книги / Материаловедение. Технология композиционных материалов. Материаловедение

персными системами. Жидкие коллоиды называются золями, твердые студенистые - гелям!?.

• микрогетерогенные - с размером частиц от 10"7до 1(Г5 м (от 0,1 до 10,0 мкм). К микрогетерогенным системам относят суспензии (смесь твердой фазы в жидкой - Т/Ж), эмульсии (смесь двух не растворяющихся друг в друге жидкостей - Ж/Ж), пены (смесь газообразных пузырьков в жидкости - Г/Ж. Микрогеторогенные системы неустойчивы, в них дисперсная фаза стремится к седиментации, то есть к осаждению. В дополнение к этому дисперсная фаза может коагулировать, сцепляться под действием поверхностных сил.

• грубодисперсные - с частицами, размер которых превы­ шает КГ5м (более 10 мкм). Грубодисперсные системы {порош­ ки, ишикеры, щебень и т.д.) неустойчивы. Чрезмерное измель­ чение порошков ведет к их слипанию (коагуляции).

Связнодисперсные системы, точнее, пористые тела клас­ сифицируют по размеру пор (табл. 2.2).

Таким образом, связнодисперсные системы - это твердые строительные материалы (тела).

Твердое тело - это одно из агрегатных состояний вещества, при котором оно сохраняет свою форму под воздействием внешних деформирующих сил определенной величины.3

3 Гелеобразование - одно из важнейших свойств коллоидных систем. Гели образуются в результате действия молекулярных сил сцепления между коллоидными частицами. Образование гелей имеет значение для объяснения процессов твердения и свойств цементного камня и полимерных материалов. Ячеистая структура геля удерживает значительное количество жидкой дисперсионной среды во взвешенном состоянии. Под действием механических усилий многие гели способ­ ны переходить в золи, т.е. разжижаться; это явление называется тиксо­ тропией и проявляется оно при вибрировании бетонных, растворных и других смесей (подробно см. раздел 2.2.5).

ние и отделенных друг от друга поверхностями раздела. Напри­ мер, основными минералогическими фазами клинкера порт­ ландцемента являются алит, белит, целит и браунмиллерит. В пористом материале можно выделить твердую и газообразную (в виде пор и капилляров) фазы. При водонасыщении такого ма­ териала и последующем замерзании воды в порах с увеличением объема льда на 8 % в материале возникают внутренние напря­ жения, которые могут даже разрушить этот материал. Таким об­ разом, фазовый состав материала и фазовые переходы в нем во­ ды оказывают влияние на свойства и поведение материала при эксплуатации. Материалы, представленные одной фазой, назы­ вают гомогенными, а двумя и более - гетерогенными.

Химический состав характеризует процентное содержание в материале химических элементов или оксидов, позволяет су­ дить о некоторых свойствах материалов: жаро- и огнеупорности, коррозионной стойкости, механических свойствах, возможном минералогическом составе и т.д.

Минералогический состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в материале. Например, искус­ ственный минерал трехкальциевый силикат - алит (3CaO-SiC>2) - содержится в клинкере портландцемента в количестве 45-70 %, причем при большем его содержании твердение цемента уско­ ряется и повышается прочность цементного камня, но снижает­ ся коррозионная стойкость в ряде эксплуатационных сред.

Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макро­ структуры материала - строения, видимого невооруженным взглядом; 2) микроструктуры материала - строения видимого в оптический микроскоп; 3) внутреннего строения веществ, со­ ставляющих материал на молекулярно-ионном уровне, изучае­ мом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии, спектрального анализа и т.д.

Под макроструктурой понимают форму, размеры и харак­ тер взаимного расположения соответствующих фаз в твердом теле (материале).

