Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы рубрики ‘СТРОИТЕЛЬНЫЕ. МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ’

2.1. Общие сведения

В соответствии с агрегатным состоянием дисперсионной среды (см. подразд. 1.1) свойства материалов можно подразделить на три группы.

1. Технические свойства материала как готового продукта, ко­торые можно, в свою очередь, подразделить на общие свойства, характерные для всех материалов, и специальные. К общим отно­сятся физико-механические свойства, долговечность; к специаль­ным свойствам относятся теплопроводность, паро — и водонепро­ницаемость, стойкость к истиранию, звукопоглощение и другие свойства, определяющие назначение материала.

2. Технологические свойства, характеризующие способность исходных материалов при получении изделий перемешиваться, экструдироваться, формоваться, уплотняться. К технологическим свойствам относятся пластичность, вязкость, предел текучести, удобоукладываемость, способность к той или иной обработке, скорость твердения и т. д.

3. Свойства сырьевых компонентов, предопределяющие каче­ство конечного продукта. Например, для бетона важны свойства цемента, заполнителей и добавок. Качество керамического череп­ка зависит от свойств глины, а пластмасс — от свойств полиме­ров и наполнителей.

Экспериментально получаемые характеристики материалов за­висят от методики их определения. Поэтому технические требова­ния к материалам формулируют исходя из стандартных методов испытаний.

Явления смачивания. Если молекулы жидкости взаимодейству­ют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, то капля жидкости растекается по поверхности — смачивает ее. При этом краевой угол смачивания 0 < 90°, a cos 0 > 0 (рис. 1.2, а).

Если между собой молекулы жидкости взаимодействуют силь­нее, чем с молекулами твердого тела, то капля жидкости не рас­текается: 0 > 90°, cos 0 < 0. Крайними случаями этого процесса являются полное смачивание, когда 0 = 0, cos 0 = 1 (жидкость растекается до образования мономолекулярного слоя) и полное несмачивание, когда 0 = 180°, cos 0 =-1 (капля стремится сохра­нить сферическую форму).

Способность поверхностей тел смачиваться водой является ре­зультатом действия трех сил поверхностного натяжения о на гра­ницах твердое тело —газ (т — г); твердое тело—жидкость (т—ж);

а

жидкость —газ (ж—г) (рис. 1.2, б). Растекание капли прекратит­ся, когда наступит равновесие этих сил, действующих на каждой единице длины периметра смачивания. Условие равновесия выра­жается уравнением Юнга:

ат_г = ат_ж + ox_rcos 0 или cos 0 = (ат_г-ах_ж)/стж_г. (1.1)

По способности смачиваться водой поверхности тел подразде­ляются на гидрофильные (смачиваемые) с cos 0 > 0 и гидрофобные (несмачиваемые) с cos 0 < 0.

Краевой угол смачивания составляет: для кварца — 0°, малахи­та — 17°, графита — 55°, талька — 69°, парафина — 106°, тефлона —

Реальная поверхность никогда не бывает совершенно чистой. Присутствие на поверхности загрязняющих веществ, оксидных пленок, адсорбированного воздуха оказывает сильное влияние на смачиваемость. Гидрофильная поверхность кварца, покрытая тон­кой пленкой масла или жира, становится гидрофобной.

Адгезия и когезия. В гетерогенных системах различают межмоле­кулярные взаимодействия (притяжение молекул) между разными фазами (адгезия) и внутри одной фазы {когезия).

Силы адгезии действуют на очень малых расстояниях. Для их возникновения необходим контакт фаз. В случае твердых тел обес­печить значительную площадь контакта чрезвычайно трудно даже при высоком давлении. Если сложить пластины с плоскими шли­фованными поверхностями, то можно почувствовать их слипание. Значительные силы адгезии возникают, если смочить поверхнос­ти пластин водой или другой жидкостью, так как жидкость всту­пает в контакт с твердым телом по всей площади смоченной по­верхности. Таким образом, чтобы обеспечить хорошее прилипа­ние, необходимо одну из фаз перевести в жидкое или вязкоплас­тичное состояние. Этот принцип используется при склеивании, пайке, сварке материалов, нанесении на поверхность лакокра­сочных, гидроизоляционных покрытий, штукатурных растворов, получении композиционных материалов (пластмасс, бетона, ке­рамических изделий), когда наполнители или заполнители сме­

шивают с жидким связующим, которое впоследствии переводят в твердое состояние.

