Строение материалов

Под строением строительного материала, как и любого фи- зического тела, понимают пространственное расположение от- дельных частей, частиц, пор, микротрещин, а также соотноше- ние компонентов, фаз и поверхностей раздела.
Строение материалов изучают на разных уровнях.
Внутреннее строение вещества – это строение на молеку- лярно-ионном уровне, это расположение, взаимоотношение и взаимосвязь атомов, ионов и молекул, из которых слагаются вещества.
Типы связей между атомами, группами атомов, молекула- ми: ионные, ковалентные, молекулярные (связи Ван-дер-Вааль- са), водородные и металлические.
Тип связей между микрочастицами отражается на свойст- вах вещества. Например, для веществ с ковалентными связями характерна повышенная прочность; ионные связи определяют способность хорошо растворяться в воде, металлические связи – способность проводить электрический ток.
Наиболее характерные типы внутреннего строения:
· Кристаллическое строение – упорядоченное располо- жение частиц вещества (атомов, молекул) в простран- стве, образующее характерную кристаллическую ре- шетку. Это называют «дальним порядком». Кристалли-
ческое строение характерно для большинства минера- лов горных пород: кварца, слюды, полевых шпатов.
· Аморфное строение (стеклообразное) – неупорядочен- ное расположение атомов (молекул) в пространстве, отсутствие кристаллической решетки. Может наблю- даться «ближний порядок» в расположении частиц от- носительно случайно выбранного центра – упорядо- ченность в микрообъеме, но отсутствует «дальний по- рядок». Подобные материалы называют переохлаж- денными жидкостями. Наиболее распространенные представители – вулканические и искусственные стек- ла (обсидиан, оконное стекло).

Кроме этого, возможны переходные типы строения, напри- мер, стеклокристаллическое строение ситаллов: наличие в объ- еме материала аморфного строения участков кристаллического строения.
Свойства кристаллических и аморфных веществ значитель- но различаются.
Для кристаллических веществ характерно наличие опреде- ленной температуры плавления (фазовый переход из твердого состояния в жидкое при определенной температуре), опреде- ленная правильная форма кристаллов.
Для аморфного строения характерно отсутствие температу- ры плавления как физической константы – при нагревании ма- териал постепенно размягчается.
Кристаллическое и аморфное строение иногда являются разными состояниями одного и того же вещества. Например, минерал кварц и кварцевое стекло имеют одинаковый химиче- ский состав, они состоят из оксида кремния SiO2, но у кварца – кристаллическое строение, а у кварцевого стекла – аморфное. Нагревая кварц до полного расплавления, а затем быстро охла- ждая расплав, можно получить кварцевое стекло. В природе кроме кристаллического кремнезема – кварца – имеется ряд ми-
нералов аморфного и скрытокристаллического строения, со- стоящих из кремнезема, – опал, халцедон, агат, яшма.
Как правило, при одинаковом химическом составе вещест- ва аморфного строения обладают более высокой химической активностью (т.е. менее стабильны), чем вещества кристалличе- ского строения.
Очень яркий пример из области строительного материало- ведения – это взаимодействие оксида кремния с известью.
В принципе, оксид кремния способен взаимодействовать с известью с образованием гидросиликатов кальция – соедине- ний, обеспечивающих прочность и водостойкость структуры искусственных материалов:

SiO2 + Са(ОН)2+ n Н2О ® СаО×SiO2×(n+1)Н2О (2.1)

Кварц (вещество кристаллического строения) в обычных условиях практически не взаимодействует с Са(ОН)2. Поэтому строительные растворы на воздушной извести не имеют высо- кой прочности. Для того чтобы результат взаимодействия стал заметен, необходимы десятки и сотни лет; примером служит прочность кирпичных кладок древних сооружений.
Для ускорения химической реакции между кристалличе- ским кремнеземом и известью необходимы условия автоклавной обработки: в среде насыщенного водяного пара при температуре 170–200 °С и давлении 0,8–1,6 МПа материалы достигают прочности в 10–25 МПа за 8–10 часов. Таким образом получают силикатный кирпич.
Кремнезем аморфного строения (например, в составе вул-
канического стекла или в виде горной породы трепела) может взаимодействовать с известью в обычных условиях (при темпе- ратуре 15–25 °С), придавая изделиям прочность и водостой- кость за 1–2 месяца.
Аморфная форма вещества при благоприятных условиях
может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.
При переходе от аморфного к стеклокристаллическому строению свойства также изменяются. Примеры изделий разно- го строения, получаемых из стеклянного расплава, приведены в табл. 2.3.

