Структура строительных материалов

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Структура строительных материалов

Под структурой, или внутренним строением строительных материалов, как и других физических тел, понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности (измельченности) с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой. Кроме того, в понятие структуры входит расположение пор, капилляров, поверхностей

раздела фаз, микротрещин и других структурных элементов. Под микроструктурой подразумеваются расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются различные вещества в твердом, жидком и газообразном состояниях. Атомно-молекулярное строение определяют макроскопические особенности материала. На макроскопическом уровне устанавливаются в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков, аморфных сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов.

Основной формой правильного расположения микрочастиц в пространстве является кристаллическая решетка. Каждому типу связи соответствует свой характерный тип кристаллической решетки, а именно: ионная решетка; молекулярная, или поляризационная, решетка, формирующаяся с помощью сил Ван-дер-Ваальса; атомная с резко выраженной в решетке ковалентной связью; металлическая; решетка с водородными связями. Особенностью твердых тел является взаимосвязь, или корреляция, положений соседних атомов с ближним и дальним порядками. В кристаллических решетках дальний порядок распространяется на большие области, а ближний порядок - на окружение данного атома. Все тела с кристаллической решеткой имеют правильную форму кристаллов, хотя реальные кристаллы обычно имеют отклонения от идеальной геометрической структуры.

Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой, относятся к аморфным. К самым распространенным представителям аморфных тел относятся стекла. Беспорядочное расположение атомов и молекул в аморфных телах усложняет изучение их структуры. О ней нередко судят по некоторым косвенным показателям. Так, например, аморфные вещества при нагревании способны плавиться постепенно, не имея определенной температуры плавления; они обладают изотропностью, т.е. одинаковыми свойствами во всех направлениях. Упорядоченность расположения частиц может наблюдаться (например, у стекол) только в небольших элементах объема (ближний порядок). В этих зонах структура именуется как кристаллитная: между кристаллами, занимающими микрообъемы, находятся прослойки полностью аморфного вещества.

У твердых тел имеются значимые признаки их кристалличности: определенная температура плавления - перехода их в жидкое состояние ; определенная геометрическая форма кристаллов, которая остается характерной для данного вещества; анизотропия, т.е. неодинаковость свойств в различных направлениях. Тепловой эффект кристаллизации - основной критерий этого фазового превращения.

Кристаллическое и аморфное строение нередко может быть присуще одному и тому же веществу, например кристаллический кварц (кристобалит) и

кварцевое стекло имеют общий химический состав SiO2. Одно и то же кристаллическое вещество может находиться в различных формах (модификациях) существования кристаллов, что известно под названием полиморфизма. Полиморфизм вызывает изменение свойств при сохранении постоянным состава вещества, что лишний раз указывает на важную роль структур в становлении качества материалов. Так, например, алмаз и графит, являясь кристаллическими модификациями углерода, обладают резко различной твердостью: алмаз применяется при бурении прочных горных пород, графит -мягок и используется как смазка или для стержня карандаша. Другой пример -кристаллические модификации железа, получающиеся при его нагревании и охлаждении: при высокотемпературной форме кристаллов железо способно сравнительно много растворять углерода, тогда как при низкотемпературной -углерод практически нерастворим, а при охлаждении железа из растворенного состояния углерод переходит в механическую примесь.

Структура не остается неизменной, «застывшей». В пространстве и во времени она непрерывно претерпевает изменения. Этому, в частности, способствует постоянное движение элементарных частиц, атомов, молекул, взаимодействие материала с окружающей средой.

Микроструктура и ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры разделяют на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами - ван-дер-ваальсовые силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды. Конденсационными называются структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц, или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов, или под влиянием ионных и ковалентных связей. Кристаллизационными (или кристаллическими) называют структуры, образовавшиеся путем выкристаллизо-вывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей. П.А.Ребиндер, впервые разделивший микроструктуры на эти три разновидности, отмечал возможным и даже более типичным образование смешанных структур как совокупности двух или трех однородных, например кристаллизационно-коагуляционной и др. При определенных условиях может быть самопроизвольный (спонтанный) переход с различной скоростью коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную и др. С реальным характером микроструктур связаны в известной мере представления об их качественных характеристиках. Так, например, при коагуляционных структурах почти всегда наблюдается пониженная прочность вещества, способность

к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные и особенно кристаллизационные структуры придают веществу повышенную прочность, хрупкость, лишают его тиксотропности.