Когезионное взаимодействие характеризуют работой когезии 1VK, Дж/м2, необходимой для разрыва фазы, по сечению единич­ной площади. При разрыве фазы образуются две поверхности (пло­щадь каждой равна единице) с поверхностным натяжением в слу­чае жидкости <тж_г, а в случае твердого тела ох__г (рис. 1.3, а). Сле­довательно, работа когезии жидкости равна WK = 2ож_г, а твердо­го тела — = 2от_г.

Работа адгезии определяется энергией, затраченной на разрыв связи по контакту между фазами, отнесенной к единице площади. Определим работу адгезии Wa, Дж/м2, между жидкостью и твер­дым телом в газообразной среде. До разрыва поверхностная энер­гия единицы площади контакта равна от_ж. После разрыва образу­ются две поверхности с поверхностным натяжением, равным на одной из них аж_г, на другой — от_, (рис. 1.3, б). В этом случае работа адгезии определяется по уравнению Дюпре:

В/, — ож_г + от_г— от_ж. (1.2)

Выразим от_г из уравнения (1.1) и подставим в уравнение (1.2). Получим: fVa = стж_г(1 + cos0). Величины аж_г и cos в определяют­ся экспериментально.

Отношение работ адгезии и когезии для случая твердое тело — жидкость зависит только от краевого угла смачивания:

К/ И4 = стж-і( 1 + СО50)/2ОЖ„Г = (1 + cos0)/2.

При cos0 = 1 (полное смачивание) Wa = WK, т. е. разрыв при растяжении равновероятен как по контакту, так и по жидкости. При cos0 =-1 (полное несмачивание) Wa = 0, следовательно, нет адгезии. В промежуточном случае, при cos0 = 0, Wa = 0,5 WK.

		Жидкость				Жидкость
Жидкость	/			Жидкость	/
а = 0		сг Газ -Г	ж — Г	<*т-ж		ч стж Газ -г
£=1			5=1	G’p
——		Жидкость		Твердое тело		Твердое тело

а

б

Рис. 1.3. Иллюстрация к выводу уравнения Дюпре: а — когезия; б — адгезия; S — площадь столбика

о л -s; Рис. 1.4. Происхождение внутреннего давления в жидкости (а), поднятие (опускание) жидкости в капилляре (б) и удержание твердых частиц вод­ной манжетой (в)

Работу адгезии между твердыми фазами определить невозмож­но, так как обычно неизвестно поверхностное натяжение на гра­нице твердое тело — воздух. В этом случае адгезию характеризуют силой, необходимой для разрыва адгезионного соединения по еди­нице площади.

Капиллярные явления. Благодаря поверхностному натяжению жидкости стремятся принять сферическую форму. Этому препят­ствует сила тяжести, которая при большом объеме жидкости де­лает поверхность плоской. С уменьшением объема жидкости Ксила тяжести снижается пропорционально кубу радиуса капли, в то время как поверхность капли уменьшается пропорционально квад­рату радиуса.

При малых размерах частиц силы поверхностного натяжения начинают преобладать над силами тяжести и поверхность приоб­ретает кривизну, благодаря которой капля оказывается сжатой внутренним давлением р, обусловленным силами поверхностного натяжения о и направленным к центру кривизны (рис. 1.4, а). Под действием этого давления объем капли уменьшается на 8Ки со­вершается работа рЪ V В то же время сокращается площадь поверх­ности капли на 5.S’ и уменьшается ее поверхностная энергия на o8S.

При равновесии, если считать температуру тела неизменной, согласно закону сохранения энергии можно записать (уравнение Лапласа):

рЪУ — a&S, или р = об^/бК. (1.3)

Для сферы

где г — радиус сферы.

Тогда р = 2а/г, где 1 /г — это дисперсность. Чем больше дис­персность, тем выше внутреннее давление в капле.

