有稳定性。
在胶体结构中，若胶粒较少，液体性质对胶体结构的强度及变形性质的影响较大，这种胶体结构称为溶胶结构；若胶粒较多，胶粒在表面能的作用下发生凝聚作用，或者由于物理、化学作用而使胶粒彼此连接，形成空间网状结构，变形性减小，形成固态、半固态，胶体材料的强度增大，则该胶体结构称为凝胶结构。
胶体结构与晶体和玻璃体结构相比，强度低，变形大。
材料的构造，是指具有特定性质的材料结构单元间互相组合搭配的情况。构造这一概念与结构相比，更强调了相同材料或不同材料间的搭配组合关系，如材料的孔隙，岩石的层理，木材的纹理和疵病等，这些构造的特征、大小、尺寸及形态决定了材料一些特有的性质。若孔隙是开口、细微且连通的，则材料易吸水、吸湿，耐久性较差；若孔隙是封闭的，其吸水性会大大下降，抗渗性就会提高，所以对同种材料来讲，其构造越密实、越均匀，则强度越高，表观密度越大。