2. Структура строительных материалов и изделий
Под структурой, или внутренним строением строительных материалов, как и других физических тел, понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности, находящихся в устойчивых взаимных связях с определенным порядком сцепления их между собой. В понятие структуры входят, кроме того, размер и расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других элементов. В структуре ИСК имеются микродисперсная и макродисперсная части.
Под микроструктурой подразумевается расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных или одинаковых по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются вещества в определенных агрегатных состояниях. Сформировавшееся атомно-молекулярное строение, находящееся в относительно устойчивом равновесии, предопределяет макроскопические особенности материала. На макроскопическом уровне также устанавливается в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, их скоплений, кристаллов, кристаллических обломков и сростков, аморфных и других сравнительно крупных частиц и элементов, составляющих материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхностей раздела более сложной материальной системы – конгломерата.
Основной формой расположения микрочастиц в пространстве является кристаллическая решетка. Каждому типу связи соответствует свой характерный тип кристаллической решетки, а именно: ионная решетка; молекулярная, или поляризационная решетка, формирующаяся с помощью ван-дер-ваальсовых сил; атомная с резко выраженной ковалентной связью; металлическая; решетка с водородными связями. Особенностью твердых тел является взаимозависимость, или корреляция, положений соседних атомов с ближним и дальним порядками. В кристаллических решетках дальний порядок распространяется на большие области, а ближний – на окружение данного атома. В реальных условиях у кристаллов обычно имеются отклонения от идеальной геометрической формы вследствие ряда побочных явлений в процессах отвердевания.
Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой, относятся к аморфным. Самый распространенный представитель аморфных тел – стекло. Беспорядочное расположение атомов и молекул в аморфных телах усложняет их структуру. О ней нередко судят по некоторым косвенным показателям. Так, например, аморфные вещества при нагревании в отличие от кристаллических способны плавиться постепенно, не имея определенной температуры плавления; они обладают изотропностью, т.е. одинаковыми свойствами во всех направлениях. Упорядоченность расположения частиц наблюдается только в небольших элементах объема. В этих зонах структура именуется как кристаллитная: между кристаллами, занимающими микрообъемы, находятся прослойки полностью аморфного вещества.
У кристаллических твердых тел имеются весьма значимые их признаки: фиксированная температура плавления – полного перехода в жидкое состояние; определенная геометрическая форма кристаллов, которая остается характерной для данного вещества; анизотропия, выраженная в неодинаковых свойствах по различным направлениям. Тепловой эффект кристаллизации – основной критерий этого фазового превращения.
Кристаллическое и аморфное строения могут быть присущи одному и тому же веществу, например, кристаллический кварц и кварцевое стекло имеют общий химический состав 8Ю2. Одно и то же кристаллическое вещество может находиться в различных формах существования кристаллов, что известно под названием полиморфизма. Полиморфизм вызывает изменение свойств при сохранении постоянным состава вещества, что лишний раз указывает на важнейшую роль структур в становлении качества материала. Так, например, алмаз и графит, являясь кристаллическими модификациями углерода, обладают различной твердостью: алмаз применяют при бурении прочных горных пород; графит – мягок, он используется как смазка или стержень карандаша
Структура не остается неизменной, застывшей. Она непрерывно претерпевает изменения в пространстве и во времени. Этому способствует, в частности, постоянное движение элементарных частиц, взаимодействие материала с окружающей средой, переход вещества из одного состояния в другое под влиянием перераспределения связей между атомами в молекулах, изменения в структуре молекул и других химических форм движения элементарных частиц. Относительная стабильность структуры и внешней формы макроскопических тел обусловлена определенными связями и отношениями структурных элементов, а формы изменений и переходов их состояний проявляются в неизбежных тепловых, тепломассообменных явлениях, процессах кристаллизации и т.п.
Микроструктура и ее изменение изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. На основании сравнительно простого измерения, произведенного на плоскости наблюдения, расчетным путем устанавливается содержание основного ключевого элемента структуры в объеме материала.
В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры подразделяются на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.
Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами – вандерваальсовы силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.
Конденсационными называют структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей.
Кристаллизационными называют структуры, образовавшиеся путем выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей.
Академик П.А. Ребиндер, разделивший микроструктуры на эти три разновидности, отмечал возможным, и даже более типичным, образование смешанных структур как совокупности двух или трех однородных, например кристаллизационно-коагуляционной структуры и т.п. При определенных условиях возможен самопроизвольный переход с различной скоростью коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную и т.п. С реальным характером микроструктур связаны в известной мере представления об их качественных характеристиках. Так, например, при коагуляционных структурах почти всегда наблюдается пониженная прочность вещества, способность к самостоятельному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные и особенно кристаллизационные структуры придают веществу повышенную прочность, но вместе с тем усиливают его хрупкость, снижают тиксотропность. Некоторые модификации кристаллов одного вещества могут иметь низкую и очень высокую твердость и прочность.
Микроструктура в ИСК распространяется на вяжущую часть. Для придания вяжущему веществу необходимого качества вводят дополнительные активные компоненты – добавки. Размеры их частиц соизмеримы с размерами частиц исходных вяжущих веществ и возникающих новообразований, поэтому они являются элементом микроструктуры ИСК.
Иногда весьма значительный объем в микроструктуре занимают поры – замкнутые и сообщающиеся, или те и другие одновременно. Поры могут быть различного происхождения, что зависит от разновидности цементирующего вещества. Поры бывают мелкими, например до 2 – 10-9 м, как правило, замкнутыми, возникшими в результате усадочных явлений; более крупными после, например, испарения капиллярной влаги с размером в поперечнике до 5–10-5 м, открытыми или сообщающимися между собой; еще более крупными, условно принимаемыми сферической формы, размером 5–10-6-5–10-3 м.
Число крупных пор зависит от того, как они возникли в вяжущем веществе: непроизвольно или преднамеренно. При непроизвольном вовлечении воздуха в период приготовления смесит их число обычно невелико от объема. Если они возникают под влиянием специально вводимых воздухововлекающих или порообразующих добавок, то в поризованном вяжущем веществе может сосредоточиваться до 50% и более по объему сферических пор, чаще всего замкнутых.
В микроструктурах могут встречаться другие виды неплотностей. Их относят обычно к дефектам микроструктуры, которые отрицательно влияют на качество материала. Среди них: дефекты кристаллической решетки в виде так называемых вакансий, вызванных «испарением» атома из узла решетки, или в виде дислоцированных атомов, т.е. перемещенных в междоузлии кристаллической решетки, или в виде примесей в кристаллической решетке со значительным искажением качества вещества по сравнению с чистыми и сверхчистыми веществами. Особо опасными являются дефекты в виде микротрещин, способных под нагрузками расти и переходить в макротрещину или магистральную трещину, схватывающую макрообъемы кристаллических агрегатом
«Укладка» микрочастиц происходит компактно по известному физико-химическому принципу наиболее плотной упаковки. Этот принцип характеризуется тем, что при укладке атомов, ионов или молекул в кристалле возникает наименьшее остаточное, свободное пространство. Однако такой принцип применим не ко всем видам кристаллов, так как при плотной упаковке может возникнуть меньшая устойчивость равновесия, которая зависит от направления валентностей контактируемых частиц.