Строение материалов. Микроструктура веществ

Вещество – это часть материи, состав которой можно выразить простой химической формулой, и который имеет специфическую для него структуру. Микроструктура веществ, составляющих материал, может быть кристаллическая и аморфная. Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества.

Кристаллические тела – это твердые вещества, в которых ионы и атомы расположены в определенном порядке, в виде «пространственной решетки». В таких веществах физические свойства одинаковы в параллельных направлениях и различны в непараллельных. Они называются «анизотропными», или «неравносвойственными».

Аморфные тела (от греческого бесформенный) получаются при затвердевании расплавленных масс, когда охлаждение расплава происходит очень быстро. Ионы и атомы в них расположены хаотично. Аморфные тела во всех направлениях имеют одинаковые физические свойства. В силу этого они получили название «изотропные», или «равносвойственные».

Макроструктура твердых строительных материалов (ПКМ сюда не относятся, т.к. горные породы имеют собственную геологическую классификацию) может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).

Структура материала – это форма и размер зерен, вид связей между ними и характер заполнения объема материала веществом. По размеру зерен различают структуры: крупнозернистые, мелкозернистые, стекловатые. Размер зерен влияет на свойства материала и на область его применения.

Текстура – сложение материала или способ расположения зерен в пространстве. Текстуры бывают: неоднородная слоистая, однородная, волокнистая, сланцеватая.

Свойства веществ

Растворимость – это способность вещества образовывать в воде или других растворителях молекулярные (или ионные) дисперсии или растворы различной концентрации.

Химическая активность веществ – свойство, которое примыкает к растворимости. Это способность веществ вступать во взаимодействие с окружающей средой или веществами.

Смачиваемость – это способность вещества покрываться пленкой воды или, наоборот, ее отталкивать. Все вещества с ионной связью хорошо смачиваются водой. Это свойство называется гидрофильностью.

Гидрофобность – способность вещества отталкивать воду, не смачиваясь.

Адсорбция – это изменение концентрации на границе раздела двух сред, например, газ – жидкость, твердое тело – жидкость. Каждое из этих состояний есть среда. Явление адсорбции заключается в том, что поверхность одного вещества, которое называется адсорбентом, притягивает к себе поверхность другого вещества. Явление адсорбции – избирательное, т.е. к поверхности адсорбента притягиваются определенные типы молекул.

Механические свойства материалов выражают способность материала сопротивляться напряжениям:

- силовым (от механических нагрузок);

- тепловым;

- усадочным.

Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Главнейшие виды деформаций – растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимыми. На характер и величину деформации влияют: величина механического нагружения, скорость приложения нагрузки, температура материала.

Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале.

Прочность – характеризует способность материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений.

Дополнительными характеристиками механических свойств материалов служат:

твердость - выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел;

истираемость – это способность материала сопротивляться истирающим нагрузкам;

ударная вязкость – характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам.

Физические свойства строительных материалов – это способность реагировать на воздействие физических факторов – гравитационных, тепловых, водной среды, акустических, электрических, излучения (ядерного, рентгеновского и др.).

Истинная плотность ρ (г/см³) – масса единицы объема абсолютно плотного материала:

ρ = m/V.

Средняя плотность – масса единицы объема материала в естественном состоянии.

Насыпная плотность – масса единицы объема рыхло насыпанных зернистых или волокнистых материалов.

Пористость (П) есть степень заполнения объема материала порами:

П = V_п / V.

Гигроскопичностью называют свойство капиллярно-пористого материала поглощать водяной пар из влажного воздуха. Этот физико-химический процесс называется сорбцией и является обратимым. Древесина, теплоизоляционные, стеновые и другие материалы обладают развитой поверхностью пор и поэтому высокой сорбционной способностью. Увлажнение сильно увеличивает теплопроводность теплоизоляции, поэтому стремятся предотвратить увлажнение, покрывая плиты утеплителя гидроизоляционной пленкой.

Капиллярное всасывание воды пористым материалом происходит, когда часть конструкции находится в воде. Так, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять нижнюю часть стены здания. Чтобы не было сырости в помещении, устраивают гидроизоляционный слой, отделяющий фундаментную часть конструкции стены от ее наземной части. Капиллярное всасывание характеризуется высотой поднятия воды в материале, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания.

