СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Связь строения, состава и свойств

Строение и свойства

Знание строения строительного материала необходимо для по­нимания его свойств и в конечном итоге для решения практического

13

вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.

Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макрострукту­ра материала — строение, видимое невооруженным глазом; 2) мик­роструктура материала — строение, видимое в оптический микро­скоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено­структурного анализа, электронной микроскопии и т. п.

Макроструктура твердых строительных материалов* может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волок­нистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).

Искусственные конгломераты — это обширная группа, объеди­няющая бетоны различного вида, ряд керамических и других мате­риалов.

Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свой­ственных газо - и пенобетонам, ячеистым пластмассам.

Мелкопористая структура свойственна, например, керамиче­ским материалам, поризованным способами высокого водозатворе - ния и введением выгорающих добавок.

Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам, изделиям из минеральной ваты и др. Ее особенностью является рез­кое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон.

Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, листо­вых, плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым на­полнителем (бумопласта, текстолита и др.).

Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мастичной теплоизо­ляции, засыпок и др.

Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные аморфные формы кремнезема. Кристаллическая фор­ма всегда более устойчива. Чтобы вызвать химическое взаи­модействие между кварцевым песком и известью, в технологии си­ликатного кирпича применяют автоклавную обработку отформован­ного сырца насыщенным водяным паром температурой не менее

Природные каменные материалы сюда не относятся, так как горные породы имеют собственную геологическую классификацию

14

175 °С и давлением 0,8 МПа. Между тем трепел (аморфная форма диоксида кремния) вместе с известью после затворения водой обра­зует гидросиликат кальция при нормальной температуре 15-25 °С. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кри­сталлическую форму.

Практическое значение для природных и искусственных мате­риалов имеет явление полиморфизма — когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических формах, назы­ваемых модификациями. Наблюдаются, например, полиморфные превращения кварца, сопровождающиеся изменением объема.

Особенностью кристаллического вещества является определен­ная температура плавления (при постоянном давлении) и определен­ная геометрическая форма кристаллов каждой его модификации.

Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворе­ния, электропроводность и др. Явление анизотропии является след­ствием особенностей внутреннего строения кристаллов.

В строительстве применяют поликристаллические каменные ма­териалы, в которых разные кристаллы ориентированы беспорядочно. Подобные материалы рассматриваются как изотропные по своим строительно-техническим свойствам. Исключение составляют слои­стые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, опре­деляет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, обра­зующими пространственную кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемен­та, как в алмазе, или различных элементов, как в Si02); ионами (раз­ноименно заряженными, как в CaCQ, или одноименными, как в ме­таллах); целыми молекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь осуществляется обычно электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кри­сталлах некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются очень вы­сокой механической прочностью и твердостью, они весьма туго­плавки.

Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в кото­рых связь имеет преобладающе ионный характер. Распространенные строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысо­кую прочность и твердость, неводостойки,

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и ковалент­ная, и ионная связи. Внутри сложного иона С032~ связь ковалентная,

но сам он имеет с ионами Са2+ ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Кальцит СаС03 при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью. У полевых шпатов сочетаются довольно высокие показатели прочности и твердости, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью.

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кри­сталл этих веществ построен из целых молекул, которые удержива­ются друг около друга сравнительно слабыми вандер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда). При нагревании связи между молекулами легко разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками обладают низкими темпера­турами плавления.

Силикаты, занимающие особое место в строительных материа­лах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенности. Так, волокнистые материалы (асбест) состоят из параллельных силикат­ных цепей, связанных между собой положительными ионами, распо­ложенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недоста­точные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки.

Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров Si04, связанных между собой общими вершинами (общими атомами ки­слорода) и образующих объемную решетку. Это дало основание рас­смотреть их как неорганические полимеры.

Состав и свойства

Строительный материал характеризуется химическим, мине­ральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механиче­ских и других технических характеристиках. Химический состав не-

16

органических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материа­лов удобно выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства мате­риала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном мате­риале. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЪСаО • Si02) составляет 45-60%, причем при большем его количестве ускоряется твердение, повышается прочность цементно­го камня.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находя­щиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твердые веще­ства, образующие стенки пор, т. е. «каркас» материала, и поры, за­полненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в порах лед изменяет механические и тепломеханические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напря­жения, способные разрушить материал при повторных циклах замо­раживания и оттаивания.