СТРУКТУРА И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Структура материалов

Структура (от лат. structura — строение, расположение, порядок) — совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность, т.е. сохранение основных присущих ему свойств при различных внешних воздействиях и внутренних изменениях.

Структурная характеристика материала — это его паспорт; например, кристаллическая структура обладает одними свойствами, аморфная — совершенно другими. Имея один и тот же вещественный состав, но различную структуру, материалы при воздействии на них силовых и других факторов будут вести себя совершенно по-разному. Например, гранит (скальная горная порода) и природный кварцевый песок, имеющие кристаллическую структуру, и тот же кварцевый песок, но с поверхностной аморфной (неупорядоченной) структурой имеют один и тот же вещественный состав (Si02), но совершенно разные свойства. Так, прочность материалов при одном и том же вещественном составе может различаться в 1000 раз и более.

Значительный вклад в теорию и практику материалов внесли академик П.А. Ребиндер, профессора И.А. Рыбьев, Н.В. Горелышев, В.И. Соломатов, И.В. Королев и др.

Структура материалов очень сложна, поэтому для ее изучения используют разнообразные методы. В соответствии с ними выделяют:

  • ? макроструктуру — строение материала, видимое невооруженным глазом;
  • ? микроструктуру — строение материала, видимое в микроскоп;
  • ? ультрамикроструктуру — внутреннее строение вещества, составляющего материал, изучаемое методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

Отправной точкой в изучении структуры строительных материалов является изучение строения вещества, состоящего из атомов одного или нескольких химических элементов, между которыми существуют устойчивые энергетические связи. Среди этих связей выделяют основные: ионную, ковалентную, металлическую, различающиеся взаимодействием электронов на внешней (валентной) оболочке атомов.

Ионная связь вызывается силами притяжения между противоположно заряженными ионами.

Ковалентная связь характеризуется принадлежностью электрона одновременно двум атомам, т.е. дополнение недостающих наружных электронов происходит не за счет отбора электронов, как в случае ионной связи, а в результате образования общих пар электронов у взаимодействующих атомов.

При металлической связи отрицательно заряженные электроны как бы «омывают» положительно заряженные ионы, образующие кристаллический каркас вещества.

Существуют и другие формы химической связи: водородная (характерна для воды, льда), донорно-акцепторная (некоторые полимеры) и др. Имеют место также межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы) связи, представляющие собой взаимодействие между нейтральными молекулами, т.е. молекулами с насыщенной валентностью.

Свойства вещества зависят от химического строения его молекул, в которых атомы расположены таким образом, чтобы общая потенциальная энергия системы была минимальной.

Различают кристаллическую и аморфную структуры вещества.

Идеальный кристалл имеет пространственную решетку, в узлах которой с периодичностью, характерной для данного вещества, расположены атомы, ионы и молекулы. Их расположение определяется энергетической выгодностью узлов и расстояний между частицами, образующими пространственную решетку.

Наряду с кристаллической, имеет место аморфная структура вещества. Вследствие избыточной химической активности данная структура менее устойчива и при определенных условиях переходит в кристаллическую .

Строение реальных кристаллических и аморфных веществ существенно отличается от идеальных, что вызвано наличием в них различных микродефектов. Наиболее характерными микродефектами в аморфных веществах являются микропо- ры, а в кристаллических — дислокации (линейные дефекты, искривляющие кристаллическую решетку). Наибольшее количество микродефектов концентрируется на границе срастания микрочастиц (межкристаллические слои) и на поверхностях раздела фаз (поверхностных слоях).

Структура материала у поверхности значительно отличается от структуры в его толще. На поверхности материала атомы и молекулы вещества не уравновешены другими микрочастицами, вследствие чего они более энергетически активны, чем аналогичные частицы внутри материала. Именно поэтому поверхность материала всегда адсорбирует газообразные и другие вещества, что существенно изменяет свойства не только поверхностного слоя, но и материала в целом.

Отметим наиболее характерные особенности структуры материалов.

1. Нестабильность. Воздействия внешней среды (механические нагрузки и погодно-климатические факторы) постоянно изменяют структуру материалов, вызывая в них внутренние напряжения.

В неоднородных материалах, к которым относится большинство видов дорожных бетонов, в отдельных местах (поры, микротрещины, контактные слои, дефекты в кристаллах) возникают концентрации микронапряжений и микродеформаций, что при определенных воздействиях факторов внешней среды способствует увеличению и накоплению количества дефектов в структуре материала.

Напряженно-деформационные процессы в композиционных материалах в значительной степени являются релаксационными, однако они, как правило, протекают очень медленно (например, время релаксации напряжений для бетона составляют 106 с).

2. Неоднородность. Особенно неоднородной является структура композиционных материалов (асфальто- и цементобетоны), которая в значительной мере зависит от фазового состояния их компонентов (твердое, пластичное, кристаллическое, аморфное и т.п.).

Важнейшими критериями качества структуры являются истинная и средняя плотность, пористость материала, степень адгезии компонентов между собой, крупность и форма зерен заполнителей. Зная эти показатели, можно судить о прочности, долговечности и других свойствах материалов.

Одним из основных показателей качества строительных материалов является их прочность. Теоретическая прочность материалов превышает реальную прочность на несколько порядков. Это объясняется тем, что микродефекты в структуре материала вызывают большую концентрацию напряжений и способствуют ускорению процессов разрушения структуры материалов. Наиболее высокой прочностью обладает идеально однородный материал, т.е. не имеющий никаких микродефектов в своей структуре (рис. 2.1).

Зависимость прочности материалов от неоднородности их структуры

Рис. 2.1. Зависимость прочности материалов от неоднородности их структуры

Большое влияние на прочность и другие свойства материалов оказывает пористость их микроструктуры. При этом различают следующие виды пористости:

  • ? пористость, образующаяся вследствие воздухововлечения во время технологических процессов (размер пор 1СГ3...1(Г4 м);
  • ? капиллярная пористость, образующаяся за счет тепломассообменных процессов (например, испарения влаги в бетоне в период набора им прочности; размер пор 1СГ5...1(Г7 м);
  • ? контракционная пористость, образующаяся при формировании ультрамикроструктуры материалов (размер пор 1(Г7..Л(Г9 м).

Структура оказывает большое влияние на технологические, изоляционные, теплотехнические, акустические, прочностные и эксплуатационные свойства материалов, а также на их долговечность. Поэтому, умея оптимизировать структуру, можно существенно улучшать свойства материалов. В настоящее время это осуществляется на этапе реализации технологических процессов создания материалов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >