Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за Сентябрь 2015

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

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.