Строительные материалы и изделия

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ и свойств. СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

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).