Искривление поверхности жидкости (образование мениска) имеет место в узких капиллярах. В зависимости от направления кривизны мениска (направления внутреннего давления р) проис­ходит поднятие или опускание жидкости в капилляре (рис. 1.4, б). Это определяется смачиваемостью стенок капилляра. В гидрофиль­ном капилляре (0 < 90°) мениск вогнутый, происходит поднятие жидкости; в гидрофобном капилляре (0 > 90°) мениск выпуклый, жидкость выталкивается из капилляра.

Рассчитаем высоту h поднятия жидкости в гидрофильном ка­пилляре радиусом R. В состоянии равновесия капиллярное давле­ние р, определяемое по формуле (1.3), уравновешено весом стол­бика жидкости, равным рgh, т. е. рgh = 055/8К Полагая, что мениск имеет сферическую форму (65/5V = 2/г), и учитывая соотношение между радиусом мениска г и радиусом капилляра R (г = R/cos0), получаем

где о — поверхностное натяжение воды; 0 — краевой угол смачи­вания; р — плотность воды; g — ускорение свободного падения.

Из формулы (1.4) следует, что для одной и той же жидкости (о = const, р = const) высота капиллярного поднятия тем больше, чем меньше радиус капилляра и выше его гидрофильность (cos0). При cos 0 < 0 (гидрофобный капилляр), h < 0 жидкость не втя­гивается в капилляр. Для того чтобы вдавить жидкость в гидро­фобный капилляр до уровня h = 0, нужно приложить давление р =-2ocos0/7?. На этом принципе основан способ гидроизоляци­онной защиты конструкций. Материалы обрабатывают специаль­ными проникающими составами, которые покрывают стенки ка­пилляров тончайшей гидрофобной пленкой (см. подразд. 14.12). При этом жидкая влага не может проникнуть в поры материала, а пары воды могут свободно выходить из пор.

Бетонная смесь и керамическая масса обладают связностью в основном за счет сил поверхностного натяжения воды, действу­ющих в водных манжетах, имеющих два радиуса кривизны (рис. 1.4, в). Радиус ги лежащий в плоскости, перпендикулярной ри­сунку, всегда больше радиуса г2, лежащего в плоскости рисунка, поэтому давление в водной манжете ниже внешнего, что и спо­собствует удержанию частиц вместе.

Адсорбция. Поверхность раздела фаз, обладая свободной энер­гией, притягивает к себе атомы (ионы) или молекулы веществ,

находящихся в газовой фазе или жидком растворе, что ведет к понижению поверхностной энергии. Это явление называется ад­сорбцией, а обратный процесс называется десорбцией. В результате адсорбции концентрация вещества в объеме раствора снижается, а в поверхностном слое возрастает до тех пор, пока не установит­ся равновесие. Если в растворе находится несколько веществ, то предпочтительнее адсорбируется то, которое сильнее уменьшает поверхностное натяжение. Твердая фаза является адсорбентом (ве­ществом, на поверхности которого происходит адсорбция) по отношению к жидкости или газу. На поверхности раздела жид­кость-жидкость или жидкость —газ могут адсорбироваться мо­лекулы как из одной, так и из другой фазы. В этом случае адсорбат (адсорбированное вещество) представляет собой разделительный слой между ними.

Адсорбция бывает физической — обратимой и химической (или хемосорбцией) — необратимой. При физической адсорб­ции между адсорбентом и адсорбатом действуют силы межмоле­кулярного притяжения, а при химической адсорбции — силы химической связи (силы, которые действуют между атомами в молекулах). При хемосорбции происходит химическая реакция между адсорбентом и адсорбатом с образованием поверхност­ной молекулы, одна часть которой принадлежит адсорбенту, а другая — адсорбату.

Адсорбцию характеризуют величиной

А = Ms/S,

где Ms — масса адсорбата в поверхностном слое; S — площадь межфазной поверхности.