Макроструктура (или текстура) твердых строительных материалов может быть следующих типов: к о н г л о м е -

- к о н г л о м е р а т н у ю с т р у к т у р у имеют при­ родные и искусственные материалы, в составе которых находят­ ся крупные включения заполнителей или более тугоплавких по­ род. Например, к материалам с конгломератной структурой относятся брекчия, бетоны, ряд керамических и других мате­ риалов;

- п о р и с т у ю с т р у к т у р у имеет большинство строительных материалов. Ее подразделяют на мелкопористую (с размерами пор 0,010- 0,001 мм) и крупнопористую, или ячеистую (с размерами пор 0,1-2,0 мм). Мелкопористая струк­ тура свойственна, например, бетонам и растворам, поризованным способами высокого водозатворения, и керамическим ма­ териалам, поризованным выгорающими добавками. Ячеистая структура свойственна газо- и пенобетонам, ячеистым пласт­ массам;

- в о л о к н и с т а я с т р у к т у р а присуща древесине, стеклопластикам, изделиям из минеральной ваты и др. Ее осо­ бенностью является резкое различие прочности, теплопроводно­ сти и других свойств вдоль и поперек волокон;

- с л о и с т а я с т р у к т у р а отчетливо выражена у ру­ лонных, листовых, плитных материалов, в частности у пласт­ масс со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.); - р ы х л о з е р н и с т ы е материалы - это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мас­

тичной теплоизоляции, засыпок и др.

Микроструктура твердого вещества материала может на­

Кристаллические тела имеют упорядоченное взаимное располо­ жение образующих их частиц - атомов и молекул, а аморфные - хаотическое расположение частиц. Кристаллические вещества обладают характерным свойством обратимо переходить из твер­ дого состояния в жидкое при определенной, постоянной для данного вещества температуре. Эта температура называется температурой плавления. Аморфные вещества не имеют четко выраженной температуры плавления.

Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные аморф­ ные формы кремнезема. С течением времени аморфные формы переходят в более устойчивые - кристаллические. Термодина­ мическая устойчивость кристаллической формы вещества влия­ ет на ее реакционную способность. Например, чтобы вызвать химическое взаимодействие между кристаллическим кварцевым песком и известью в водной среде, необходима температура 100-187 °С и давление 0,1-1,2 МПа. Между тем, трепел (аморф­ ная форма диоксида кремния) взаимодействует с известью в водной среде при нормальной температуре 20±5 °С.

При изменении температуры или давления кристаллическая структура одного и того же вещества может менять свою моди­ фикацию, Явление, когда одно вещество образует несколько кристаллических структур с разными размерами кристаллов, на­ зывается полиморфизмом. Поэтому полиморфные превращения кварца, происходящие при его нагревании, сопровождаются из­ менением объема веществ и приводят к разрушению жаро- и ог­ неупорных материалов.

С другой стороны, вещества с близкой кристаллической структурой Moiyr образовывать смешанные кристаллы (явление

изоморфизма).

Свойства монокристаллов (например, механическая проч­ ность, теплопроводность, скорость растворения, электропровод­ ность и т.д.) неодинаковы в различных направлениях. Это явле­ ние, называемое анизотропией, является следствием особенно­ стей внутреннего строения кристаллов.

В строительстве применяют поликристаллические камен­ ные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы беспорядочно. Подобные материалы рассматриваются как изотропные по своим строительно-техническим свойствам. Исключение составляют слоистые каменные материалы (гней­ сы, сланцы и т.д.).

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, характеризуется природой химических связей, расстоянием ме­ жду атомами и ионами в молекуле, строением кристаллической решетки.

Энергия химических связей равна работе, которую необхо­ димо затратить, чтобы разделить материал (вещество) на со­ ставные элементы при его производстве и эксплуатации, то есть она характеризует устойчивость соединений.

К о в а л е н т н а я с в я з ь осуществляется электронной парой и зависит от валентности вещества. Она образуется в кри­ сталлах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах неко­ торых соединений из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды, нитриды).

И о н н а я с в я з ь образуется в соединениях, диссоции­ рующих в растворителях (полярных жидкостях) на ионы, или в соединениях, ионы в которых образуются в результате раз­ личных химических реакций. Ряд минеральных вяжущих (гипс, известь) образованы ионными связями.

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строитель­ ных материалах (кальцит, полевые шпаты, клинкера цементов), осуществляется и ковалентная, и ионная связи. Внутри сложно­ го иона СО32" связь самая сильная - ковалентная, но сам он име­ ет с ионами Са2+ ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Например, кальцит СаСОз при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью.

