Глава 2. Структура и основные свойства строительных материалов

 

Общие положения

 

Структура (от лат. structura – строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность, т.е. сохранение основных присущих ему свойств при различных внешних воздействиях и внутренних изменениях.

Структурная характеристика материала – это его паспорт: кристаллическая структура обладает своими свойствами, у аморфной – другие характеристики. Обладая одним и тем же вещественным составом, но различной структурой, материалы при воздействии на них силовых и других факторов будут вести себя совершенно по-разному. Например, скальная горная порода из гранита, природный кварцевый песок, имеющие кристаллическую структуру, и тот же кварцевый песок с поверхностной аморфной (неупорядоченной кристаллической структурой) имеют один и тот же вещественный состав (SiO₂), но совершенно разные свойства вследствие различной структуры.

Свойства материалов широко изменяются от их структуры. Например, прочность материалов при одном и том же вещественном составе может изменяться в 1000 раз и более.

Значительный вклад в теорию и практику материалов внесли академик П.А.Ребиндер, профессора И.А.Рыбьев, Н.В.Горелышев, В.И.Соломатов, И.В.Королев и др.

 

Структура материалов

 

Структура материалов очень сложна, поэтому для ее изучения используют разнообразные способы.

По методам изучения различают:

макроструктуру – строение материала, видимое невооруженным глазом;

микроструктуру – строение материала, видимое в микроскоп;

ультрамикроструктуру – внутреннее строение вещества, составляющего материал, изучаемого методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Исходным базисом в изучении структуры строительных материалов является изучение строения вещества, состоящего из одного или нескольких химических элементов, между которыми существуют устойчивые энергетические связи. Среди этих связей выделяют основные: ионную, ковалентную, металлическую, что обусловлено различием во взаимодействии электронов на внешней (валентной) оболочке атомов.

Ионная связь вызывается силами притяжения между противоположно заряженными ионами.

Ковалентная связь характеризуется принадлежностью электрона одновременно двум атомам, т.е. дополнение недостающих наружных электронов происходит не отбором электронов, как в случае ионной связи, а образованием общих пар электронов у взаимодействующих атомов.

При металлической связи отрицательно заряженные электроны как бы «омывают» положительно заряженные ионы, образующие кристаллический каркас вещества.

Существуют и другие формы химической связи: водородная, характерная для воды, льда; донорно-акцепторная (некоторые полимеры) и др.

Имеют место также межмолекулярные (вандерваальсовые) связи, представляющие собой взаимодействие между нейтральными молекулами, т.е. молекулами с насыщенной валентностью.

Свойства вещества зависят от химического строения молекул, в которых атомы располагаются таким образом, чтобы общая потенциальная энергия системы была минимальной.

Различают кристаллическую и аморфную структуры вещества.

Идеальный кристалл имеет пространственную решетку, в узлах которого расположены атомы, ионы и молекулы с периодичностью, характерной для данного вещества. Такое расположение определяется энергетической выгодностью узлов и расстояний между частицами, образующими пространственную решетку.

Наряду с кристаллической, имеет место аморфная структура вещества, которая менее устойчива (вследствие избыточной химической активности) и которая при определенных условиях переходит в кристаллическую.

Строение реальных кристаллических и аморфных веществ существенно отличается от идеальных, что вызвано наличием в них различных микродефектов. Наиболее характерными микродефектами в аморфных веществах являются микропоры, а в кристаллических – дислокации (линейные дефекты, искривляющие кристаллическую решетку).

Наибольшее количество микродефектов концентрируется на границе срастания микрочастиц (межкристаллические слои) и на поверхностях раздела фаз – поверхностных слоях. Структура материала у поверхности значительно отличается от структуры в его толще. Атомы и молекулы вещества не уравновешены на поверхности материала другими микрочастицами, вследствие чего они более энергетически активны, чем аналогичные частицы внутри материала. Именно поэтому поверхность материала всегда адсорбирует газообразные (из воздуха) и другие вещества, что существенно изменяет не только свойства поверхностного слоя, но и его свойства в целом.

Отметим наиболее характерные особенности структуры материалов.

 

1. Структура материалов нестабильна.

Воздействия внешней среды (механические нагрузки и погодно-климатические факторы) постоянно изменяют структуру материалов, вызывая в них внутренние напряжения.

В неоднородных материалах (большинство видов дорожных бетонов) в отдельных местах (поры, микротрещины, контактные слои, дефекты в кристаллах) возникают концентрации микронапряжений и микродеформаций, что, при определенных условиях воздействия факторов внешней среды, способствует увеличению и накоплению количества дефектов в структуре материала.

Напряженно-деформационные процессы в композиционных материалах в значительной степени являются релаксационными, однако они, как правило, протекают очень медленно (например, время релаксации напряжений для бетона составляют 10⁶ с).

 

2. Структура материалов является неоднородной.

Особенно неоднородной является структура композиционных материалов (асфальто- и цементобетоны), которая в значительной мере зависит от фазового состояния их компонентов (твердое, пластичное, кристаллическое, аморфное и т.п.).

Важнейшими критериями качества структуры являются истинная и средняя плотность, пористость материала, степень адгезии компонентов между собой, крупность и форма зерен заполнителей. Зная эти показатели, можно судить о прочности, долговечности и других свойствах материалов.

Одним из основных показателей качества строительных материалов является их прочность. Теоретическая прочность материалов превышает реальную прочность на несколько порядков. Это объясняется тем, что микродефекты в структуре материала вызывают большую концентрацию напряжений и способствуют ускорению процессов разрушения структуры материалов.

Общая зависимость прочности от неоднородности структуры показана на рис. 2.1. Наиболее высокой прочностью обладает идеально однородный материал, т.е. не имеющий никаких микродефектов в своей структуре.

Большую роль в прочности материалов и других его свойств играет пористость их микроструктуры. При этом различают следующие виды пористости:

- пористость, образующаяся вследствие воздухововлечения во время технологических процессов (размер пор 10^-3...10^{-4 м);}

- пористость капиллярная, образующаяся за счет тепломассообменных процессов (например, испарения влаги в бетоне в период набора им прочности). Величина пор составляет 10^-5...10^{-7 м;}

- пористость контракционная, образующаяся при формировании ультрамикроструктуры материалов (размер пор составляет 10^-7...10^{-9 м).}

Структура оказывает большое влияние на технологические, изоляционные, теплотехнические, акустические, прочностные и эксплуатационные свойства материалов, на их долговечность. Поэтому, умея оптимизировать структуру, можно существенно улучшать свойства материалов. В настоящее время это осуществляется в процессе реализации технологических процессов создания материалов.