Изотермы адсорбции из раствора (графики зависимости адсорб­ции А от концентрации растворенного вещества с при постоян­ной температуре Т) приведены нарис. 1.5, а(Т3> Т2> Г,). Крутой подъем изотермы (участок 1) характерен для относительно сво­бодной поверхности адсорбента. Полному насыщению поверхнос­ти адсорбатом соответствует участок 3. Участок 2 является проме­жуточным. С повышением температуры усиливается тепловое дви­жение молекул и адсорбция уменьшается, однако предел, к кото­рому она стремится, остается тем же, только для его достижения требуется высокая концентрация, часто нереализуемая.

При адсорбции выделяется теплота, так как снижается поверх­ностная энергия адсорбента.

Если с увеличением концентрации вещества поверхностное натяжение на границе раздела фаз понижается, то такое вещество называется поверхностно-активным (ПАВ). Вещества, повышаю­щие поверхностное натяжение раствора с увеличением концент­рации, называются поверхностно-инактивными (ПИАВ) (рис. 1.5, б). Такими веществами по отношению к воде являются неоргани-

д е

ческие соли, которые взаимодействуют с водой сильнее, чем мо­лекулы воды между собой.

Молекулы ПАВ дифильны, т. е. имеют гидрофобную (выталкива­емую из воды) углеводородную часть (цепочку из групп СН2) и гидрофильную (втягиваемую в воду) функциональную группу: —СООН, —NH2, —ОН, —О — , —S020H и др. В условном изоб­ражении дифильной молекулы функциональную группу обозна­чают кружочком, а гидрофобный углеводородный радикал — чер­той (рис. 1.5, в, г). В адсорбционном слое дифильные молекулы обращены полярной группой к полярной фазе (например, к воде), а неполярным углеводородным радикалом — к неполярной фазе (например, к воздуху) (рис. 1.5, д). На твердой поверхности ПАВ способны образовывать полимолекулярные слои (рис. 1.5, ё), при­
чем от числа мономолекулярних слоев зависит, будет ли поверх­ность гидрофильной (0 < 90°) или гидрофобной (0 > 90°).

Широко применяются ПАВ в технологии строительных мате­риалов в качестве добавок пластификаторов бетонной смеси, по­лимерных композиций, керамической массы; эмульгаторов и ста­билизаторов в лакокрасочных материалах; пенообразователей при получении пенобетона и пеносиликата и др.

В зависимости от скорости охлаждения расплава можно полу­чить вещество в кристаллическом или аморфном состоянии. Эти два состояния вещества отличаются атомной структурой и свой­ствами.

Кристаллическая структура. Кристаллическая структура образу­ется при очень медленном охлаждении расплава, когда атомы (ионы) имеют возможность перемещаться в пространстве и зани­мать наиболее устойчивые положения, в которых их потенциаль­ная энергия в силовом ноле окружающих атомов минимальна. Для удаления атома из вещества нужно сообщить ему энергию, доста­точную для преодоления удерживающих сил. Эта энергия характе­ризует силу связи атома в кристалле.

Располагаясь наиболее устойчиво, каждый атом оказывается окруженным соседями одинаковым образом. Линии, проведенные через центры атомов в трех направлениях, являются прямыми и образуют так называемую кристаллическую решетку, элементар­ная ячейка которой имеет форму, характерную для данного веще­ства. Далее мы рассмотрим кубическую решетку, которая бывает усложнена наличием атомов в центре объема каждой ячейки (объемно-центрированная решетка) или в центре каждой грани (гранецентрированная решетка).

Анизотропия кристалла — неравномерность свойств в разных направлениях — является следствием периодичности расположе­ния атомов в кристалле. От направления зависят не все свойства, а только те, которые характеризуются векторными величинами (прочность, упругость, теплопроводность, удлинение). Свойства, характеризуемые скалярными величинами, от направления не за­висят (плотность, теплоемкость, влажность и др.).

Анизотропия материалов обусловлена также их макростроени­ем, например расположением волокон древесины вдоль оси ство­ла.

Материалы, состоящие из большого числа случайно ориенти­рованных анизотропных кристаллических зерен, изотропны.

