1. Основные свойства материалов

1.1. Строение вещества

Состояние и свойства однородного вещества при заданных условиях определяются не только соотношением атомов элементов в молекуле, но и длиной молекулы, т.е. молекулярной массой. Пример тому - мономеры и получаемые из них полимеры, молекулы которых состоят из сотен тысяч атомов (макромолекулы).

Твердые вещества бывают кристаллическими, аморфными или аморфно-кристаллическими. Кристаллическое тело может состоять из отдельного кристалла - монокристалла - или большого числа мелких кристаллов (зерен), соединенных между собой - поликристаллическое состояние (металл, керамика, горная порода и т.д.). Монокристаллы обычно анизотропны, их свойства зависят от направления.

В кристалле атомы занимают положения, называемые узлами кристаллической решетки, которая состоит из периодически повторяющейся элементарной ячейки - дальний порядок. Локальные отклонения от регулярного расположения частиц называют дефектами кристаллической решетки. Незанятые узлы решетки (вакансии), смещение атома из узла в междоузлие, внедрение в решетку чужеродного атома или иона называют точечными дефектами.

Существуют и линейные дефекты, возникающие при искажении кристаллической решетки в ряде соседних элементарных ячеек (дислокации и двойники).

У аморфного тела (стекла) определенный порядок расположения атомов соблюдается только в пределах элементарной ячейки - ближний порядок, Аморфное вещество часто называют переохлажденной жидкостью, так как ближний порядок существует и в жидкости. Вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии в зависимости от скорости охлаждения. Например, в кристалле и стеклообразном кварце элементарная ячейка построена в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кремния, а в вершинах - атом кислорода. В аморфном кварце эти ячейки хаотически повернуты, В кристалле же все тетраэдры расположены под одним пространственным углом и сохраняю- плоскостную симметрию, что обуславливает правильное чередование атомов Si и О.

Аморфные вещества не имеют четко выраженной температурь плавления и переходят из твердого состояния в жидкое, постепенно размягчаясь. Некоторые вещества имеют смешанную аморфно- кристаллическую структуру, например, керамические материал (неорганические материалы, полученные объединением неметаллических частиц).

Однородную по химическому составу и физическим свойствам часть объема вещества называют фазой. Причем непрерывная фаза является дисперсионной средой, а распределенная в ней - дисперсной фазой. Строительные материалы, как правило, двух- или многофазные системы. Раздробленность дисперсной фазы характеризуют удельной поверхностью S, т.е. отношением межфазовой поверхности к объему дисперсной фазы; S обратно пропорциональна линейному размеру 6 частиц и имеет размерность L ¹ S=p/5, где р>6 - безразмерный коэффициент, равный 6 для частиц в форме шара с диаметром 5 или в форме куба с ребром 6. При 5=1мкм 5=6-10⁴ см"¹, т.е. поверхность 1 см³ вещества, раздробленного до 6=1 мкм увеличивается с 6см² до 60000см²- в 10000 раз.

По размеру дисперсной фазы вещества разделяют на грубодисперсные (более 0,1мм),тонкодисперсные (10...100мкм). микрогетерогенные (0,1-10мкм), а также ультрамикрогетерогенные. или золи и гели (коллоидные, т.е. клеевидные растворы, например, молекулы полимера с размерами 1+100нм в органической жидкости).

По сравнению с молекулами дисперсионной среды частички дисперсной фазы обычно велики, что позволяет рассматривать их как островки со своим граничным слоем. Когда размеры частиц соизмеримы с толщиной граничного слоя (1-И0 нм) система становится предельно дисперсной. В таких системах резко выражены свойства, определяемые своеобразием поверхностных слоев на границе фаз.

Таблица 1.1

Дальнейшее измельчение дисперсной фазы, если оно возможно в данной среде, приводит к образованию гомогенной однофазной системы, например истинного раствора. В нём (в отличие от коллоидного раствора) уже нет поверхности раздела в виде межфазовых поверхностей (поверхностных слоёв) и нет свойств коллоидных систем.

Гетерогенность - неоднородность; противоположность гомогенности.

Газы в обычных условиях взаимно растворимы и образуют гомогенную, а не коллоидную систему.

Диспер­сионная среда	Дис­персная фаза	Обозна­чение	Название системы
Газ (Г)	Г Ж Т	Г/Г Ж/Г Т/Г	Туман, пар Дым, пыль
Жидкость (Ж)	Г Ж т	Г/Ж Ж/Ж Т/Ж	Пена Эмульсия Суспензия
Твердое тело (Т)	Г Ж Т	Г/Т Ж/Т Т/Т	Композиты Пористое тело Твердая эмульсия Сплав, камень и т.д.

Наличие граничных слоёв служит признаком гетерогенности вещества, а их отсутствие - признаком гомогенности.

Наличие граничных слоёв служит признаком гетерогенности вещества, а их отсутствие - признаком гомогенности. Высоконаполненную тонкодисперсную суспензию на основе воды строители называют тестом (цементное, гипсовое, глинистое тесто), а грубодисперсную суспензию - смесью (цементно-песчанная, бетонная смесь и т.д.). Из систем Т/Т, кроме сплавов, в строительстве широко используют природный камень, затвердевшую цементно- песчанную смесь (строительный раствор) и бетонную смесь (бетон).

Дисперсные системы разделяют также на свободнодисперсные (золи) и связнодисперсные. К свободнодисперсным относят бесструктурные системы, в которых частички дисперсной фазы не связаны в одну сплошную сетку и способны независимо друг от друга перемещаться в дисперсионной среде под влиянием теплового движения или сил тяжести. Такие системы обладают свойствами жидкости.

Связнодисперсные - это системы, в которых частички связаны друг с другом молекулярными силами и образуют в дисперсионной среде пространственные сетки или каркасы (структуры). Частички структур не способны к большим взаимным перемещениям и совершают лишь колебательные движения. К связнодисперсным системам относят концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), порошки, гели. Гели образуются укрупнением частиц под действием молекулярных сил или возникают в результате сцепления частиц золя. В ряде случаев гель под силовым воздействием, например при вибрации, может превращаться в золь, а этот золь - в результате броуновского движения может восстанавливаться в гель. Отмеченное явление называют тиксотропией и широко используют для увеличения подвижности дисперсных систем при их укладке в формы, или опалубки.