Строительные материалы и изделия

Свойства, строение и состав строительных материалов

• Свойства строительного материала определяются его струк­турой. Для получения материала заданных свойств следует соз­дать его внутреннюю структуру, обеспечивающую необходимые технические характеристики. В конечном итоге знание свойств материалов необходимо для наиболее эффективного его исполь­зования в конкретных условиях эксплуатации.

• Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом; микроструктура — строение, видимое через микроскоп; внутреннее строение вещества, изучаемое на молекулярно-ион­ном уровне (физико-химические методы исследования — элек­

тронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный ана­лиз и др.).

Макроструктуру твердых строительных материалов (исклю­чая горные породы, имеющие свою геологическую классифика­цию) делят на следующие группы: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая и рыхлозернистая (по­рошкообразная). Искусственные конгломераты представляют собой большую группу; это различного вида бетоны, керамиче­ские и другие материалы. Ячеистая структура материала отли­чается наличием макропор; она свойственна газо - и пенобетонам, газосиликатам и др. Мелкопористая структура характерна, на­пример, для керамических материалов, получаемых в результате выгорания введенных органических веществ. Волокнистая струк­тура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и др. Слоистая структура характерна для листовых, плитных и рулон­ных материалов. Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетонов, растворов, различного вида засыпка для тепло - звукоизоляции и др.

Микроструктура строительных материалов может быть кри­сталлическая и аморфная. Эти формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества, например кварц и различные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью в производстве силикатного кирпича, применяют автоклавную обработку сырца насыщенным водяным паром с температурой 175°С и давлением 0,8 МПа, в то же время трепел (амфорная форма диоксида кремнезема) с известью при затворении водой образует гидросиликат кальция при нормальной температуре 15...25°С. Амфорная форма веще­ства может перейти в более устойчивую кристаллическую.

Для каменных материалов практическое значение имеет явление полиморфизма, когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических формах, называемых модификациями. Полиморфные превращения кварца сопровож­даются изменением объема. Для кристаллического вещества характерны определенная температура плавления и геометриче­ская форма кристаллов каждой модификации. Свойства моно­кристаллов в разных направлениях неодинаковы. Теплопровод­ность, прочность, электропроводность, скорость растворения и явления анизотропии являются следствием особенностей внутрен­него строения кристаллов. В строительстве применяют поли - кристаллические каменные материалы, в которых разные кри­сталлы ориентированы хаотично. Эти материалы по своим свой­ствам относятся к изотропным, исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутренняя структура материала определяет его механиче­скую прочность, твердость, теплопроводность и другие важные свойства.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими кристаллическую решетку. Она может быть обра­зована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или разных элементов, как в Si02); ионами (раз­ноименно заряженными, как в кальците СаС03, или одноимен­ными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь, обычно осуществляемая электронной па­рой, образуется в кристаллах простых веществ (алмазе, графи­те) или в кристаллах, состоящих из двух элементов (кварце, карборунде). Такие материалы отличаются высокой прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах материалов, где связь имеет в основном ионный характер, например гипс, ангидрид. Они имеют невысокую прочность, не водостойки.

В относительно сложных кристаллах (кальците, полевых шпа­тах) имеют место и ковалентная и ионная связи. Например, в кальците внутри сложного иона С03~ связь ковалентная, но с ионами Са2+ — ионная. Кальцит СаС03 обладает высокой проч­ностью,, но малой твердостью, полевые шпаты имеют высокие прочность и твердость.

Молекулярные связи образуются в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга относительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (кристаллы льда), имею­щими низкую температуру плавления.

Силикаты имеют сложную структуру. Волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связан­ных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Иониые силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические силы, недостаточные для разрыва цепей, расчленяют 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 (атомами кислорода) и образующих объемную решетку, поэтому их рассматривают как неорганиче­ские полимеры.

• Строительный материал характеризуется химическим, мине­ральным и фазовым составом. Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала — меха­нических, огнестойкости, биостойкости, а также других техниче­ских характеристиках. Химический состав неорганических вяжу­щих материалов (извести, цемента и др.) и естественных ка­менных материалов удобно выражать содержанием в них ок­сидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны и образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, каких минералов и в каком количестве содержится в данном материале, например в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (ЗСаО-БіОг) составляет 45...60 %, причем при большем содер­жании этого минерала ускоряется процесс твердения и повыша­ется прочность. Фазовый состав и фазовые переходы воды, на­ходящейся в его порах, оказывают большое влияние на свойства материала. В материале выделяют твердые вещества, образую­щие стенки пор, т. е. каркас и поры, наполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояния меняет свойства материала.