Полиморфизм (аллотропия) — способность некоторых веществ под действием температуры и давления изменять структуру крис­таллической решетки, образуя несколько аллотропических моди­фикаций одного и того же вещества. Хорошо известны две моди­фикации углерода: графит (один из самых мягких минералов) и алмаз (самый твердый минерал). Кварц (Si02) при нагревании до 573 °С переходит из р — в а-модификацию; затем при температуре 870 °С он переходит в тридимит, который при температуре 1 470 °С переходит в кристобалит. Явление полиморфизма часто наблюда­ется у металлов.

Изоморфизм — способность близких по составу веществ встра­иваться в кристаллическую решетку друг друга без изменения ее структуры, т. е. образовывать твердые растворы замещения (изо­морфные смеси).

В реальных кристаллах далеко не все атомы располагаются пра­вильным образом. В отдельных узлах кристаллической решетки ато­мы могут отсутствовать, образуя вакансии; некоторые атомы мо­гут находиться в междоузлии. В решетку могут быть внедрены чу­жие атомы — примеси.

Если одна из атомных плоскостей (совокупность атомов, нахо­дящихся в одной плоскости), начинаясь на одном конце кристал­ла, обрывается внутри его и не доходит до другого конца, то та­кой дефект называется краевой дислокацией.

Существует также винтовая дислокация — смещение атомов, при котором атомные плоскости образуют одну винтовую поверх­ность. Дефектом является также граница между зернами в кристал­лических материалах — зона перехода между кристаллами, повер­нутыми относительно друг друга на некоторый угол. Она пред­ставляет собой поверхность выхода дислокаций.

Вследствие наличия дефектов прочность реальных кристаллов на несколько порядков ниже, чем идеальных.

Аморфная структура. Аморфная структура образуется при быст­ром охлаждении расплава, когда атомы при переходе в твердое состояние не успевают образовать кристаллическую решетку, а остаются вблизи тех положений, которые занимали в жидкости. Аморфная структура не является совершенно беспорядочной. Не­кое подобие порядка наблюдается в ближайшем окружении ато­мов. Аморфное состояние вещества является термодинамически неустойчивым (метастабильным) в отличие от кристаллического состояния. Поэтому при нагреве, когда атомы приобретают опре­деленную подвижность, в аморфном теле происходит кристалли­зация. Термодинамическая неустойчивость обусловливает и более высокую химическую активность аморфных веществ.

Аморфные вещества прозрачны, так как не имеют границ между кристаллами, рассеивающих световые волны. Такие вещества на­зываются стеклами, а их структура — стеклообразной. В строи­тельстве применяются стекла, получаемые из минеральных и по­лимерных расплавов.

Структуры многофазных систем очень разнообразны. В самом общем случае они различаются по виду контактов между частица­ми.

Материалы с жидкой дисперсионной средой (на стадии фор­мования) имеют коагуляционную структуру со сравнительно сла­быми контактами, осуществляемыми через жидкую прослойку и допускающими сдвиг частиц относительно друг друга. Расстояние между частицами (толщина прослойки) зависит от концентрации дискретной фазы и составляет от 1 до 100 нм. К малоконцентри­рованным системам относятся многие лакокрасочные материа­лы, представляющие собой суспензии тонкодисперсных пигмен­тов и наполнителей в связующей жидкости. Высококонцентриро­ванными дисперсными системами являются бетонные и раствор­ные смеси, керамическая масса, мастики и др.

Для материалов с твердой дисперсионной средой характерны прочные контакты между «сросшимися» частицами. Структуру аморфных тел в этом случае называют конденсационной, а струк­туру кристаллических фаз — кристаллизационной.

1.1. Понятие о материалах как многофазных системах

Многофазность, т. е. неоднородность (гетерогенность), матери­алов обусловлена присутствием в их структуре частей (зерен, кри­сталлов, прослоек, пор и т. д.) различного химического состава, физических свойств и агрегатного состояния. Например, в струк­туре полиминеральных горных пород присутствуют кристаллы, различающиеся по цвету, форме и химическому составу. То же самое можно видеть под микроскопом в структуре стали и многих других материалов. Все частицы с одинаковым химическим соста­вом, структурой и агрегатным состоянием несмотря на то, что они рассеяны по объему материала, объединяют понятием «фаза».

