Структура строительных материалов.

В результате отвердевания вяжущего вещества с цементированием заполняющей части искусственные строительные конгломераты приобретают определенную структуру, которая вместе с составом предопределяет их качество.

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 определяет 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, фаз и поверхностей раздела более сложных материальных систем типа конгломератов (композиционных материалов).

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 взаимозависимость, 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. 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 важнейшую 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. Аналогичным путем изменяются и другие свойства при модификациях кристаллических тел.

Структура, как отмечалось выше, 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, переход вещества из одного состояния в другое под влиянием перераспределения связей между атомами в молекулах, изменения в структуре молекул и других химических форм движения элементарных частиц.

Относительная стабильность структуры и внешней формы макроскопических тел обусловлены определенными связями и отношениями структурных элементов, а формы изменений и переходов их состояний проявляются в неизбежных тепловых, тепломассообменных явлениях, процессах кристаллизации.

Микроструктура и кинетика ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. Сравнительно простым измерением, производимым на плоскости наблюдения, устанавливается.расчетным путем содержание некоторого ключевого элемента структуры в объеме материала.

В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры различают коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами — вандерваальсовы 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 валентных связей. Кристаллизационными (или кристаллическими) называют структуры, образовавшиеся 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. Академик 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 наблюдаются 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.

Микроструктура в ИСК наиболее характерна для вяжущего вещества, поскольку для него были использованы компоненты с высокой степенью дисперсности частиц и получаемых новообразований.

Определенный объем, иногда значительный, в микроструктуре занимают замкнутые и сообщающиеся поры или те и другие вместе. Эти поры могут иметь различное происхождение, что зависит от вида цементирующего вещества. По своему размеру они бывают мелкими. Но они могут быть и крупными. Крупные поры образуются в различных количествах в зависимости от того, непроизвольно или преднамеренно они возникли в вяжущем веществе. При непроизвольном вовлечении воздуха в период изготовления смеси их количество обычно невелико, составляя 2... 5%. Если возникают они под влиянием специально вводимых воздухововлекающих тли порообразующих добавок, то в поризованном вяжущем веществе может сосредоточиваться до 50% и более по объему сферичесих (ячейковых) пор, чаще всего замкнутых.

В микроструктурах могут встречаться кроме пор другие виды неплотностей, играющие важную роль в придании определенного качества вяжущему веществу в ИСК. Их относят обычно к дефектам микроструктуры, которые отрицательно влияют на качество материала. 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 в кристаллической решетке 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 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 сцепления контактируемых веществ и пр., хотя различие в качестве приповерхностного слоя и остального объема вяжущего 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 внутреннее строение 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 с конгломератным типом структуры (ИСК) 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 межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе вяжущего вещества в конгломератах. 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 значительной усредненной толщины, то макроструктуру принято именовать порфировой.

Структурные характеристики получаемого материала, например толщины пленок среды, содержание пор и их размер и др., 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.

Существенным является разделение структур на оптимальные и неоптимальные.

Оптимальной называют структуру, если частицы в ней распределены равномерно по объему (фазы, компоненты, поры и др.); отсутствуют или содержится мало дефектов структуры как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды; имеется непрерывная прослойка вяжущего вещества в виде пространственной сетки, или матрицы при минимальном отношении с/ф, именуемым условно фазовым. В тех случаях когда в материале нет вяжущей прослойки, то условием оптимальности структуры служит наибольшая поверхность контактирования и взаимосвязи частиц твердой фазы. Весьма желательным, хотя и не строго обязательным, является признак оптимальности по наибольшей, плотности упаковки твердых частиц как в микроструктуре, так и в макроструктуре. Последнее условие предопределяет, как правило, наибольшую экономичность материала оптимальной структуры. Не всегда изделие обладает одинаковой оптимальной структурой материала во всех частях, например поверхностный слой может отличаться от внутренней части по своей структуре (и по качеству).

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.

Ценным достоинством оптимальных структур является подобие их между собой, что доказывается теоремой в теории ИСК. Это, в частности, означает, что закономерность, вскрытая в отношении одного материала, может быть распространена на другие, если их структуры — оптимальные.

Оптимальная структура может сформироваться и тогда, когда в ИСК отсутствует вяжущая часть в виде матричного или каркасного структурного элемента, а имеется поверхность (или несколько поверхностей) раздела контактируемых фаз, объединяемых между собой химическими связями, чаще всего ковалентными. При такого рода структурах стремятся обеспечить максимальную поверхность контакта фаз или ее уменьшение, если химические связи не обеспечивают эффективного упрочнения контакта, например, при молекулярных (ван-дер-ваальсовых) связях.

Имеется общий метод проектирования оптимальных составов и структур ИСК, применимый для различных безобжиговых и обжиговых материалов. Для некоторых материалов имеются также специфические методы подбора состава. Разными методами стремятся к получению из данных компонентов оптимальной структуры материала, удовлетворяющего заданным показателям качества (свойств).

При одинаковой технологии изготовления смеси и изделия, других одинаковых условиях можно получить неограниченное количество неоптимальных структур, гораздо меньше — оптимальных одну-две рациональные структуры. К последним относят оптимальные структуры, при которых конгломерат в полной мере соответствует заданным показателям качества в реальных условиях производства. Важно остановиться на составе, при котором структура оказывается не только оптимальной, но и рациональной.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: