Краткие выводы по вопросу структуры материалов

2.4.1.Традиционная классификация веществ или материалов по микроструктуре, включающая кристаллическую, аморфную и аморфно-кристаллическую структуры отражает не процесс образования системы, а ее состояние и предопределяет устойчивость веществ и материалов в различных средах и их свойства.

2.4.2 Твердая составляющая макроструктуры материалов (изделий) определяет их физические и химические свойства материалов, такие как плотность, твердость, упругость теплопроводность, коррозионную стойкость и др. Газообразная составляющая, или пористая часть структуры определяет прочностные, тепло-, гидрофизические свойства, морозостойкость, водопоглощение и др.

Таблица 4 – Классификация материалов по структуре

Материалы	Структура
Кристаллическая	Аморфная	Смешанная
моно	поли	твердая	дисперсия	жидкая	кристаллическая	аморфная	стекловидная
Природные	Кварц	Гранит	Опал	Коллоиды	Растворы	Каолинит	Порфиры	-
Гипс	Мрамор	Обсидиан	Гели	Расплавы	Монтмориллонит	Андезиты
Кальцит	Сиенит	Вулканическое стекло	Диатомит	Смолы	Гидрослюда	Тражиты
Магнезит	Диорит		Трепел			Базальт
	Габбро		Опока			Диабаз
	Гнейсы
	Сланцы
Искусственные	Корунд	Клинкерные минералы	Стекло	Сажа	Жидкое стекло			Ситаллы
			Аморфный кремнезем	Клей	Строительная керамика	Каменное литье	Шлакоситаллы
			Силикагель	Латекс	Фарфор
					Фаянс

 

 

Тема 2 Свойства материалов

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

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

Свойства материалов оценивают, как правило, числовыми показателями, которые устанавливают путем испытаний. Для получения сопоставимых данных испытания обязательно проводят единообразно, в соответствии с нормативными документами (ГОСТами, ОСТами, СН, ТУ и др.).

Свойства материалов принято разделять на основные, одинаково важные для всех строительных материалов и специальные, позволяющие оценить возможность применения данного материала для определенных целей.

К основным свойствам относятся масса, плотность, пористость, прочность, к специальным - водопоглощение, влажность, гигроск5опичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухостойкость, паро- газопроницаемость, теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, огнеупорность и др.

В соответствии с возможными воздействиями на материал свойства материалов классифицируют на:

- структурные характеристики – масса, плотность, пористость, дисперсность и др.;

- физические свойства, определяющие отношение материала к различным физическим процессам и воздействиям: теплофизические (теплопроводность, теплоемкость, огнеупорность, огнестойкость и др.), гидрофизические (гигроскопичность, влажность, водопоглощение, морозостойкость, водопроницаемость и др.);

- химические свойства, характеризующие способность материала к химическим превращениям и стойкость против химической коррозии;

- механические свойства, определяющие отношение материала к деформирующему и разрушающему действию механических нагрузок, - прочность, твердость, истираемость и др.

Долговечность – комплексный показатель, связанный с изменением главнейших эксплуатационных свойств материалов во времени.

Структурные характеристики

Масса – совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле (кг, г). Масса обладает определенным объемом, т.е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в пространстве. Тела одинакового объема, состоящие из различных веществ, имеют неодинаковую массу.

Истинная плотность – масса единицы объема абсолютно плотного материала (кг/м³, г/см³):

r = m / V, (1)

где m – масса материала, кг (г); V- объем в плотном состоянии, м³ (см³).

Большинство строительных материалов пористые - в их объеме помимо твердого вещества находятся воздушные ячейки (поры), заполненные воздухом, плотность которого несравнимо ниже плотности твердого вещества. Поэтому для строительных материалов определяют среднюю плотность.

Средняя плотность – масса единицы объема материала (изделия) в естественном состоянии, включая поры и пустоты (кг/м³, г/см³):

r_о = m / V_е , (2)

где m – масса материала, кг (г); V_е – объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

Относительная плотность – выражает отношение плотности материала к плотности стандартного вещества при определенных физических условиях (безразмерная величина):

d= r_I (T_I; P_I) / r_ст (T_ст; P_ст), (3)

где r_I - плотность материала, кг/м³; r_ст - плотность стандартного вещества, кг/м³.

В качестве стандартного вещества принимают воду при +4 ^оС, имеющую при этой температуре плотность 1000 кг/м³. Например: легкий бетон r_о=1400 кг/м³иметт относительную плотность d=1,4.

Для характеристики материалов, состоящих из отдельных зерен (цемент, песок, гравий), используют так называемую насыпную плотность.

Насыпная плотность – отношение массы зернистых или порошкообразных материалов ко всему занимаемому ими объему, включая и пространство между частицами (кг/м³, г/см³, кг/л):

r_нас = m / V_нас, (4)

где m – масса зернистого или порошкообразного материала, кг (г); V_нас – объем, который занимает определенная масса материала, находящегося в рыхлонасыпном состоянии, м³ (л).

Подавляющее большинство современных материалов кроме жестко-вязкого (твердого) вещества содержат в структуре поры – промежутки, полости, ячейки. Их количество и характер (размеры, распределение, открытость или закрытость) влияют на эксплуатационно-технические свойства

Строение материала в естественном состоянии характеризуется общей, открытой и закрытой пористостью, распределением пор по их радиусам, средним радиусом пор и удельной внутренней поверхностью пор.

Пористость – степень заполнения объема материала порами:

П = V_П / V_е (5)

где V_П – объем пор, м³ (см³); V_е - объем материала в естественном состоянии, м³ (см³).

Экспериментально-расчетный метод определения пористости, %, использует найденные опытным путем значения плотности высушенного материала:

П = (1 - r_о / r) · 100 (6)

Пористость строительных материалов колеблется в широких пределах от 0 до 98 %. В зависимости от показателя пористости различают низкопористые (менее 30 %), среднепористые (от 30 до 50 %) и высокопористые (более 50 %) материалы. На свойства материалов оказывает влияние величина пористости, размер и характер пор. Пористый материал содержит открытые и закрытые поры, размер пор может быть как несколько ангстрем, так и несколько миллиметров. По размеру поры классифицируют на:

- макропоры >0,5 мкм (5×10³ А);

- капиллярные поры >1 мкм (10⁴ А);

- контракционные поры 1…10^-2 мкм (10⁴…10² А);

- поры геля – 10^-2…10^-4 мкм (50…15 А).

Из представленной классификации к элементам макроструктуры относятся макропоры и крупные капилляры. Капиллярами называют, как правило, канальные поры, которые способны впитывать жидкость. Этот процесс имеет место при определенных условиях, связанных с радиусом капилляра, свойствами жидкости и твердой фазы, а также взаимодействием жидкости с внутренней поверхностью капилляра. Увеличение замкнутой пористости повышает долговечность материала.

Плотность и пористость в значительной степени определяют такие свойства материалов как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, теплопроводность и др.

Пустотность – степень заполнения определенного объема зернистым или порошкообразным материалом (%) или количество пустот, образующихся между зернами рыхлонасыпанного материала:

П = (1 - r _нас / r) х 100 (7).

Например, пустотность песка кубанского речного достигает 50%.

Физические свойства