Определенный объем, иногда значительный, в микроструктуре занимают замкнутые и сообщающиеся поры или те и другие вместе.

В микроструктурах могут встречаться кроме пор другие виды неплотностей. Среди них дефекты кристаллической решетки в виде так называемых вакансий, вызванных «испарением» атома из узла решетки; в виде дислоцированных атомов, т.е. перемещенных в междоузлии кристаллической решетки; в виде примесей кристаллической решетки со значительным искажением качества вещества по сравнению с чистыми и сверхчистыми веществами. Особо опасными являются дефекты в виде микротрещин, способных под нагрузками расти с переходом в макротрещину или магистральную трещину, охватывающую макрообъемы кристаллических агрегатов и тел.

Кроме вяжущего вещества микро дисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжущие вещества от поверхности другого компонента, например зерен заполнителя. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материал и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности сцепления контактируемых веществ и прочего, хотя различие в качестве приповерхностного слоя и остального объема вяжущего вещества является не скачкообразным, а довольно плавным.

«Укладка» микрочастиц происходит компактно, т.е. как бы с учетом принципа наиболее плотной упаковки. Этот принцип характеризуется тем, что в кристаллических телах при укладке атомов, ионов или молекул в кристалле возникает наименьшее остаточное свободное пространство. Однако такой принцип применим не ко всем видам кристаллов, так как при плотной упаковке может возникнуть меньшая устойчивость равновесия, что, например, не в малой степени зависит от направления валентностей контактируемых частиц.

Макроструктура различима невооруженным глазом. Для наиболее распространенных строительных материалов она образована совмещением микроструктуры вяжущего вещества и полизернистых или иных видов (волокнистых, пластинчатых, угловатых и т.п.) грубодисперсных частиц заполнителя, а также в ней содержится капиллярно-поровая часть. В большой группе особо легких бетонов (ячеистых бетонов) макродисперсные поры в виде замкнутых ячеек являются как бы своеобразной разновидностью «заполнителя».

Подобно плотной, компактной упаковке частичек в микроструктуре вяжущих веществ, грубозернистые заполнители подбирают с наименьшим объемом меж зерновых пустот, что позволяет экономить на расходе вяжущего ве-

щества. С этой целью зернистые заполнители предварительно разделяют на фракции по размерам, с тем чтобы затем пробным подбором или расчетом найти содержание каждой фракции при плотной их смеси.

Если крупные частицы, например, щебня или гравия в такой мере сближены, что контактируют непосредственно друг с другом или через тонкие прослойки вяжущего, то сформировавшаяся структура называется контактной. Если имеется разделение частиц прослойками вяжущего вещества значительно усредненной толщины, то макроструктуру принято именовать порфировой.

В первом приближении оценить вид структуры можно по коэффициенту упаковки. Под коэффициентом упаковки понимают отношение проекции расстояния между соседними крупными зернами (частицами) на плоскость к их диаметрам:

Ky =(L- dd

где Ку - коэффициент упаковки; L - проекция расстояния между центрами соседних зерен (частиц); d - диаметр частиц (зерен), для которых вычисляется этот коэффициент, а если частицы (зерна) разного диаметра (размера), то d = r1 + r2, где r1 и r2 - радиусы соседних частиц.

Положительные значения коэффициента упаковки характеризуют порфировую структуру, а отрицательные - контактную. При К=0 наблюдается соприкосновение частиц друг с другом без зацепления, т.е. без захода одной частицы за другую. При максимальной плотной упаковке частиц шарообразной формы и одного диаметра с количеством их 74% по объему коэффициент упаковки равен - 0.1. Увеличение количества частиц в материале (например, щебня) приводит к дальнейшему увеличению отрицательной величины коэффициента упаковки, т.е. к большему зацеплению или заходу щебенок друг за друга, что характерно для контактной структуры. Но на величину К влияет не только количество, но и размер крупнообломочных частиц. Чем крупнее зерна, тем меньшее количество щебня требуется для того, чтобы коэффициент упаковки оказался отрицательной величиной.

Структурные характеристики получаемого материала, например толщины пленок среды, содержание пор и их размеры и другое, изменяются при разных технологиях. Так, макроструктура прессованных изделий отличается от получаемых при литьевой технологии из одинаковых по качеству компонентов; микроструктура вяжущей части изделий после твердения в обычных условиях на воздухе отличается от образующейся при твердении в условиях повышенных давлений и температур и т.п.