М е т а л л и ч е с к а я с в я з ь образуется между атомами с типичными металлическими свойствами. В узлах кристалли­ ческой решетки металла находятся положительно заряженные ионы металла, «погруженные» в электронный газ из нелокализованных валентных электронов атомов, участвующих в образо­ вании кристалла. Устойчивость кристалла обеспечивается сила­ ми притяжения между положительно заряженными ионами и электронным газом, движение которого подчиняется класси­ ческим законам перемещения частиц идеального газа.

В о д о р о д н а я с в я з ь возникает между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрица­ тельно поляризованным атомом фтора, кислорода или азота другой молекулы.

По типу химической связи между образующим кристалл частицами или структурными фрагментами различают к о в а ­ л е н т н ы е (алмаз), и о н н ы е (NaCl, СаЭОД м о л е к у -

л я р н ы е (С02) и м е т а л л и ч е с к и е кристаллы. Кова­ лентные кристаллы сильно преломляют свет, обладают повы­ шенной твердостью, прочностью, огнеупорностью и, как прави­ ло, плохо проводят тепло и электричество. Кристаллы с метал­ лической связью пластичны, непрозрачны, хорошо проводят электрический ток. Промежуточные характеристики у ионных кристаллов. В молекулярных кристаллах внутри молекул - сильные химические связи, между молекулами - связи слабые, поэтому такие кристаллы легкоплавки.

Вопросы для самоконтроля

1.Что называется фазой и системой? Для чего материало­ веды рассматривают строительный материал как систему?

2.Приведите примеры дисперсных систем, с которыми ма­ териаловеды и строители имеют дело в своей работе.

3.Чем отличаются связнодисперсные системы от свобод­ нодисперсных?

4.Что такое истинный раствор, гель, золь, эмульсия, сус­ пензия, шликер, пена? Чем они отличаются друг от друга?

5.Как можно описать состав любого материала?

6.Что подразумевают под макроструктурой вещества и его внутренним строением?

7.Для чего строителю необходимы знания по внутреннему строению вещества?

8.В чем отличие кристаллических веществ от аморфных?

9.Для чего строителям необходимо знать микроструктуру материалов?

2.2.Основные свойства строительных материалов

иих смесей

Грамотный выбор строительных материалов при проекти­ ровании и строительстве (ремонте) зданий и сооружений осуще­ ствляется по основным и вспомогательным показателям ка­ чества.

Основные показатели качества задаются в стандарте на продукт (материал, изделие). Ориентируясь на эти показатели,

продукт продают и покупают. Вспомогательные показатели ка­ чества продукта помогают его транспортировать, хранить, пе­ рерабатывать, точно устанавливать область его применения (особенно в коррозионной среде).

Показатели качества - это свойства продукта, ограни­ ченные в пределах норм (стандартов, производственных реко­ мендаций, инструкций, рабочих чертежей) на конкретный продукт.

Различают несколько групп свойств материалов: физиче­ ские, механические, химические и технологические свойства.

2.2.1. Физические свойства

2.2.1.1. П а р а м е т р ы с о с т о я н и я с и с т е м ы

Истинная плотность - р (кг/м3, г/см3) - масса единицы объема абсолютно плотного материала (без пор). Если масса ма­ териала га, а его объем в плотном состоянии V, то

p =m/VT.

За немногими исключениями (металлы, стекло, мономине­ ралы) строительные материалы пористы. Объем V пористого материала в естественном состоянии (то есть вместе с заклю­ ченными в нем порами) слагается из объема твердого вещест­ ва VTи объема пор Vn:

Средняя плотность - р0, кг/м3, г/см3 (далее - плотность) есть масса единицы объема материала в естественном состоянии (объем определяется вместе с порами заключенными внутри куска или зерна материала):

Значения плотности данного материала в сухом и влажном состоянии связаны соотношением

где р„,, ро плотности соответственно влажного и сухого мате­ риала; W„- количество воды в материале, в долях от его массы.

Средняя плотность пористых материалов всегда меньше их истинной плотности (табл. 2.3).

Т а б л и ц а 2.3

Средние значения плотности, пористости и теплопроводности строительных материалов