1.4. Понятие о композиционных материалах

На современном этапе развития науки о строительных материалах на базе достижений фундаментальных наук и под влиянием технических и социальных факторов сформировалось научное строительное материаловедение (НСМ) как фундаментальная наука прикладного характера. Основополагающими постулатами НСМ явились осознание композиционной природы материалов, восприятие их как строительных композитов.

Композиционные материалы представляют собой гетерофазные системы, получаемые из двух или более компонентов с различными функциями. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей или связующим веществом. Другой компонент – прерывный (дискретный), разделенный в объеме композиции, – является упрочняющим (армирующим) или выполняющим другую функцию (изоляционную, защитную и т.д.). Матричными материалами могут быть неорганические и органические вяжущие, полимеры, керамика, металлы и их сплавы. В качестве упрочняющих компонентов выступают волокнистые материалы различной природы, а также тонкодисперсные порошкообразные частицы или более крупные зерна. На каждом уровне изучения структуры сложного композита можно выделить матричный и дискретный (например, упрочняющий) компоненты.

В композиционных материалах – композитахразнородные компоненты создают синергетический эффект – новое качество материала, отличное от свойств исходных компонентов, т.е. когда «целое больше, чем сумма составных частей». В конструкционных композитах главное – это достижение высокой удельной прочности (коэффициента конструктивного качества), высокой коррозионной стойкости, эксплуатационной надежности и долговечности.

По мере развития строительного материаловедения как фундаментальной науки о строительных материалах проникновение в структуру композиционных материалов становится магистральным направлением развития науки о материалах, причем изучение проблемы формирования прочности материалов как дисперсных структур базируется на стыке таких фундаментальных наук, как физическая и коллоидная химия, механика сплошной среды и структурная теория разрушения. При этом очевидно, что для понимания синтеза прочности и регулирования деформативности структур помимо химических процессов необходимо уделять должное внимание явлениям физического и физико-химического характера, в том числе на стадии приготовления сырьевых смесей.

Известно, что из трех составляющих прочности композитов: прочности заполнителя, матрицы и контактного слоя – особое значение имеет прочность контактного слоя. При этом контактный слой – это не только прочность в обычном понимании, но и проницаемость, морозостойкость и ряд других свойств, связанных с долговечностью и надежностью материала. Состав и структура тонких контактных слоев отличаются от состава и структуры основного цементирующего вещества (а тем более заполнителя), хотя различие в качестве приповерхностного слоя и объема цементирующего вещества является не скачкообразным, а плавным. Согласно структурной теории разрушения состояние материала по мере возрастания нагрузки рассматривается проходящим через три стадии: Iстадия характеризуется тем, что действующая нагрузка меньше критической и возможные микротрещины концентрируются в контактном слое, но в длину не растут;IIстадия – контактные трещины устойчиво растут в длину, что сопровождается значительным ростом ширины их раскрытия;IIIстадия – трещины выходят в матрицу, что завершается образованием магистральной трещины, приводящей к разрушению материала. Таким образом, примат отдается контактной зоне композита, причем наиболее важно знать предысторию его разрушения, которая, в свою очередь, во многом наследуется из начальных этапов структурообразования дисперсных структур. Временные структуры, возникающие на этих этапах, являются диссипативными (по Пригожину), т.е. такими, которые характеризуются рассеянием энергии и ее переходом из одной формы в другую. Очевидно, что к таким структурам в полной мере относятся капиллярные структуры, возникающие в сырьевых смесях строительных материалов (см. п.1.1).