СОСТАВ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Химический состав. Взависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами (преимущественно водородом, кислородом и азотом). Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т. п. С точки зрения строителя органические вещества имеют серьезные недостатки, ю

При нагреве или под действием ультрафиолетовых лучей они способны окисляться кислородом воздуха, а при температурах выше 200...300° С большинство органических соединений горит (горение — это тот же процесс окисления, но протекающий очень быстро и сопровождающийся концентрированным выделением теплоты, прово­цирующим продолжение горения).

Большинство органических веществ (за исключением некоторых синтетических полимеров) могут служить питательной средой для живых организмов. При развитии на органических материалах грибов или микроорганизмов происходит гниение этих материалов.

Таким образом, можно заключить, что стойкость и долговечность органических материалов невелика. Однако многие положительные свойства органических материалов (невысокая плотность, относитель­но высокая прочность, легкость обработки и др.) привлекали и при­влекают до сих пор к ним внимание строителей.

Неорганические вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окис­ленных химических элементов — в основном оксидов кремния и алю­миния с оксидами металлов. Например, песок — оксид кремния SiO₂; глина — водный алюмосиликат — А1₂О₃ ■ nSiO₂ • mH₂0; стекло — ве­щество, состоящее из оксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и некоторых других оксидов. Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться и тем более гореть. Такие материалы практи­чески не разрушаются живыми организмами (не гниют). Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.

Кристаллические иаморфные тела. lice вещества состоят из мель­чайших частиц — атомов и молекул. В зависимости от степени упоря­доченности расположения атомов (или молекул) различают кристал­лические и аморфные (стеклообразные) твердые тела.

Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непос­редственной близости друг от друга, так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

Процесс кристаллизации можно представить следующим образом. При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадании твердого веще­ства в осадок из насыщенного раствора (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались

максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным.

Такой геометрически правильный и повторяющийся в простран­стве порядок расположения атомов (молекул) называют кристалличе­ской решеткой (рис. 2.1).

Процесс кристаллизации требует определенного времени. В неко­торых случаях (например, при быстром охлаждении расплавленного кварца) затвердевание происходит без кристаллизации с сохранением хаотического расположения атомов. Так образуется аморфное вещест­во—в нашем случае кварцевое стекло.

_v Различие в строении кристаллических и аморфных веществ опре-

деляет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически бо­лее активны, чем кристаллические такого же состава. Например, расплав доменного шлака, используемый для получения шлаковых цементов, охлаждают по специальному ускоренному режиму для по­лучения гранулированного шлака стеклообразного строения, облада­ющего повышенной химической активностью. Аморфное строение имеют также горные породы, применяемые в качестве активных ми­неральных добавок к цементам (туфы, пемзы, диатомиты, трепелы).

Другое существенное различие между аморфными и кристалличе­скими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании до определенной температуры (температуры плавления) плавятся, а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние (у них отсутствует температура плавления).

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кри­сталлических, поэтому для получения материалов повышенной проч­ности специально проводят кристаллизацию стекол, например, при получении ситаллов и шлакоситаллов — новых стеклокристаллических материалов.

Различные свойства наблюдаются у кристаллических материалов одного и того же состава, если они кристаллизуются в разных кристал­лических формах. Это явление называют полиморфизмом. Например, существуют две кристаллические формы углерода: алмаз и графит. Резкое отличие в их свойствах связано с различным строением кри­сталлов: атомы алмаза имеют гоютнейшую тетраэдрическую решетку (рис. 2.1, а), а атомы графита расположены как бы слоями, причем расстояние между слоями больше, чем между соседними атомами в слоях (рис. 2.1, б). Такое строение графита придает ему мягкость и способность расслаиваться на тончайшие пластинки.

Изменением свойств материала путем изменения его кристалличе­ской структуры пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске).

Микро- и макроструктура материалов.Под структурой материала подразумевают взаимное расположение, форму и размер частиц мате­риала, наличие пор, их размер и харакгер. Структура материала не в меньшей степени, чем состав, влияет на его свойства.

Различают микроструктуру — строение материала, видимое только под микроскопом, и макроструктуру — строение, видимое невоору­женным глазом или при небольшом увеличении.

Поры — один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов — представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностек­ло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое и может распиливаться обычной пилой.

Крупные поры размером более 1 см и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

Форма и размер частиц твердого вещества, из которого состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, если обычное стекло расплавить и из расплава вытянуть тонкие волокна, то получится легкая и мягкая стеклянная вата.

В зависимости от формы и размера частиц и их строения различают зернистые, волокнистые и слоистые материалы.

По степени связности частиц материалы могут быть рыхлые, состо­ящие из отдельных зерен или волокон (песок, гравий, минеральная вата, распушенный асбест), и слитного строения, примером которых

может служить бетон, керамика, асбестоцемент. Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.

Конгломераты— материалы, представляющие собой плотно соеди­ненные (обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества) отдельные зерна. Типичным конгломератом является бетон и строи­тельный раствор. В этих материалах зерна песка и крупного заполни­теля прочно соединены в единое целое при помощи вяжущего, нап­ример, цемента.

Композиты— материалы с организованной структурой. В компо­зитах различают компонент, образующий непрерывную фазу, называ­емую матрицей и играющую роль связующего, и второй компонент, дискретно распределенный в матрице,— упрочняющий компонент. В роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и минеральные вяжущие; в роли упрочняющего компонента — волокни­стые (стекловолокно, отрезки металлической проволоки, асбестовое волокно и т. п.) или листовые (бумага, древесный шпон, ткани) материалы.

Матрица, с одной стороны, является формообразующей частью композиционного материала, а с другой стороны, матрица — связую­щее, которое «заставляет» дискретный компонент работать как единое целое, обеспечивая высокую прочность материала. В композиционных материалах достигается совокупность свойств, не являющаяся простой суммой свойств исходных составляющих. Примером искусственных композитов может служить стеклопластик, железобетон, асбестоце­мент. Природным композиционным материалом можно считать, на- > пример, древесину и костную ткань животных.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) II расположены параллельно одно другому, обладают различными свой­ствами в разных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами,-— анизотропными. При­мер анизотропного материала волокнистого строения — древесина. Древесина набухает и дает усадку поперек волокон в ГО... 15 раз больше, чем вдоль, а прочность и теплопроводность древесины в разных направлениях различна.

2.3. СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА

Основные структурные характеристики материала, во многом оп­ределяющие его технические свойства,— это плотность и пористость. Плотность— физическая величина, определяемая массой вещества (или материала) в единице объема.

В зависимости от того, берется ли в расчет объем только самого • вещества, из которого состоит материал, или весь объем материала с порами и пустотами, различают истинную и среднюю плотность.

Истинная плотность р (кг/м³) — масса единицы объема материала, когда в расчет берется только объем твердого вещества V_a (м³):