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)