Фаза — это однородная по химическому составу и атомной структуре часть системы, граничащая с другими фазами по физи­ческим поверхностям раздела. Совокупность фаз в физической химии называют системой. Гетерогенные материалы характеризу­ются фазовым составом (в случае горных пород — это минерало­гический состав). Фазами являются химические элементы, хими­ческие соединения и растворы (твердые, жидкие и газообразные). Газы при смешивании всегда образуют растворы в любых сочета­ниях и пропорциях. Для того чтобы получить твердый раствор, компоненты должны быть растворимы в жидком (расплавленном) состоянии.

В зависимости от природы компонентов при отвердевании состо­яние раствора сохраняется или расплав распадается на механиче­скую смесь кристаллов двух (или более) фаз. В твердом растворе ато­мы одного вещества либо занимают промежутки между атомами дру­гого вещества (твердый раствор внедрения), либо вытесняют атомы другого вещества и занимают их место (твердый раствор замещения).

Многофазная система всегда представляет собой механическую смесь частиц той или иной степени дисперсности.

Дисперсность — эго раздробленность вещества, характеризуе­мая средним размером частиц dcp; дисперсностью D = I /Др; удель­
ной поверхностью Л’у;| = S/m, где S — общая площадь поверхности всех частиц; т — масса всех частиц.

Удельная поверхность портландцемента составляет 0,25… 0,35 м2Д, бентонитовой глины — около 200 м2/г.

Принято подразделять частицы на коллоидные (dcp — 10“9… 10“6 м), способные участвовать в броуновском движении; тонкодисперс­ные (dcр = 10~6… 10 4 м), для которых сила тяжести не позволяет им участвовать в тепловом движении, но еще не превышает силы молекулярного притяжения частиц; грубодисперсные (dcp> 10-4 м), контакты между которыми разрываются под действием силы тя­жести.

Дисперсность является следствием многофазности. Однофазная система не может быть дисперсной. С уменьшением среднего раз­мера частиц dcp (увеличением дисперсности фаз) увеличивается площадь межфазной поверхности и возрастает однородность си­стемы с точки зрения ее физико-механических свойств. Когда dcp = 0 или D = °°, межфазная поверхность исчезает и система становится однофазной (гомогенной).

Поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение является мерой химической неоднородности фаз. Рассмотрим происхожде­ние поверхностного натяжения на примере поверхности вода — воздух (рис. 1.1). Молекула воды А внутри объема жидкости испы­тывает притяжение со стороны окружающих ее молекул, одина­ковое во всех направлениях. Равнодействующая этих сил равна нулю, и молекула движется беспорядочно, не имея преобладаю­щего направления. Молекула В, находящаяся на поверхности, со стороны воды притягивается такими же силами, как и молекула в объеме, а со стороны воздуха силы притяжения значительно мень­ше. Равнодействующая сил R в этом случае не равна нулю и на­правлена вертикально вниз. Под действием силы R молекула стре­мится переместиться внутрь жидкости.

В результате в поверхностном слое возникает некоторое разря­жение молекул, так что расстояния между ними увеличиваются, а силы взаимного притяжения возрастают на величину о, называ­емую поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение ха-

рактеризуют силой (в ньютонах), которую нужно приложить, что­бы разорвать полосу поверхности шириной 1 м. Единица измере­ния о — Н/м.

Наличие нескомпенсированных сил, действующих на молекулы в поверхностном слое, придает поверхности (жидкой или твердой) способность притягивать молекулы других фаз. Если притягиваются и накапливаются на поверхности определенные атомы или моле­кулы из соседней газовой фазы или жидкого раствора, то такое явление называется адсорбцией. Взаимное притяжение (сцепление) молекул двух фаз на границе их раздела называется адгезией, а при­тяжение молекул внутри одной фазы — когезией (см. подразд. 1.3).

