СОСТАВ И СТРУКТУРА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
КАК ВЫБРАТЬ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Изучение любого строительного материала требует определенного методического подхода. Для природных материалов (древесина, природный камень и др.) оценка включает последовательность: СОСТАВ – СТРОЕНИЕ – СВОЙСТВА – ПРИМЕНЕНИЕ, для искуственныхматериалов: ТЕХНОЛОГИЯ – СОСТАВ – СТРОЕНИЕ – СВОЙСТВА – ПРИМЕНЕНИЕ.
ЗАДАЧА ТЕХНОЛОГИИ – получение продукции належащего качества. Качество это совокупность свойств, определяющих область применения материала.
СВОЙСТВО – это способность материала определенным образом реагировать на внешние и внутренние воздействия. Свойства оцениваются числовыми показателями, которые определяют опытным путем. Для получения сопоставимых данных опыты проводятся единообразно, по установленным методикам, которые утверждены государственным стандартом.
Госстандарт (росстандарт) – это обязательный документ для всех предприятий любой формы собственности. В области строительных материалов наиболее распространены стандарты: Технические условия, технические требования, стандарты типов изделий и их основных параметров, методов испытаний, правил приемки, маркировки, упаковки, транспортировки, хранения и др.
Таким образом, выбор материала определяется исходя из его свойств в соответствие с условиями работы материала в сооружении, а также экономическими и экологическими факторами.
Строительные материалы характеризуются химическим, минеральным и фазовым составом.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ – позволяет судить о некоторых свойствах строительных материалов : огнестойкости, биостойкости, механических и других характеристиках строительных материалов. Химический состав неорганических вяжущих веществ (цемент, гипс, известь и др.) и каменных материалов удобно выражать количеством содержащихся в них оксидов. Основные и кислотные окиды химически связаны между собой и обрауют минералы, которые определяют многие свойства материалов.
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ – показывает какие минералы и, в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или материале.
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ – характеризуется наличием и соотношением в материале твердого вещества, воздушных пор и воды в порах. Наличие этих фаз и фазовые переходы воды – оказывают влияние на все основные свойства материалов. Твердое вещество в материале создает жесткий каркас материала с распределенной системой пор – частично или полностью заполненных водой. В зависимости от температуры вода в порах может находиться в жидком, газообразном и твердом состоянии в виде льда. Соответственно и свойства материала в этих случаях будут существенно меняться.
СТРУКТУРА материала – взаимное расположение, форма, размеры частиц материала, наличие пор, их размер и характер.
СТРУКТУРА материалов изучается на 3-х уровнях:
МАКРОСТРУКТУРА – строение видимое невооруженным глазом. Макроструктура твердых строительных материалов может быть :
— Волокнистая – древесина, асбест
— Слоистая – фанера, бумапласт,
— Рыхлозернистая – песок, щебень, цемент
Аморфные вещества – химически более активны, характеризуются изотропностью – равномерностью свойств во всех направлениях. При нагревании размягчаются, переходя в жидкое состояние. Не имеют четко выраженной температуры плавления.
Кристаллические вещества – анизотропны – в разных направлениях имеют разные свойства, имеют определенную геометрическую форму – куб,тетраэдр, и т.д., определенную температуру плавления, более прочны.
ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА – изучается на малекулярно-ионном уровне, узучаемом методами: РСА (рентгено-структурного анализа), электронной микроскопии, ДТА (дифференциально – термического анализа) и др.
Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях
Свойства, строение и состав строительных материалов
Свойства строительного материала определяются его структурой. Для получения материала заданных свойств следует создать его внутреннюю структуру, обеспечивающую необходимые технические характеристики. В конечном итоге знание свойств материалов необходимо для наиболее эффективного его использования в конкретных условиях эксплуатации.
Структуру строительного материала изучают на трех уровнях: макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом; микроструктура — строение, видимое через микроскоп; внутреннее строение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).
Макроструктуру твердых строительных материалов (исключая горные породы, имеющие свою геологическую классификацию) делят на следующие группы: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая и рыхлозернистая (порошкообразная). Искусственные конгломераты представляют собой большую группу; это различного вида бетоны, керамические и другие материалы. Ячеистая структура материала отличается наличием макропор; она свойственна газо- и пенобетонам, газосиликатам и др. Мелкопористая структура характерна, например, для керамических материалов, получаемых в результате выгорания введенных органических веществ. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и др. Слоистая структура характерна для листовых, плитных и рулонных материалов. Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетонов, растворов, различного вида засыпка для тепло-звукоизоляции и др.
Микроструктура строительных материалов может быть кристаллическая и аморфная. Эти формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества, например кварц и различные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью в производстве силикатного кирпича, применяют автоклавную обработку сырца насыщенным водяным паром с температурой 175°С и давлением 0,8 МПа, в то же время трепел (амфорная форма диоксида кремнезема) с известью при затворении водой образует гидросиликат кальция при нормальной температуре 15. 25°С. Амфорная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую.