Свойства стекломатериалов
Таблица 2. 3


Наиме- нование

Плот- ность, г/см3
Предел
прочно- сти при изгибе, МПа
Предел
прочно- сти при сжатии, МПа

Ударная вязкость, кДж/м2

Исти- рание, г/см2
Оконное
стекло (аморф- ное строе- ние)

2,5



450–500

2,0

0,5–0,6
Ситалл
(стекло- кристал- лическое строе- ние)

2,5–2,6

до 250

до 600

3,0–4,0


0,01–
0,03

Иногда одно и то же кристаллическое вещество способно существовать в различных кристаллических формах. Это назы- вается полиморфизмом. Полиморфные модификации имеют одинаковый химический состав, но разное строение кристалли- ческих решеток. Свойства при этом тоже изменяются, иногда очень резко.
Самый яркий пример – кристаллические модификации уг- лерода (С): алмаз – самое твердое вещество на Земле, а графит – мягкое вещество.
Полиморфизм характерен для оксида кремния (SiO2), у ко- торого семь кристаллических модификаций, стабильных при разных температурах. При обычной температуре стабилен
b-SiO2. При нагревании вплоть до плавления (температура
1700 °С) происходит неоднократная перестройка кристалличе- ской решетки, иногда с заметным изменением объема. Поэтому материалы, в составе которых присутствует кварц, не являются термостойкими, они плохо переносят резкое охлаждение после нагревания.
Кристаллические модификации есть у трехкальциевого си- ликата и двухкальциевого силиката – основных клинкерных минералов. Например, b-модификация двухкальциевого силика- та (минерал белит) отличается способностью химически взаи- модействовать с водой, благодаря чему обеспечиваются вяжу- щие свойства, а g-модификация, устойчивая при обычной тем- пературе, с водой практически не взаимодействует.

Микроструктура – строение, видимое в микроскоп и изу- чаемое специальными физико-химическими методами исследо- вания. Под микроструктурой подразумевается размер и взаим- ное расположение кристаллов и аморфных фаз, форма, размеры и характер микропор и других дефектов, контактная зона между различными частями материала.
Типы микроструктур:
· однородные (коагуляционные, конденсационные, кри- сталлизационные);
· микронеоднородные (например, как у цементного кам- ня);
· плотные и капиллярно-пористые.

Макроструктура – строение, видимое невооруженным гла- зом (или в лупу).
Различают типы строения на макроуровне:
· Конгломератное строение – материал состоит из раз- личных по размеру, форме, составу зерен, соединенных воедино непрерывной матрицей затвердевшего вяжу- щего вещества. Типичные представители – природные горные породы конгломерат и брекчия, из искусствен- ных каменных материалов – бетоны.
· Ячеистое строение – с равномерно распределенными в объеме макропорами с формой, близкой к сфериче- ской. Типичные представители – газо- и пенобетоны, ячеистые пластмассы.
· Волокнистое строение – материал состоит из ориенти- рованных или хаотически расположенных волокон (древесина, асбест, гипс селенит, стеклянная вата и из- делия из нее).
· Слоистое строение (древесно-слоистые пластики, бу- мажно-слоистые пластики, сланцы).
· Зернистое строение – материал состоит из зерен
разных минералов (горные породы гранит, сиенит, габбро).
· Рыхло-зернистое, порошкообразное – для сыпучих ма- териалов.

С особенностями строения вещества и материала связаны присущие ему изотропия или анизотропия.
Изотропия – это одинаковость характеристик свойств ма- териала независимо от направления в объеме, в котором они оп- ределяются.
Анизотропия – это неодинаковость показателей свойств в разных направлениях в объеме материала.
Анизотропия может быть вызвана:
· особенностями макроструктуры:
− волокнистые материалы с упорядоченным располо- жением волокон относительно друг друга (древеси- на – показатели прочности, теплопроводности раз- личны вдоль и поперек волокон);
− слоистые материалы (бумажно-слоистые пластики, фанера);
· особенностями строения кристаллической решетки:
− слюды, графит – слоистая решетка, способны рас- щепляться на тонкие пластинки чешуйки;
− минералы полевые шпаты – при ударах дают об- ломки с ровными гладкими плоскостями в двух на- правлениях (т.е. вдоль этих направлений прочность ниже);
− у одноосных кристаллов вдоль и поперек главной оси кристалла свойства различны (например, у гор- ного хрусталя светопропускание вдоль оси выше, чем поперек).

Изотропия характерна для однородности строения:
· проявляющейся на микроуровне, например, у веществ аморфного строения;
· при статистически однородном распределении частиц или частей материала, неупорядоченности, неориенти- рованности на макроуровне.

Например: гранит – псевдоизотропная горная порода в свя- зи с неориентированным расположением зерен минералов, большая часть которых сами по себе анизотропны. А для горной породы гнейса, состоящей из тех же самых минералов, но с ори- ентированным расположением зерен, характерна анизотропия: вдоль слоев прочность ниже, чем поперек.
Искусственные каменные материалы типа бетона изотроп- ны из-за статистически однородного неориентированного рас- положения зерен заполнителя в объеме.
Тема 3 (лекции 3–4)