Курс лекций: Строительные материалы

Аморфная структура

Аморфная структура является одним из физических состояний твердых тел, Аморфные вещества характеризуются двумя особенностями. Во-первых, свойства таких веществ при обычных условиях не зависят от выбранного направления, т.е. они - изотропны. Во-вторых, при повышении температуры происходит размягчение аморфного вещества и постепенный переход его в жидкое состояние. Точное значение температуры плавления отсутствует.

Общим для кристаллического и аморфного состояний веществ является отсутствие поступательного перемещения частиц и сохранение только их колебательного движения около положения равновесия. Различие между ними состоит в наличии геометрически правильной решетки у кристаллов и отсутствии дальнего порядка в расположении атомов у аморфных веществ.

Аморфное состояние вещества, по сравнению с кристаллическим, всегда менее устойчиво и обладает избыточным запасом внутренней энергии. В связи с этим, при определенных условиях, самопроизвольно осуществляется переход из аморфного состояние в кристаллическое.

Твердые тела в аморфном состоянии можно получить двумя путями. Первый путь - быстрое охлаждение расплавов кристаллических веществ, преимущественно ионного и ковалентного строения. Типичный представитель таких аморфных тел - силикатные стекла, битумы, смолы и пр.

Второй путь - диспергация кристаллических структур. В результате диспергации кристаллических тел образуются аморфизованные дисперсии в виде коллоидов и растворов. Разрушаясь или конденсируясь, дисперсии изменяют свое агрегатное состояние. Пересыщенные растворы, например, могут превратиться в гель и образовать полимер или кристаллизоваться.

Аморфные вещества подразделяют на витроиды (стекла), дисперсные системы и полимеры.

Витроиды - это твердые тела в аморфном состоянии, имеющие стекловидную структуру. Как уже отмечалось, стекла образуются в результате быстрого охлаждения, преимущественно силикатных расплавов. Быстрое охлаждение препятствует созданию упорядоченной структуры. Особенно, если молекулы громоздки, а скорость охлаждения велика.

Дисперсные системы - мельчайшие частицы размером 10^-7-10^-9 м. к ним относятся коллоиды, золи (органозоли, гидрозоли), пасты, клеи мастики краски, латексы и пр. К дисперсным аморфным системам относятся также некоторые горные породы (диатомит, опоки), имеющие общую формулу SiO₂^.nH₂O; а также активный кремнезем, который образуется в результате разложения глин при их нагревании.

Полимеры - вещества, характерной особенностью которых является большой размер и большая молекулярная масса молекул. Кроме того, молекулы объединены в структурные единицы, включающих 10³-10⁵ молекул-мономеров.

Аморфно-кристаллическая структура

Многие природные и искусственные каменные материалы в своем составе содержат и кристаллические, и аморфные фазы. Соотношение между объемами кристаллической и аморфной фазами, а также их взаимное расположение оказывают огромное влияние на свойства материалов, имеющих такую структуру. Типичными представителями подобных материалов являются ситаллы, фарфор и другие керамические материалы. Свойства некоторых материалов, имеющих амрфно-кристаллическую структуру приведены в табл 1.6.

Таблица 1.6. Свойства материалов с аморфно-кристаллической структурой

Все представленные в таблице материалы обладают аморфно-кристаллической структурой, содержат кристаллы и стекловидную фазы. Как видно из приведенных данных, содержание фаз не оказывает решающего влияния на свойства материалов. Ситаллы и каменное литье имеют небольшое количество стеклофазы по сравнения с керамической плиткой и, видимо, поэтому имеют более высокую (в 10-20 раз большую) прочность, чем плитка. Однако, фарфор содержит стекловидную фазу в большем размере, чем ситаллы и каменное литье, а прочность имеет большую, чем эти материалы. Несомненно, свойства материалов с аморфно-кристаллической структурой зависят не только от количества этих фаз, но и от их качества, и взаимного расположения друг относительно друга - от микро- и макроструктуры.

Макроструктура - это видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 6 раз) внутренняя или поверхностная часть материала. В строительном материаловедении принято различать структуры поверхностного и внутреннего слоев.

Особенности структуры поверхностного слоя

Структура поверхностного слоя искусственных строительных материалов, как правило, отличается от структуры внутренних слоев по двум причинам. Первая, атомы и молекулы, расположенные на поверхности, имеют избыточную энергию по сравнению с частицами, расположенными внутри материала. Вторая, поверхностный слой постоянно взаимодействует с окружающей средой, благодаря чему он претерпевает постоянные изменения, как в процессе изготовления изделий, так и в процессе их эксплуатации.

Избыточная энергия поверхностного слоя возникает вследствие того, что каждая частица на поверхности твердого тела и жидкости имеет некомпенсированные химические связи, которые образуют на поверхности несимметричное силовое поле. Это силовое поле втягивает поверхностные частицы во внутрь материала, создавая на поверхности напряжение сжатия. Поверхностный слой, таким образом, постоянно находится в упруго-напряженном состоянии, а его частицы обладают значительно большим запасом потенциальной энергии, чем частицы внутреннего слоя. Благодаря этому частицы поверхностного слоя более активно реагируют с окружающей средой, более активно вступают в химические реакции.

Величина энергии поверхностного слоя прямо пропорциональна энергии химической связи данного материала и зависит от параметров окружающей среды. Так, например, поверхностная энергия твердого тела на границе с жидкостью, которая его смачивает, уменьшается на величину, равную силе взаимодействия поверхностных частиц с жидкостью.

Большое влияние на строение и поверхностных, и внутренних слоев материала оказывают примеси, смачивание поверхности активными жидкостями, диффузионные процессы.

Примеси оказывают не однозначное влияние на свойства внешних и внутренних слоев. Если примеси имеют меньшую поверхностную энергию, чем материал, то они равномерно распределяются по поверхности, уменьшая его энергию. Если большую, - то концентрируются на отдельных участках поверхности или перемещаются во внутренние слои материала, где могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на его свойства.

Смачивание имеет большое значение при формировании композиционных материалов, искусственных строительных конгломератов (по определению Рыбьева). Смачивание компонентов искусственных смесей необходимо для уменьшения энергии поверхностей твердых составляющих, что позволяет получать более плотные их упаковки в искусственных конгломератах.

Диффузия представляет собой самопроизвольное перемещение частиц вещества, в результате которого устанавливается равновесное распределение концентрации этих частиц в объеме газа, жидкости, твердого тела. Перенос частиц методом диффузии мы наблюдаем при получении - обжиге строительной керамики, глазуровании керамических плит, получения фарфора и пр. Высокая прочность фарфора не в малой степени определена диффузией расплава в направлении кристаллической части материала, в результате чего уплотняется структура и упрочняется зона контакта.

Особенности структуры внутреннего слоя

Макроструктура внутреннего слоя строительного материала достаточно хорошо просматривается на срезе невооруженным глазом или через обычную лупу. В состав структуры входят отдельные твердые тела (зерна) различной крупности, поры и матрица, объединяющая зерна в единый монолит. В качестве матрицы могут быть затвердевший цементный камень, алюмосиликатное или полимерное стекло, затвердевшая глина и пр.

Еще раз подчеркнем, что деление структуры строительных материалов на макро- микроструктуру является весьма условным. Такое деление имеет чисто методологическое значение; оно позволяет упростить реологические модели деформирования систем, характеризующихся разным размером компонентов, и, следовательно, применить для описания процессов более простые математические модели.

Единая и монолитная структура строительного материала может быть оптимальной и не оптимальной.

Оптимальная структура характеризуется равномерным распределением компонентов системы (заполнителей, пор, элементов матрицы и пр.) по строительному материалу; отсутствием или минимальным количеством дефектов; наличием непрерывной пространственной сетки - матрицы; наибольшей плотностью упаковки зерен твердой дискретной составляющей как на микро-, так и на макро-уровне.

Не оптимальными являются структуры, в которых не соблюдается хотя бы одно из перечисленных условий.

каменный железобетон полимер звукоизоляционный

Тема №2. Основные свойства. Физико-механические свойства строительных материалов (физические, механические, химические, технологические)

Свойства материалов

Свойство - это качественная, отличительная характеристика вещества, материала или изделия. В материаловедении эта характеристика является заключительным звеном во взаимосвязи «состав - химическая связь -- структура -- свойство», а при разработке технологии и создании нового материала -- основным, определяющим параметром или условием его получения.

Совокупность различных свойств предопределяет назначение материала и граничные условия его эксплуатации.

Часто, особенно производственники, используют сходные с понятием “свойство” термины, такие, как “техническая характеристика”, “основные параметры”, “технические показатели” и др., которые в конкретном контексте строительного материаловедения являются не совсем корректными. Эти термины вполне приемлемы в тех случаях, когда они не подменяют понятие “свойство”.

Свойство -- это отличительная особенность вещества, материала или изделия, которая проявляется во взаимодействии с окружающей средой или с другими веществами и соединениями.

В зависимости от вида окружающей среды и характера взаимодействия все свойства объединены в крупные группы. Например, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность и др. от носятся к теплофизическим свойствам; водопоглощение, водопроницаемость и др. часто называют гидрофизическими свойствами; водостойкость, кислотостойкость, коррозионная стойкость и др. составляют группу химических свойств; упругость, пластичность, хрупкость и др. -- упругодеформативные свойства, и т.д.

Количественно свойства определяются при испытании и, как правило, выражаются в физических величинах в соответствии с действующими стандартами.

Взаимосвязь основных свойств

Так как свойства материала являются производными от его состава, химических связей и структуры, то они взаимосвязаны и находятся в равновесии. Известно, что при изменении какого-либо одного свойства под действием каких-то факторов в большей или меньшей степени изменяются и другие свойства материала. В строительном материаловедении хорошо известны такие зависимости, как плотность -- теллопроводность, плотность -- прочность, теллопроводность -- электропроводность упругость -- пластичность и др.

Параметры состояния и структурные характеристики материалов

Плотность

Плотностью называют физическую величину, определяемую для однородного вещества его массой в единице объема.

Для неоднородного вещества плотность с его в определенной точке есть предел отношения массы m к объему V при объеме, стремящемся к этой точке:

с = lim m/V при V > О.

Для характеристики макроструктуры материала с учетом наличия газовой фазы используют термин «средняя плотность», обозначаемый символом р_m. Средняя плотность всегда меньше истинной, так как на одну и ту же единицу массы приходится больший объем (с _ср < с). Разность между этими величинами, отнесенная к большей величине, есть пористость.