Структура материалов

Термин "структура" трактуется очень широко. Структура, по мнению физика, это особенность строения кристаллической решетки тела, химика – результат взаимодействия молекул, атомов и т.п., биолога - особенность строения клетки и т.д. В строительном материаловедении под термином "структура" подразумевают взаиморасположение элементов, составляющих тот или иной материал. Например, по структуре керамические изделия подразделяют на изделия грубой и тонкой керамики, бетоны с плавающей и контактной структурой, крупнозернистые, мелкозернистые и ячеистые и т.д.

Структура (строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность.

Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макро уровне - макроструктура – строение материала видимое невооруженным глазом; микро уровне - микроструктура – строение материала, видимое через микроскоп; внутренняя структура строение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования – электронный микроскоп, термогравиметрия, рентгеноструктурный анализ и т.д).

2.1 Макроструктура –это видимая невооруженным глазом или при небольшом увеличении внутренняя или поверхностная часть материала. Макроструктура в целом характеризуется фазовым составом, т.е. наличием элементов структуры в виде твердого тела, жидкости и газовой среды.

При визуальном осмотре изделия выявляют зоны и участки, различающиеся пористостью, окраской, зерновым составом и другими особенностями, а также различные дефекты структуры в виде трещин, каверн и пр.

Макроструктуру строительных материалов делят на несколько групп: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, и рыхлозернистая (порошкообразная). Конгломератная структура - соединение разнородных веществ, обычно в виде зерен, кусков различных форм и размеров, например, конгломератную структуру имеют тяжелые бетоны. Ячеистая структура свойственна газо-, пенобетонам, пеностеклу, пемзе. Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, у мелкопористых большинство ячеек размером менее 1 мм, например у керамических материалов. Волокнистая структура присуща природным (древесина) или искусственным (минеральная вата) материалам с расположением волокон в одном направлении или хаотично. Показатели свойств таких материалов заметно отличаются при физических воздействиях вдоль или поперек волокон. Слоистая структура предполагает наличие в материале нескольких, в том числе и разнородных слоев, характерна для листовых материалов, плитных, рулонных гидроизоляционных и др. Рыхлозернистую структуру имеют сыпучие порошкообразные материалы, состоящие из большого количества несвязанных зерен или мелких частиц, например щебень (гравий), песок - заполнители для бетонов и растворов, материалы для тепло- звукоизоляционной засыпки.

В процессе структурообразования в определенный промежуток времени, как правило, имеют место только две фазы: жидкая (расплав или раствор) и твердая (кристалл или стекло). При стабилизации структуры возможно наличие третьей (газовой фазы).

2.2 Микроструктура – строение вещества, материала различимое с помощью оптических приборов (под микроскопом). Классически выделяют три типа микроструктур: кристаллическую, аморфную, смешанную.

Кристаллическая структура – упорядоченная, наиболее устойчивая форма агрегатного состояния вещества. Кристаллическая структура формируется из термодинамически неустойчивых диспергированных систем, обладающих огромным запасом свободной энергии. Кристаллизация, как правило, самопроизвольный процесс с выделением тепла (энергии). Образующиеся кристаллы определяют физические, механические, термические, электрические, оптические и другие свойства структуры. Схема изменения состояния тела на рис 1.

Переход кристаллического тела в аморфное состояние связан с сообщением механической, химической или тепловой энергии.

Аморфная структура – промежуточное состояние между двумя периодами существования кристаллической структуры: до полной кристаллизации (левая часть схемы) и в стадии активного распада (правая часть схемы).

Кристаллическое состояние твердого тела (устойчивое)

Кристаллизация Аморфизация

Стеклообразное Жидкость, расплавы,

состояние твердого тела растворы, дисперсии

(малоустойчивое) Стеклообразное (неустойчивое состояние)

Рис.1 Схема изменения состояния (структуры) тела

Смешанная аморфно-кристаллическая структура, точнее стеклокристаллическая – сложная структура. Соотношение между кристаллической и аморфной фазами оказывает огромное влияние на свойства материала. Схема образования аморфно-кристаллической структуры на рис. 2. Вершины треугольника символизируют структуры (состояние вещества или материала): вершина "А" – кристаллическая структура, "В" – аморфная структура, "С" – стеклообразное состояние твердых тел.

Кристаллическая структура (устойчивая)

А

Стеклокристаллическая структура Стеклокристаллическая структура

(ситалловая) образованная из стекла образованная из кристаллов

Аморфно-кристал лическая структура

Конденсация Диспергация

(созидательный процесс) (разрушительный процесс)

С В

Аморфная структура (неустойчивая)

Рис. 2 Схема образования аморфно-кристаллической структуры

Зона, расположенная выше линии, проходящей через точку "А", предполагает наличие в ней элементов ярко выраженной кристаллической или поликристаллической структуры. Ярко выраженную кристаллическую структуру имеют минералы образующие горные породы, такие горные породы, как гранит, диорит и др., клинкерные минералы цемента. Зона ниже линии "СВ" – включает природные и искусственные материалы и соединения, имеющие аморфную структуру: вулканическое стекло, стекло и изделия из него, сажа, аморфный кремнезем. Между двумя горизонтальными линиями расположена зона элементов смешанной аморфно-кристаллической структуры. Большинство строительных материалов имеют именно эту структуру: строительная керамика, бетоны, растворы и др.

Классификация материалов по структуре представлена в табл. 4.

2.3 Внутреннее строениевещества определяет его механическую прочность, твердость, теплопроводность и др. свойства, зависит от его агрегатного состояния и устойчивости и может иметь строго упорядоченное строение (т.е. кристаллическую решетку) или беспорядочное (хаотическое расположение молекул и атомов).

Природа частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и химические связи определяют тип кристаллической решетки: атомный, молекулярный, ионный, металлический.

Вещества с атомными решетками характеризуются высокой твердостью и тугоплавкостью, они практически не растворимы ни в каких растворителях. Таких веществ сравнительно мало, например алмаз, кремний. Молекулярную решетку имеют почти все вещества неметаллы, кроме углерода и кремния, они имеют невысокую твердость, легкоплавкие, летучие. К соединениям с ионной кристаллической решеткой относят большинство солей и некоторые оксиды. По прочности ионные решетки уступают атомным решеткам, но превосходят молекулярные, и имеют высокие температуры плавления. Металлы отличаются от других соединений атомов наличием свободных электронов, отсюда высокие электро- и теплопроводность.

Решетки разных веществ отличаются друг от друга природой образующих их частиц и расположением частиц в пространстве, образуя элементарные ячейки, которые придают веществу только ему свойственные особенности.