Водопоглощение пористых материалов – это степень заполнения объема материала водой:

W₀=[(m_в-m_с)/V] 100 (по объему);

W_m=[(m_в-m_с)/m_с] 100 (по массе).

Коэффициент размягчения К_р – отношение прочности материала, насыщенного водой R_в к прочности сухого материала R_с:

К_р= R_в/ R_с .

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины) до 1 (металлы).

Водопроницаемость – это способность материала пропускать воду под давлением. Водопроницаемость нельзя допускать при строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, коллекторов, стен подвалов зданий. Поэтому следует применять достаточно плотные материалы с замкнутыми порами, устраивать гидроизоляционные слои, экраны.

Газо- и паропроницаемость – это способность материала пропускать через свою толщу пар или газ. Стеновой материал должен обладать определенной проницаемостью, тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция.

Влажностные деформации. Пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина) при изменении влажности изменяют свой объем и размеры.

Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при его высыхании. Она вызывается уменьшением толщины слоев воды, окружающих частицы материала, и действием внутренних капиллярных сил, стремящихся сблизить частицы материала.

Набухание происходит при насыщении материала водой. Полярные молекулы воды, проникая в промежутки между частицами или волокнами, слагающими материал, как бы расклинивают их. Чередование высыхания и увлажнения пористого материала, часто встречающееся на практике, сопровождается попеременными деформациями усадки и набухания. Такие многократные циклические воздействия нередко вызывают трещины, ускоряющие разрушение. Испарение воды из крупных пор не ведет к сближению частиц материала и практически не вызывает объемных изменений.

Морозостойкость – свойство насыщенного водой материала выдерживать попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость материала количественно оценивается циклами и соответственно маркой по морозостойкости. За марку материала по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы материала без снижения прочности на сжатие более 15 %; после испытания образцы не должны иметь видимых повреждений – трещин, выкрашивания.

Сопротивление удару – это стойкость материала против ударных нагрузок.

Износоустойчивость – способность материала противостоять совместно ударным и истирающим нагрузкам.

Звукопроницаемость – это способность материала проводить через свою толщу звук, а звукопоглощаемость – поглощать звук.

Теплопроводность – способность проводить через свою толщу тепло. Мерой теплопроводности служит коэффициент λ, который представляет собой количество тепла в килокалориях, которое за 1 час проводит слой материала толщиной в 1 метр при разности температур в 1 ⁰С.

λ = Вт/м∙⁰С (ккал/м·час ⁰С).

Теплоемкость – это способность аккумулировать или поглощать тепло. Мерой теплоемкости служит коэффициент С – это количество тепла, которое необходимо для нагрева 1 грамма материала на 1 градус, измеряется в Дж/к·⁰С.

Эти два свойства (теплопроводность и теплоемкость) определяют теплоустойчивость – способность материала поддерживать постоянный температурный режим. Чем меньше теплопроводность и чем выше теплоемкость, тем материал более теплоустойчив.

Технологические свойства материалов выражают способность материала к восприятию технологических операций, выполняемых с целью изменения его формы, размеров, характера поверхности, плотности и др. Эти свойства определяются числовыми значениями или визуальным осмотром с оценкой способности материала к формованию (жесткие, литые, пластичные смеси), раскалыванию, шлифованию, полированию, дроблению и другим показателям технологических качеств. Для оценки свойств разработаны специальные методы и приборы. Между многочисленными свойствами строительных материалов имеются не только различия, но и тесная связь. Закономерная связь между пределом прочности R и величиной средней плотности (ρ₀) используется для оценки эффективности материала в конструкциях вычислением условного коэффициента конструктивного качества (ККК) по формуле:

ККК= R, кг/м²/ ρ₀, кг/м³.

Он равен:

- сталь 0,5;

- древесина 0,7;

- сталь 1,2;

- пластмасса 0,52,5;

- кирпич керамический 0,050,1;

- ситалл 2,55,0.

Чем выше ККК, тем выше техническая эффективность материала, выше качество его в конструкциях.