Связь состава, структуры и свойств
Свойства стройматериалов в большей мере связаны с особенностями их строения и со свойствами тех веществ, из которых данный материал состоит. В свою очередь, строение материала зависит: для природных материалов — от их происхождения и условий образования, для искусственных— от технологии производства и обработки материала. Поэтому строителю при изучении курса строительных материалов необходимо прежде всего усвоить эту связь. При этом технологию и обработку материалов следует рассматривать с точки зрения влияния их на строение и свойства получаемого материала. Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составами. В зависимости от химического состава все стройматериалы делят на: органические (древесные, битум, пластмассы и т. п.), минеральные (бетон, цемент, кирпич, природный камень и т. п.) и металлы (сталь, чугун, алюминий).
Каждая из этих групп имеет свои особенности. Так, все органические материалы горючи, а минеральные — огнестойки; металлы хорошо проводят электричество и теплоту. Химический состав позволяет судить и о других технических характеристиках (биостойкости и т. д.). Химический состав некоторых материалов (неорганические вяжущие вещества, каменные материалы) часто выражают количеством содержащихся в них оксидов.
Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный состав материала. Зная минералы и их количество в материале, можно судить о свойствах материала. Например, способность неорганических вяжущих веществ твердеть и сохранять прочность в водной среде, обусловлена присутствием в них минералов силикатов, алюминатов, ферритов кальция, причем при большом их количестве ускоряется процесс твердения и повышается прочность цементного камня.
При характеристике фазового состава материала выделяют: твердые вещества, образующие стенки пор («каркас» материала), и поры, заполненные воздухом и водой. Фазовый состав материала и фазовые переходы воды в его порах оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации.
Не меньшее влияние на свойства материала оказывают его макро- и микроструктура и внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне.
Под структурой или внутренним строением строительных материалов понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности, находящихся в устойчивых взаимных связях (первичных или вторичных). В структуре искусственных конгломератов условно можно выделить микро- и макродисперсный уровни.
Под микроструктурой подразумевается расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных или одинаковых по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются вещества в определенных агрегатных состояниях. Сформировавшееся атомно-молекулярное строение предопределяет микроскопические особенности материала. На микроскопическом уровне также устанавливаются в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков и других сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхностей раздела более сложной материальной системы — композиционного материала.
Микроструктура изучается методами оптической и электронной микроскопии, рентгенофазовым и рентгеноструктурным анализами, микрорентгеноспектральным методом.
В зависимости от характера контактируемых частиц, согласно П. А. Ребиндеру, однородные микроструктуры делятся на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.
Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами — ван-дер-ваальсовые силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.
Конденсационные структуры возникают при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей.
Кристаллизационные структуры образовываются путем вы-кристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей.
При этом возможным является образование и смешанных структур, например коагуляционно-кристаллизационных и др. С реальным характером микроструктур связаны в известной мере и представления об их качественных характеристиках. Так, вещества с коагуляционной структурой обладают пониженной прочностью, однако имеют способность к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные структуры, особенно кристаллизационные, придают веществу повышенную прочность, но вместе с тем усиливают хрупкость, снижают тиксотропность.
В микроструктурах могут встречаться различные виды неплотностей и дефектов, которые отрицательно влияют на качество материала. К ним относят: дефекты кристаллической решетки в виде так называемых вакансий или примесей в кристаллической решетке; микротрещины, способные под нагрузкой расти и переходить в макротрещины; поры — замкнутые и сообщающиеся или и те, и другие различного происхождения, что зависит от разновидности цементирующего вещества.
Кроме вяжущего вещества, микродисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности другого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материала и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности контактирующих слоев и т. п. Различие в качестве контактной зоны и остального объема вяжущего является не скачкообразным, а довольно плавным.
Макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Она образована под влиянием цементирующей способности вяжущего вещества, благодаря чему частицы заполнителя (зернистые, волокнистые и др.) скрепляются между собой в общий монолит. Большинство материалов в своем составе, кроме твердого вещества, имеют воздушные включения — поры размером от долей миллиметра до сантиметра. Количество, размер и характер пор во многом определяют свойства материала.
Наличие в каждом элементарном объеме пор или трещин означает, что целые группы атомов не имеют взаимодействия друг с другом, так как между ними могут быть газовые, водные или другие инородные преграды, не обладающие прочностью. Следовательно, количество связей на единицу площади оказывается значительно меньше, что должно отрицательным образом отразиться на прочности твердого тела. Можно пояснить, что наличие в 1 см3 материала замкнутой поры размером 0,001 см, т. е. 10 мкм, приводит к следующему: во-первых, на площади сечения 1 см2 отсутствует 1014 межатомных связей; во-вторых, кристаллическая решетка значительно искажена и является энергетически неустойчивой, особенно на границе раздела фаз; в-третьих, в указанном объеме возникают остаточные напряжения, способные вызвать самопроизвольное разрушение; в-четвертых, на поверхности раздела пор начинают развиваться физико-химические процессы, также снижающие прочность материала.