Способность поверхности тела совершать работу означает, что она обладает определенной энергией G, которую называют сво­бодной поверхностной энергией. В отличие от свободной связанную энергию можно передать только в форме теплоты, а согласно вто­рому началу термодинамики теплоту нельзя превратить в работу непосредственно. Поверхность не обладает связанной энергией (это свойство объема), поэтому, говоря о поверхностной энер­гии, слово «свободная» можно опустить. Численно удельная (на 1 м2 площади) поверхностная энергия равна поверхностному натяжению а, но измеряется в Дж/м2. Такие единицы получают­ся из единиц измерения а путем умножения числителя и знаме­нателя на одну и ту же величину — 1 м, что не изменяет число­вого значения: 1 Н/м = 1 Нм/(мм) = 1 Дж/м2.

Значит, поверхностное натяжение о можно одновременно трак­товать и как удельную поверхностную энергию. Эта величина оп­ределяет различие между соприкасающимися фазами. Чем резче различаются фазы, тем больше о. Если различия отсутствуют, то о = 0, т. е. нет межфазной поверхности. Поверхностная энергия системы, равная G = oS^m, определяется качеством поверхности о и ее количеством — площадью S= 3’уд/и. Таким образом, матери­алы, являясь гетерогенными системами, обладают поверхностной энергией, играющей значительную роль в формировании свойств материалов и обусловливающей поверхностные процессы и явле­ния, которые будут описаны далее.

Классификация материалов как композиционных систем. Выде­лим в структуре материала две части. Одна из них, являющаяся непрерывной дисперсионной средой (матрицей), вмещает в себя другую — раздробленную, состоящую из разобщенных частиц и называемую условно дискретной фазой, хотя фазой, как таковой, она может и не являться, а быть многофазной. В зависимости от агрегатного состояния этих двух структурных составляющих мож­но выделить девять типов материалов как многофазных систем (табл. 1.1).

В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды мы имеем материалы, представленные на одной из трех стадий

Дисперсная система	Примеры материалов	Характерные свойства материалов
Диспер­ сионная среда	Дискрет­ная фаза
Твердая	Твердая	Горные породы, бетон, керамические материалы, наполненные пластмассы	Прочность, твер­дость, упругость
Жидкая	Влажные или водонасыщен­ные пористые материалы (легкие бетоны, пенопласты, древесина и др.)	Влажность, водо — поглощение
Газооб­ разная	Пористые материалы (легкие бетоны, пенопласт, древесина) в сухом состоянии	Пористость
Жидкая	Твердая	Бетонная смесь, керамическая масса, формовочные полимер­ные массы, мастики, малярные суспензии (краски и эмали)	Пластичность, вязкость, формує мость
Жидкая	Битумные, полимерные и дру­гие эмульсии (основа мастик, клеев, красок, технологи­ческих жидкостей)	Диспергируе — мость, устойчи­вость к расслое­нию
Г азооб­разная	Вспененные формовочные массы (для получения пеноп­ластов, газобетона и др.)	Кратность вспе­нивания, устой­чивость пены, пористость
Газооб­ разная	Т вердая	Цементы и другие вяжущие вещества, глина, песок, ще­бень, стекловата, порошко­образные наполнители	Дисперсность, зерновой состав, пустотность
Жидкая	Распыляемые жидкости (лаки, краски, мастики, глазури, гидрофобизаторы)	Качество распыления
Г азооб­разная	Дисперсные системы отсутствуют	—

технологического процесса. На стадии подготовки компоненты сырьевой смеси представляют собой раздробленную массу с воз­душной дисперсионной средой (цемент, песок, глина, щебень и т. д.). На стадии формования материалы имеют жидкую дисперси­онную среду и представляют собой пластичные смеси (бетонная

смесь, керамическая масса), которым придают форму будущих изделий и которые характеризуются пределом текучести, вязкос­тью, формуемостью (технологическими свойствами). Стадию го­тового продукта представляют материалы (бетон, кирпич), харак­теризуемые прочностью, твердостью, долговечностью (техничес­кими свойствами), придаваемыми твердой дисперсионной сре­дой.

Для перехода от стадии формования к готовому продукту дис­персионная среда должна быть представлена связующим, способ­ным переходить из жидкого состояния в твердое. Отвердевание происходит в результате либо физико-химических процессов, при которых изменяется химический состав продуктов (гидратация вяжущих, реакции получения полимеров), либо физических про­цессов (застывания расплава металлов, стекломассы, полимеров, битумов, выделения из пересыщенных растворов при испарении растворителя пленкообразующих веществ).

Строительные материалы — основа строительства. Знание их особенностей и правильное применение являются залогом надеж­ности и экономичности зданий и сооружений. Иногда строители сами изготавливают строительный раствор или бетон, и знание закономерностей формирования структуры и свойств материалов в зависимости от их состава и технологических факторов поможет избежать серьезных ошибок.

Строительные материалы классифицируются по различным признакам.

По назначению строительные материалы подразделяются на конструкционные (выполняющие несущую функцию), стеновые (выполняющие одновременно несущую и теплоизолирующую функции), теплоизоляционные, акустические, кровельные, паро — и гидроизоляционные, облицовочные, антикоррозионные, анти­септические, огнезащитные и др.

По происхождению строительные материалы подразделяются на природные и искусственные. Природные материалы (древесина и каменные породы) в своем естественном состоянии обладают необходимыми для строительства свойствами и требуют только механической обработки. Искусственные материалы получают из природного и техногенного сырья в результате термических, фи­зико-химических и механических процессов, составляющих тех­нологию получения этих материалов.

Искусственные материалы, в свою очередь, подразделяются по способу получения на следующие группы.

I. Материалы, получаемые высокотемпературной обработкой минерального сырья:

• материалы, получаемые из минеральных расплавов (металлы и металлические сплавы, стекло, ситаллы, каменное и шлаковое литье);

• материалы, получаемые спеканием (частичным расплавлением) сырьевых смесей (керамические материалы, цементный клинкер);

• материалы, получаемые в результате термического разложе­ния и твердофазовых реакций (вяжущие вещества).

II. Материалы и изделия на основе неорганических вяжущих веществ: строительные растворы, тяжелые, легкие и специаль-

ные бетоны, сборные железобетонные изделия, силикатные, ас­бестоцементные и другие изделия. Основой получения этих мате­риалов являются химические реакции взаимодействия вяжущих веществ с водой при нормальных или повышенных температурах.

III. Материалы и изделия на основе органических связующих веществ (битумов и полимеров): пластмассы, мастики и гермети­ки, рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы, ас­фальтовые растворы и бетоны, полимербетоны, лакокрасочные, геосинтетические и другие материалы.

В материалах II и III групп можно выделить функционально различные составные части, поэтому их называют композицион­ными.

Первым (главным) компонентом композиционных материа­лов является связующее — вещество, способное переходить из жидкообразного состояния в твердое. Основой связующего явля­ются вяжущие вещества, битумы и полимеры.

Вторым компонентом в композитах являются инертные рых­лые материалы — заполнители (песок, гравий, щебень и др.) и наполнители (тонкие минеральные порошки, волокна различного происхождения, технические ткани). Назначение заполнителей и наполнителей, с одной стороны — снизить стоимость материала, так как связующее является более дорогим компонентом, а с дру­гой стороны — сообщить материалу те или иные полезные свой­ства, например повысить прочность, твердость, теплостойкость, снизить усадку и т. д.

Третьим компонентом являются различные добавки, приме­няемые в малых дозах, но позволяющие существенно скорректи­ровать свойства композиции.

Связующее вещество в композиционных материалах образует матрицу — непрерывную среду, включающую в себя частицы или волокна наполнителя (заполнителя).

В курсе строительных материалов рассматриваются закономер­ности процессов и явлений, лежащих в основе получения матери­алов с заданными свойствами, а также происходящих при эксп­луатации материалов в конструкциях и определяющих их долго­вечность.

Изучение данного курса позволит сформировать знания основ строительного материаловедения, общих законов структурообра — зования искусственные строительных конгломератов, связи стро­ительно-технических свойств материалов с их составом и строе­нием; приобрести навыки по испытанию строительных материа­лов, оценке их физико-технических свойств, стойкости и надеж­ности, правильному выбору материалов, их оптимальных сочета­ний в конкретных условиях строительства.