Склад і будова матеріалів, Будівельні матеріали

12.10.2015

Склад і будова матеріалів

Хімічний склад.

У залежності від хімічного складу прийнято виділяти органічні і неорганічні речовини.

Органічні речовини являють собою з’єднання вуглецю з іншими елементами (переважно воднем, киснем і азотом). Можна вважати, що всі органічні речовини ведуть свій початок від продуктів фотосинтезу рослин (глюкози, крохмалю і т — Д-)> тобто всі органічні речовини являють собою не окислені як мінеральні (кам’яні) речовини, а відновлені речовини, які акумулювали енергію сонця і віддають її при окисленні (горінні, гнитті).

Серед будівельних матеріалів з органічних речовин найчастіше застосовується деревина і бітум. У XX ст. з’явилися і швидко завоювали міцні позиції полімерні матеріали, синтезовані з продуктів переробки нафти, вугілля і т. п. З погляду будівельника органічні речовини мають серйозні недоліки.

При нагріванні або під дією ультрафіолетових променів вони здатні окислюватися киснем повітря, а при температурах вище 200…300 °С більшість органічних сполук горить (горіння — це процес окислення, але протікає дуже швидко і супроводжується концентрованим виділенням теплоти, що провокує продовження горіння).

Органічні речовини (за винятком більшості синтетичних полімерів) можуть служити живильним середовищем для живих організмів. При розвитку на органічних матеріалах грибів, мікроорганізмів відбувається гниття — ферментативне окислення цих матеріалів.

Принципово сутність процесу горіння і гниття одна і та ж — це окислення, але протікає з різною швидкістю і при різних температурах.

З сказаного можна укласти, що довговічність органічних матеріалів невелика. Однак багато позитивні властивості органічних матеріалів (невисока щільність, відносно висока міцність, легкість обробки і ін) віддавна привертали і привертають до цих пір до них увагу будівельників.

Неорганічні (мінеральні) речовини, що застосовуються в будівництві (кераміка, природний камінь і ін), являють собою з’єднання вже окислених хімічних елементів — в основному оксидів кремнію і алюмінію з оксидами металів. Наприклад, пісок — оксид кремнію Si02; глина — водний алюмосилікат — А1203 * nSi02 * wH20; скло — речовина, що складається з оксиду кремнію, оксиду натрію, оксиду кальцію та деяких інших оксидів. Будучи вже в окисленому стані, вони не здатні окислюватися, тобто гнити і горіти. В цьому відношенні вони стійкіші (довговічніше) органічних речовин. Однак їх переробка у вироби, як правило, більш трудомістка і енергоємна, ніж переробка органічних матеріалів.

Кристалічні та аморфні тіла. Всі речовини складаються з найдрібніших частинок — атомів і молекул. Залежно від ступеня упорядкованості розташування атомів (або молекул) твердих речовин розрізняють кристалічні та аморфні (стеклообразные) тіла.

Кристалічними називають тіла, в яких атоми (або молекули) розташовані в правильному геометричному порядку, причому цей загальний порядок дотримується як для атомів, розташованих в безпосередній близькості один від одного (ближній порядок), так і на значній відстані (дальній порядок).

Аморфними називають тіла, в яких тільки найближчі один до одного атоми знаходяться в більш чи менш впорядкованому розташуванні; дальній порядок відсутній.

Процес кристалізації можна представити наступним чином. При переході речовини з рідкого стану в твердий (наприклад, при застиганні розплаву металу) або при випадання твердої речовини в осад з насиченого розчину (наприклад, при твердінні гіпсу) атоми і молекули речовини прагнуть зайняти таке положення відносно один одного, щоб сили їх взаємодії виявилися максимально врівноважені. Тому їх положення відносно один одного виявляється цілком певним, фіксованим.

Такий геометрично правильний і повторюваний у просторі порядок розташування атомів (молекул) називають кристалічною решіткою (рис. 2.1).

Процес кристалізації вимагає певного часу. У деяких випадках (наприклад, при швидкому охолодженні розплавленого кварцу) затвердіння відбувається без кристалізації із збереженням хаотичного розташування атомів і деякого запасу внутрішньої енергії. Так утворюється аморфна речовина — в нашому випадку кварцове скло.

Склад і будова матеріалів, Будівельні матеріали

Рис. 2.1. Схема кристалічної решітки:

Відмінність в будові кристалічних і аморфних речовин визначає і відмінність в їх властивостях. Так, аморфні речовини, володіючи нерозтраченої внутрішньою енергією кристалізації, хімічно більш активні, ніж кристалічні такого ж складу. Наприклад, розплав доменного шлаку, використовуваний для отримання шлакових цементів, охолоджують за спеціальним прискореного режиму для отримання гранульованого шлаку склоподібного будови, що володіє підвищеною хімічною активністю. Аморфне будову мають також гірські породи, що застосовуються в якості активних мінеральних добавок до цементів (туфи, пемзи, діатоміти, трепели).