Для каменных материалов практическое значение имеет явление полиморфизма, когда одно и то же вещество способно существовать в различных кристаллических формах, называемых модификациями. Полиморфные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Для кристаллического вещества характерны определенная температура плавления и геометрическая форма кристаллов каждой модификации. Свойства монокристаллов в разных направлениях неодинаковы. Теплопроводность, прочность, электропроводность, скорость растворения и явления анизотропии являются следствием особенностей внутреннего строения кристаллов. В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы хаотично. Эти материалы по своим свойствам относятся к изотропным, исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).
Внутренняя структура материала определяет его механическую прочность, твердость, теплопроводность и другие важные свойства.
Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или разных элементов, как в SiCl2); ионами (разноименно заряженными, как в кальците СаСO3, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда). Ковалентная связь, обычно осуществляемая электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмазе, графите) или в кристаллах, состоящих из двух элементов (кварце, карборунде). Такие материалы отличаются высокой прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.
Ионные связи образуются в кристаллах материалов, где связь имеет в основном ионный характер, например гипс, ангидрид. Они имеют невысокую прочность, не водостойки.
В относительно сложных кристаллах (кальците, полевых шпатах) имеют место и ковалентная и ионная связи. Например, в кальците внутри сложного иона связь ковалентная, но с ионами — ионная. Кальцит СаСO3 обладает высокой прочностью, но малой твердостью, полевые шпаты имеют высокие прочность и твердость.
Молекулярные связи образуются в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга относительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (кристаллы льда), имеющими низкую температуру плавления.
Силикаты имеют сложную структуру. Волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические силы, недостаточные для разрыва цепей, расчленяют такой материал на волокна.
Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки. Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров, связанных между собой общими вершинами (атомами кислорода) и образующих объемную решетку, поэтому их рассматривают как неорганические полимеры.
Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом. Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала — механических, огнестойкости, биостойкости, а также других технических характеристиках. Химический состав неорганических вяжущих материалов (извести, цемента и др.) и естественных каменных материалов удобно выражать содержанием в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны и образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, каких минералов и в каком количестве содержится в данном материале, например в портландцементе содержание трехкальциевого силиката составляет 45. 60 %, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность. Фазовый состав и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывают большое влияние на свойства материала. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т. е. каркас и поры, наполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояния меняет свойства материала.
Строительные материалы. Строение и свойства.
Знание строения строительного материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для решения практического вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.
Строение материала изучают на трех уровнях: 1) макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом; 2) микроструктура материала – строение видимое в оптический микроскоп; 3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгено-структурного анализа, электронной микроскопии и т.п.
Макроструктура твердотелых строительных материалов делится на следующие типы: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).
Искусственные конгломераты – это обширная группа, объединяющая бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.
Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных газо– и пенобетонам, ячеистым пластмассам.
Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим материалам, поризованным способами высокого водозатворения и введением выгорающих добавок.
Волокнистая структура присуща древесине, стеклопластикам, изделиям из минеральной ваты и др. Ее особенностью является резкое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон.
Слоистая структура отчетливо выражена у рулонных, чистовых, плитных материалов, в частности у пластмасс со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.).
Рыхлозернистые материалы – это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для матичной теплоизоляции, засыпок и др.
Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные аморфные формы кремнезёма. Кристаллическая форма всегда более устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью, в технологии силикатного кирпича используют автоклавную обработку отформованного сырцового материала насыщенным водяным паром с температурой не менее 175 °C и давления 0,8 Мпа. Между тем трепел (аморфная форма диоксида кремния) вместе с известью после затворения водой образует гидросиликат кальция при нормальной температуре 15-25 °C. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.
Практическое значение для природных и искусственных материалов имеет явление полиморфизма – когда одно и то же вещество способно существовать в разнообразных кристаллических формах, называемых модификациями. Наблюдаются, например, полиморфные превращения кварца, сопровождающегося изменением объема.
Особенностью кристаллического вещества является определенная температура плавления (при постоянном давлении) и определенная геометрическая форма кристаллов каждой его модификации.
Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворения, электропроводность и др. Явление анизотропии является следствием особенностей внутреннего строения кристаллов.
В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы беспорядочно. Подобные материалы рассматриваются как изотропные по своим строительно-техническим свойствам. Исключение составляют слоистые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).
Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет механическую прочность, твердость тугоплавкость и другие важные свойства материала.
Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими пространственную кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами; ионами; целыми молекулами.
Ковалентная связь, образуется обычно электронной парой в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.
Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в которых связь имеет преобладающе ионных характер. Распространенные строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысокую прочность и твердость, не водостойки.
В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и ковалентная и ионная связи. У полевых шпатов сочетаются относительно высокие показатели прочности и твердости, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью.
Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен их целых молекул, которые удерживаются друг около друга сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда). При нагревании связи между молекулами легко разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками обладают низкими температурами плавления.
Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенности. Так, волокнистые материалы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки.
Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы