2. Связь состава, строения и свойств строительных материалов

Каждый материал, применяемый в строительстве, имеет различные свойства, определяющие область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами. Основные свойства строительных материалов (физические, механические, химические и технологические) определяются их составом и строением.

Состав материала. Строительные материалы характеризуются химическим, мине­ральным и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет су­дить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других технических характеристиках.

В зависимости от химического состава принято выделять органические и неорганические вещества.

Органические вещества представляют собой соединения углерода с другими элементами (преимущественно водородом, кислородом и азотом). Среди строительных материалов из органических веществ чаще всего применяется древесина и битум. В XX в. появились и быстро завоевали прочные позиции полимерные материалы, синтезируемые из продуктов переработки нефти, угля и т. п.

Как правило, стойкость и долговечность органических материалов невелика. Многие из них могут окисляться кислородом воздуха, гореть, гнить и т. д. Однако ряд положительных свойств (невысокая плотность, относитель­но высокая прочность, легкость обработки, декоративность, водонепроницаемость и др.) способствуют широкому использованию органических материалов в строительстве.

Неорганические вещества, применяемые в строительстве (керамика, природный камень и др.), представляют собой соединения уже окис­ленных химических элементов  в основном оксидов кремния и алю­миния с оксидами металлов. Например, песок  оксид кремния (SiO₂), глина  водный алюмосиликат (А1₂О₃nSiO₂mH₂О). Будучи уже в окисленном состоянии, они не способны окисляться и тем более гореть. Такие материалы практи­чески не разрушаются живыми организмами (не гниют). Однако их переработка в изделия, как правило, более трудоемка и энергоемка, чем переработка органических материалов.

Химиче­ский состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов удобно выражать количеством содержа­щихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химиче­ски связаны между собой и образуют минералы, которые и опре­деляют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или в каменном мате­риале. Например, в портландцементе содержание трехкальциевого силиката (3CaOSiO₂) составляет 45-60%, причем с увеличением его количества ускоряется твердение, повышается прочность це­ментного камня.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, нахо­дящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и пове­дение материала при эксплуатации. В материале выделяют твер­дые вещества, образующие стенки пор, т.е. "каркас" материала, и поры, заполненные воздухом и водой. Если вода, являющаяся компонентом этой системы, замерзает, то образовавшийся в по­рах лед изменяет механические и тепломеханические свойства материала. Увеличение же объема замерзающей в порах воды вызывает внутренние напряжения, способные разрушить матери­ал при повторных циклах замораживания и оттаивания.

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 твердых строительных материалов может быть следующих типов: конгломератная (бетоны и др.), ячеистая (газо- и пенобетоны, ячеистые пластмассы и др.), мелкопорис­тая (поризованная керамика и др.), волокнистая (древесина, стеклопластик, минеральная вата и др.), слоистая (текстолит и др.), рыхлозернистая (песок, щебень и др.).

Поры  один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов  представляют собой воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материала. Например, пористое стекло (пеностек­ло) в отличие от обычного непрозрачное, легкое и может распиливаться обычной пилой.

Крупные поры размером более 1 см и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

По степени связности частиц материалы могут быть рыхлые, состо­ящие из отдельных зерен или волокон (песок, гравий, минеральная вата, распушенный асбест), и слитного строения, примером которых может служить бетон, керамика, асбестоцемент. Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.

Конгломераты  материалы, представляющие собой плотно соеди­ненные (обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества) отдельные зерна. Типичным конгломератом является бетон и строи­тельный раствор. В этих материалах зерна песка и крупного заполни­теля прочно соединены в единое целое при помощи вяжущего, нап­ример, цемента.

Композиты  материалы с организованной структурой. В компо­зитах различают компонент, образующий непрерывную фазу, называ­емую матрицей и играющую роль связующего, и второй компонент, дискретно распределенный в матрице, - упрочняющий компонент. В роли матрицы в строительных композитах используют полимерные и минеральные вяжущие; в роли упрочняющего компонента  волокни­стые (стекловолокно, отрезки металлической проволоки, асбестовое волокно и т. п.) или листовые (бумага, древесный шпон, ткани) материалы.

Матрица, с одной стороны, является формообразующей частью композиционного материала, а с другой стороны, матрица  связую­щее, которое «заставляет» дискретный компонент работать как единое целое, обеспечивая высокую прочность материала. В композиционных материалах достигается совокупность свойств, не являющаяся простой суммой свойств исходных составляющих. Примером искусственных композитов может служить стеклопластик, железобетон, асбестоце­мент. Природным композиционным материалом можно считать, на­пример, древесину и костную ткань животных.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно одно другому, обладают различными свой­ствами в разных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами,  анизотропными. При­мер анизотропного материала волокнистого строения  древесина. Древесина набухает и дает усадку поперек волокон в 10...15 раз больше, чем вдоль, а прочность и теплопроводность древесины в разных направлениях различна.

Микроструктура веществ, составляющих материал, в зависимости от степени упоря­доченности расположения атомов (или молекул), может быть кристаллическая и аморфная (стеклообразная).

Кристаллическими называют тела, в которых атомы (или молекулы) расположены в правильном геометрическом порядке, причем этот общий порядок соблюдается как для атомов, расположенных в непос­редственной близости друг от друга, так и на значительном расстоянии (дальний порядок).

Аморфными называют тела, в которых только ближайшие друг к другу атомы находятся в упорядоченном расположении; дальний же порядок отсутствует.

Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества. Примером служит кристаллический кварц и различные аморфные формы кремнезема. Кристаллическая фор­ма всегда более устойчива. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую форму.

Процесс кристаллизации можно представить следующим образом. При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадении твердого веще­ства в осадок из насыщенного раствора (например, при твердении гипса) атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным.

Такой геометрически правильный и повторяющийся в простран­стве порядок расположения атомов (молекул) называют кристалличе­ской решеткой.

Процесс кристаллизации требует определенного времени. В неко­торых случаях (например, при быстром охлаждении расплавленного кварца) затвердевание происходит без кристаллизации с сохранением хаотического расположения атомов. Так образуется аморфное вещест­во, например, кварцевое стекло.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ опре­деляет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая нерастраченной внутренней энергией кристаллизации, химически бо­лее активны, чем кристаллические такого же состава. Например, расплав доменного шлака, используемый для получения шлаковых цементов, охлаждают по специальному ускоренному режиму для по­лучения гранулированного шлака стеклообразного строения, облада­ющего повышенной химической активностью. Аморфное строение имеют также горные породы, применяемые в качестве активных ми­неральных добавок к цементам (туфы, пемзы, диатомиты, трепелы).

Другое существенное различие между аморфными и кристалличе­скими веществами состоит в том, что кристаллические вещества при нагревании до определенной температуры (температуры плавления) плавятся, а аморфные размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние (у них отсутствует температура плавления).

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кри­сталлических, поэтому для получения материалов повышенной проч­ности специально проводят кристаллизацию стекол, например, при получении ситаллов и шлакоситаллов - новых стеклокристаллических материалов.

Различные свойства наблюдаются у кристаллических материалов одного и того же состава, если они кристаллизуются в разных кристал­лических формах. Это явление называют полиморфизмом. Например, существуют две кристаллические формы углерода: алмаз и графит. Резкое отличие в их свойствах связано с различным строением кри­сталлов: атомы алмаза имеют плотную тетраэдрическую решетку, а атомы графита расположены как бы слоями, причем расстояние между слоями больше, чем между соседними атомами в слоях. Такое строение графита придает ему мягкость и способность расслаиваться на тончайшие пластинки.

Изменением свойств материала путем изменения его кристалличе­ской структуры пользуются при термической обработке металлов (закалке или отпуске).

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 и целыми молекулами.

Ковалентная связь осуществляется обычно электронной па­рой, образуется 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 ионный характер и обусловлена электростатическими взаимодействиями между ионами. Такие материалы могут иметь невысокую прочность и твердость, малую водостойкость (например, гипс и ангидрид).

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются и ковалентная и ионная связи. Свойства подобных материалов разнообразны.

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристал­лах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, кото­рые удерживаются друг около друга сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда). Такие материалы имеют малую механическую прочность и твердость, низкую температуру плавления.