Свойства силикатных материалов с аморфно-кристаллической структурой

Наименование материала	Содержание стеклофазы, %	Плотность, кг/м3	Прочность, МПа	Водопоглощение, %
Фарфор	40-60	2300-2500	680	< 0,5
Плитка керамическая	10-30	2000-2200	20-50	1,5-4,0
Каменное литье	< 5	2600-3000	200-250	0
Ситаллы	5-10	2300-2500	~ 500	0

Как видно из приведенных данных, ситаллы и каменное литье имеют небольшое количество стеклофазы по сравнению с керамической плиткой и, видимо, поэтому имеют более высокую (в 10-20 раз) механическую прочность. Вместе с тем, фарфор содержит стекловидную фазу в большем размере, чем ситаллы и каменное литье, а прочность имеет большую. Несомненно, свойства материалов с аморфно-кристаллической структурой зависят не только от количества этих фаз, но и от их качественного состава и взаимного расположения друг относительно друга.

Макроструктура внутреннего слоя строительного материала достаточно хорошо просматривается на срезе невооруженным глазом или через обычную лупу. В состав структуры входят отдельные твердые тела (зерна) различной крупности, поры и матрица, объединяющая зерна в единый монолит. В качестве матрицы могут быть затвердевший цементный камень, алюмосиликатное или полимерное стекло, затвердевшая глина и пр.

Еще раз подчеркнем, что деление структуры строительных материалов на макро- и микроструктуру является весьма условным. Такое деление имеет чисто методологическое значение; оно позволяет упростить реологические модели деформирования систем, характеризующихся разным размером компонентов, и, следовательно, применить для описания процессов более простые математические модели.

Единая и монолитная структура строительного материала может быть оптимальной и не оптимальной.

Оптимальная структура характеризуется равномерным распределением компонентов системы (заполнители, поры, элементы матрицы и пр.) по строительному материалу; отсутствием или минимальным количеством дефектов; наличием непрерывной пространственной сетки – матрицы; наибольшей плотностью упаковки зерен твердой дискретной составляющей как на микро-, так и на макроуровне.

Не оптимальными являются структуры, в которых не соблюдается хотя бы одно из перечисленных условий.

Текстура материала определяется формой зерен и пор, их размерами, объемом и взаиморасположением.

Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 90-98%. Для сравнения в табл. 3 приведены величины пористости некоторых материалов.

Таблица 3

Сравнительная характеристика пористости некоторых материалов

Наименование материала	Плотность, кг/м3		Пористость, %
	истинная	кажущаяся
Гранит	2700-2800	2600-2700	0,5-1
Тяжелый бетон	2600-2700	2200-2500	8-12
Кирпич	2500-2600	1400-1800	25-45
Керамзит	2400-2600	250-1000	60-90
Пеностекло	2350-2450	100-300	88-95
Древесина	1500-1600	400-800	45-70

Помимо объема пор на свойства материалов большое влияние оказывают геометрическая и структурная характеристики пор. К геометрической характеристике относят размер пор, их общую удельную поверхность и объем пор. К структурной характеристике относят форму пор (ячеистая, замкнутая, волокнистая) и характер пор (открытые, замкнутые, сообщающиеся).

Наиболее общей для различных видов материалов является классификация по размеру пор (по Г.И Горчакову):

• макропоры > 10мкм;

• капиллярные поры > 1мкм;

• контракционные – 1-10^-2мкм;

• поры геля – 10^-2-10^-4мкм.

В стеновых материалах, где основными взаимодействующими фазами являются вода и цементный камень, верхний критический размер пор, впитывающих воду, не превышает 20 мкм, тогда как в огнеупорных материалах, работающих в среде расплавленных шлаков, этот критерий составляет 25 мкм. В последнем случае химическое взаимодействие жидкой и твердой фаз уменьшает потенциал капиллярного подсоса.

В стеновых материалах с учетом изменения фазового состояния воды макропоры являются резервными, а микропоры (<0,05 мкм) – безопасными.

При уменьшении радиуса пор ниже критического значения (< 0,5 мкм) исчезает капиллярный подсос, однако жидкость все же заполняет даже мельчайшие поры за счет конденсации паров на их стенки с последующим переходом пленок в столбик жидкости. Такое свойство заполнения пор жидкостью называют гигроскопичностью структуры.

Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха можно рассчитать количество адсорбированного газа или водяного пара (α):

α = K∙p^l/n, (3)

где p^l/n – давление газа; К – эмпирический коэффициент, постоянный для адсорбента и газа при определенной температуре.

Такие высокопористые материалы, как силикагель, керамзитовый гравий и др., могут быть использованы в качестве регуляторов влажности в замкнутых объемах. Ограждающие конструкции из ячеистого бетона и керамического кирпича, благодаря гигроскопичности структуры и в зависимости от климатических условий, регулируют влажностный режим помещения, т.е. они как бы дышат.

Важными характеристиками, позволяющими достаточно полно описать влияние текстуры на свойства ТНиСМ являются газо-, паро и водопроницаемость.

Газопроницаемость – свойство пористой структуры пропускать газ при перепаде давлений, зависящее от размеров и вида пор, поэтому этот показатель часто используют при оценке равномерности структуры.

Наибольшее значение газопроницаемости соответствует размеру пор порядка 20 – 100 мкм. Однако проницаемость газов через бетоны может происходить и при более низких значениях размера пор (0,1 мкм и ниже), например, в тонких трещинах.

Газопроницаемость весьма чувствительна к изменению структуры изделий. Так, если при некотором изменении структуры открытая пористость изменилась в 2 раза, то газопроницаемость меняется более чем в 100 раз. В табл.4 представлены сравнительные данные по воздухопроницанию некоторых строительных конструкций.

Таблица 4