Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Под структурой или внутренним строением строительных материалов понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности, находящихся в устойчивых взаимных связях (первичных или вторичных). В структуре искусственных конгломератов условно можно выделить микро- и макродисперсный уровни.

Под микроструктурой подразумевается расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных или одинаковых по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются вещества в определенных агрегатных состояниях. Сформировавшееся атомно-молекулярное строение предопределяет микроскопические особенности материала. На микроскопическом уровне также устанавливаются в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков и других сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхностей раздела более сложной материальной системы - композиционного материала.

Микроструктура изучается методами оптической и электронной микроскопии, рентгенофазовым и рентгеноструктурным анализами, микрорентгеноспектральным методом и, наконец, такими прецизионными методами, как ЯМР, ЭПР и др.

В зависимости от характера контактируемых частиц, согласно П. А. Ребиндеру, однородные микроструктуры делятся на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами - ван-дер-ваальсовы силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.

Конденсационные структуры возникают при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей.

Кристаллизационные структуры образовываются путем выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей.

При этом возможным является образование и смешанных структур, например коагуляционно-кристаллизационных и др. С реальным характером микроструктур связаны в известной мере и представления об их качественных характеристиках. Так, вещества с коагуляционной структурой обладают пониженной прочностью, однако имеют способность к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные структуры, особенно кристаллизационные, придают веществу повышенную прочность, но вместе с тем усиливают хрупкость, снижают тиксотропность.

В микроструктурах могут встречаться различные виды неплотностей и дефектов, которые отрицательно влияют на качество материала. К ним относят: дефекты кристаллической решетки в виде так называемых вакансий или примесей в кристаллической решетке; микротрещины, способные под нагрузкой расти и переходить в макротрещины; поры - замкнутые и сообщающиеся или и те, и другие различного происхождения, что зависит от разновидности цементирующего вещества.

Кроме вяжущего вещества, микродисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности другого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материала и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности контактирующих слоев и т. п. Различие в качестве контактной зоны и остального объема вяжущего является не скачкообразным, а довольно плавным.

Макроструктура - строение материала, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Она образована под влиянием цементирующей способности вяжущего вещества, благодаря чему частицы заполнителя (зернистые, волокнистые и др.) скрепляются между собой в общий монолит. Большинство материалов в своем составе, кроме твердого вещества, имеют воздушные включения - поры размером от долей миллиметра до сантиметра. Количество, размер и характер пор во многом определяют свойства материала.

Наличие в каждом элементарном объеме пор или трещин означает, что целые группы атомов не имеют взаимодействия друг с другом, так как между ними могут быть газовые, водные или другие инородные преграды, не обладающие прочностью. Следовательно, количество связей на единицу площади оказывается значительно меньше, что должно отрицательным образом отразиться на прочности твердого тела. Можно пояснить, что наличие в 1 см3 материала замкнутой поры размером 0,001 см, т. е. 10 мкм, приводит к следующему: во-первых, на площади сечения 1 см2 отсутствует 1014 межатомных связей; во-вторых, кристаллическая решетка значительно искажена и является энергетически неустойчивой, особенно на границе раздела фаз; в-третьих, в указанном объеме возникают остаточные напряжения, способные вызвать самопроизвольное разрушение; в-четвертых, на поверхности раздела пор начинают развиваться физико-химические процессы, также снижающие прочность материала.

Проблеме устранения поробразования в твердых телах должно быть уделено особое внимание, так как наличие сверхпрочных атомных связей не обеспечивает получение высокопрочного материала, если в процессе его изготовления будет допущено возникновение пор и раковин. Основной путь решения задачи заключается в совершенствовании технологии производства изделий с максимальной плотностью, т. е. минимальной пористостью материала.

Подобно компактной упаковке дискретных частичек в микроструктуре вяжущих веществ, смесь грубозернистых наполнителей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе связующих веществ как наиболее дорогостоящих компонентов и уменьшать усредненную толщину обмазочного слоя вяжущего вещества в конгломерате. В основе этого метода лежит прерывистая гранулометрия ( 15), согласно которой соотношение размеров зерен двух любых смежных фракций заполнителя в идеальном случае (при шарообразной форме зерен)

Из соотношения следует, что для плотной упаковки диаметр большего шара должен в семь раз превышать диаметр меньшего шара. Плотность упаковки шаров возрастает с уменьшением их диаметров в прогрессии 1/7, 1/72, 1/73 и т. д.

В зависимости от формы и размера частиц твердого вещества различают материалы зернистые, волокнистые и слоистые. Зернистые материалы бывают рыхлыми, состоящими из отдельных, не связанных одно с другим зерен (песок, гравий), или конгломератного строения (зерна прочно связаны между собой). Пример природного материала конгломератного строения - гранит, который состоит из зерен различных минералов, прочно сросшихся друг с другом. Искусственным материалом конгломератного строения является бетон, в котором зерна песка и щебня прочно соединены в монолит цементным камнем.

Кроме заполнителя в смесь нередко добавляется порошкообразный материал, частицы которого соизмеримы с размерами частиц используемого в конгломерате вяжущего вещества и новообразованиями - кристаллическими, аморфными и др. Их называют наполнителями.

Заполнители и наполнители могут быть активными, неактивными и малоактивными. К активным принадлежат те, которые при добавлении к вяжущему веществу повышают прочность конгломерата оптимальной структуры хотя бы по одному виду напряжений - сжатию, растяжению, сдвигу и т. п.

Упрочнение вяжущего вещества при использовании активного заполнителя (наполнителя) происходит под влиянием дополнительных физико-химических и химических взаимодействий контактируемых веществ или вследствие армирующего эффекта (для волокнистых наполнителей и заполнителей).

Как видно из приведенного, все строительные материалы характеризуются микро- и макроструктурами. Вместе с тем структура строительного конгломерата составляет единую, неделимую, цельную систему, и выделить какие-либо структурные элементы без разрушения всей системы нельзя.

Единая и монолитная структура конгломерата может быть оптимальной и неоптимальной.

Оптимальной называют структуру, если частицы в ней распределены равномерно по объему (фазы, компоненты, поры и др.), отсутствуют или присутствуют в малом количестве дефекты структуры как концентраторы напряжений или аккумуляторы агрессивной среды, имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде пространственной сетки минимально необходимой толщины. В тех случаях, когда в материале нет вяжущей прослойки, условием оптимальности структуры служит наибольшая поверхность контактирования и взаимосвязи частиц твердой фазы. При этом оптимальная структура всегда является отражением принятых технологических особенностей формирования ее в производственных условиях. Таким образом, оптимальная структура материала носит регулярный характер в отличие от неоптимальной.

Неоптимальными называют структуры, которые не удовлетворяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных условий оптимальности. Оптимальным структурам соответствуют улучшенные показатели качества материалов по сравнению с неоптимальными. Это улучшенное качество обусловлено повышенной плотностью, минимальным количеством жидкой среды, повышенной концентрацией твердой, например кристаллической, фазы, минимумом объема пор в контактных зонах и рядом других причин, особенно энергетического характера, поскольку при оптимальных структурах свободная энергия Гиббса и энергия Гельмгольца становятся минимальными.

Достоинством оптимальных структур является их сходство. Это означает, что закономерность, вскрытая в отношении одного материала, может быть распространена на другие, если их структуры - оптимальные.