Подобно компактной упаковке дискретных частичек в микроструктуре вяжущих веществ, смесь грубозернистых наполнителей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе связующих веществ как наиболее дорогостоящих компонентов и уменьшать усредненную толщину обмазочного слоя вяжущего вещества в конгломерате.
Во многом свойства материала определяют количество, размер и характер пор. Например, пористое стекло (пеностекло) в отличие от обычного непрозрачное и очень легкое.
Рис.1. Структура пеностекла
Форма и размер частиц твердого вещества также влияют на свойства материала. Так, если из расплава обычного стекла вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая стеклянная вата.
Рис.2. Стекловата
В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть зернистой (рыхлозернистой или конгломератной), ячеистой (мелкопористой), волокнистой и слоистой.
Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных, не связанных одно с другим зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции и засыпок и др.).
Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных и керамических материалов и др.
Пример природного материала конгломератного строения — гранит, который состоит из зерен различных минералов, прочно сросшихся друг с другом.
рис.3. Гранит
Искусственным материалом конгломератного строения является бетон, в котором зерна песка и щебня прочно соединены в монолит цементным камнем.
Кроме заполнителя в смесь нередко добавляется порошкообразный материал, частицы которого соизмеримы с размерами частиц используемого в конгломерате вяжущего вещества и новообразованиями — кристаллическими, аморфными и др. Их называют наполнителями.
Заполнители и наполнители могут быть активными, неактивными и малоактивными. К активным принадлежат те, которые при добавлении к вяжущему веществу повышают прочность конгломерата оптимальной структуры хотя бы по одному виду напряжений — сжатию, растяжению, сдвигу и т. п.
Структура строительного конгломерата составляет единую, неделимую, цельную систему, и выделить какие-либо структурные элементы без разрушения всей системы нельзя.
Единая и монолитная структура конгломерата может быть оптимальной и неоптимальной.
Оптимальной называют структуру, если частицы в ней распределены равномерно по объему (фазы, компоненты, поры и др.), отсутствуют или присутствуют в малом количестве дефекты структуры как концентраторы напряжений или аккумуляторы агрессивной среды, имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде пространственной сетки минимально необходимой толщины. В тех случаях, когда в материале нет вяжущей прослойки, условием оптимальности структуры служит наибольшая поверхность контактирования и взаимосвязи частиц твердой фазы. При этом оптимальная структура всегда является отражением принятых технологических особенностей формирования ее в производственных условиях. Таким образом, оптимальная структура материала носит регулярный характер в отличие от неоптимальной.
Неоптималъными называют структуры, которые не удовлетворяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных условий оптимальности. Оптимальным структурам соответствуют улучшенные показатели качества материалов по сравнению с неоптимальными. Это улучшенное качество обусловлено повышенной плотностью, минимальным количеством жидкой среды, повышенной концентрацией твердой, например кристаллической, фазы, минимумом объема пор в контактных зонах и рядом других причин, особенно энергетического характера.
Достоинством оптимальных структур является их сходство. Это означает, что закономерность, вскрытая в отношении одного материала, может быть распространена на другие, если их структуры — оптимальные.
Рис.4. Бетон
Ячеистая (мелкопористая) структура характеризуется наличием макро- и микропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам, некоторым керамическим материалам.
Рис.5. Макроструктура пенобетона
Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свойствами вдоль и поперек волокон (слоев). Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами, — анизотропными. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты, а слоистая — рулонным, листовым, плитным материалам со слоистым наполнителем (бумопласт, текстолит и др.).
Рис.6. Гравий керамзитовый
По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных веществ определяет и различия в их свойствах. Аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически более активны, чем кристаллические такого же состава (например, аморфные формы кремнезема — пемзы, туфы, трепелы, диатомиты и кристаллический кварц).
Существенное различие между аморфными и кристаллическими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании имеют определенную температуру плавления (при постоянном давлении), а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние.
Прочность аморфных веществ, как правило, ниже кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию, например стекол при получении стеклокристаллических материалов — ситаллов и шлакоситаллов.
Читать по теме:
- Основные свойства строительных материалов
- Связь состава, структуры и свойств
- Физические свойства
- Механические свойства стройматериалов
- Химические и физико-химические свойства