Інша істотна відмінність між аморфними і кристалічними речовинами полягає в тому, що кристалічні речовини при нагріванні до певної температури (температури плавлення) плавляться, а аморфні розм’якшуються і поступово переходять у рідкий стан (для них не існує поняття температура плавлення).

Міцність аморфних речовин, як правило, нижче міцності кристалічних, тому для отримання матеріалів підвищеної міцності спеціально проводять кристалізацію стекол, наприклад, при отриманні ситалів і шлакоситаллов — нових стеклокристал-металевих матеріалів.

Різні властивості спостерігаються у кристалічних матеріалів одного і того ж складу, якщо вони кристалізуються у різних кристалічних формах. Це явище називають поліморфізмом. Наприклад, існують дві кристалічні форми вуглецю: алмаз і графіт. Різка відмінність в їх властивостях пов’язано з різною будовою кристалів: атоми алмаза мають плотнейшую тетраэдрическую ґрати (рис. 2.1, а), а атоми графіту розташовані як би шарами, причому відстань між шарами більше, ніж між сусідніми атомами в шарах (рис. 2.1, б). Така будова графіту надає їй м’якість і здатність розшаровуватися на тоненькі пластинки.

Зміною властивостей матеріалу шляхом зміни його кристалічної структури користуються при термічній обробці металів (гарт, відпустку тощо).

Мікро — і макроструктура матеріалів. Під структурою матеріалу передбачають взаємне розташування, форму і розмір частинок матеріалу, наявність пор, їх розмір і характер. Структура матеріалу не в меншій мірі, ніж склад, впливає на його властивості.

Розрізняють мікроструктуру — будова матеріалу, видиме тільки під мікроскопом, і макроструктуру — будова, видиме неозброєним оком або при невеликому збільшенні.

Пори — один з найважливіших елементів структури більшості будівельних матеріалів — являють собою повітряні осередки в матеріалі розміром від часток мікрона до сантиметра. Кількість, розмір і характер пір (замкнуті або сполучені) багато в чому визначають властивості матеріалу. Наприклад, пористе скло (піноскло) на відміну від звичайного непрозоре, легке (плаває у воді) і може распиливаться звичайною пилкою.

Великі пори розміром більше 5 мм і порожнини між частинками зернистих матеріалів (піску, гравію і ін) називають пустотами.

Форма і розмір частинок твердої речовини, з якого складається матеріал, також впливають на властивості матеріалу. Так, з крихкого скла можна отримати найтонші гнучкі волокна, з яких виготовляють скляну тканину.

В залежності від форми і розміру частинок і їх будови розрізняють: зернисті, волокнисті і шаруваті матеріали.

За ступенем зв’язності частинок матеріали можуть бути рихлі, що складаються з окремих зерен або волокон (пісок, гравій, мінеральна вата, розпушений азбест), і злитого будови, прикладом яких може служити бетон, кераміка, азбестоцемент. Серед матеріалів злитого будови виділяють конгломерати та композити.

Конгломерати — матеріали, що представляють собою щільно з’єднані (зазвичай за допомогою якого-небудь цементуючого речовини) окремі зерна. Типовим є конгломератом бетон та будівельний розчин. У цих матеріалах зерна піску і крупного заповнювача (щебеню або гравію) міцно з’єднані в єдине ціле за допомогою в’яжучого, наприклад цементу. Конгломератом можна вважати і кераміку.

Композити — матеріали з організованою структурою. У композитах розрізняють компонент, який утворює безперервну фазу, звану матрицею і грає роль зв’язуючого, і другий компонент, дискретно розподілений в матриці,— зміцнюючої компонент. В ролі матриці в будівельних композитах використовують полімерні і мінеральні в’яжучі; в ролі зміцнювального компонента — волокнисті (скловолокно, відрізки металевого дроту, азбестове волокно тощо) або листові (папір, деревний шпон, тканини) матеріали.

Матриця, з одного боку, є формотворною частиною композиційного матеріалу, а з іншого боку, матриця — сполучна, що «змушує» дискретний компонент працювати як єдине ціле, забезпечуючи високу міцність матеріалу. У композиційних матеріалах досягається сукупність властивостей, що не є простою сумою властивостей вихідних складових. Прикладом штучних композитів може служити склопластик, залізобетон, азбестоцемент. Природним композиційним матеріалом можна вважати, наприклад, деревину і кісткову тканину тварин.

Волокнисті і шаруваті матеріали, у яких волокна (шари) розташовані паралельно одне одному, мають різні властивості в різних напрямках. Це явище називається анізотропією, а матеріали, що володіють такими властивостями,— анізотропними. Приклад анізотропного матеріалу волокнистої будови — деревина. Вона набухає і дає усадку впоперек волокон в 10…15 разів більше, ніж уздовж; міцність і теплопровідність деревини в різних напрямках розрізняється більш ніж в 2 рази.

Короткий опис статті: будова

Джерело: Склад і будова матеріалів — Будівельні матеріали

Також ви можете прочитати