Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительное материаловедение

Структура строительных материалов и изделий


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 (первичных или вторичных) 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 макродисперс-ная 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, мицелл, 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 (композиционного материала).

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 сил Ван-дер-Ваальса; 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 (ближний порядок). 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 (кристобалит) и кварцевое стекло имеют общий химический состав Si02. Одно и то же кристаллическое вещество может находиться в различных формах (модификациях) 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 и используется как смазка или стержень карандаша. Другой пример — кристаллические модификации железа, получающиеся при его нагревании и охлаждении: при высокотемпературной форме кристаллов железо способно сравнительно много растворять углерода, тогда как при низкотемпературной — углерод практически не растворим, а при охлаждении железа из растворенного состояния углерод переходит в механическую примесь. При модификации кристаллических тел изменяются и другие свойства.

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 кинетика ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. Сравнительно простым измерением, производимым на плоскости наблюдения, устанавливается расчетным путем содержание некоторого ключевого элемента структуры в объеме материала.

В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры делятся на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами — ван-дер-ваальсовые 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 (или кристаллическими) 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 и др. При определенных условиях возможен самопроизвольный (спонтанный) переход с различной скоростью коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную и др. 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 тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные и, особенно, кристаллизационные структуры придают веществу повышенную прочность, но вместе с тем и усиливают хрупкость, снижают тиксотропность. Некоторые модификации кристаллов одного вещества могут иметь низкую (например, графит) и очень высокую (например, алмаз) 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 различного происхождения, что зависит от разновидности цементирующего вещества. Поры бывают мелкими, например до (1—2)-Ю-7 см, как правило, замкнутыми, возникшими в результате усадочных явлений; более крупными после, например, испарения капиллярной влаги (капиллярные поры) с размером в поперечнике до 5-Ю-3 см, открытыми или сообщающимися между собой; еще более крупными (макропоры), условно принимаемыми сферической формы, размером от 50—100 мкм до 2—5 мм. Количество крупных пор зависит от того, как они возникли в вяжущем веществе: непроизвольно или преднамеренно. При непроизвольном вовлечении воздуха в период приготовления смеси их количество обычно невелико (2—5%). Если они возникают под влиянием специально вводимых воздухововлекающих или порообразующих добавок, то в поризо-ванном вяжущем веществе может сосредоточиваться до 50% и более ‘ по объему сферических (ячейковых) 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 с 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 агрегатов и тел.

Кроме вяжущего вещества, микродисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности другого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материала и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности сцепления контактируемых веществ и пр. Различие в качестве приповерхностного слоя и остального объема вяжущего не является скачкообразным, а довольно плавным.

«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.

Макроструктура ИСК различима невооруженным глазом. Она образована под влиянием цементирующей способности вяжущего вещества, благодаря чему полизернистые или иной формы частицы заполнителя —- волокнистые, пластинчатые, угловатые, шарообразные и т. п. — скрепляются между собой в общий монолит. В макроструктуре содержится также капиллярно-поровая часть, причем макродисперсные поры и капилляры в ячеистых бетонах в виде замкнутых ячеек, заполненных газовой или воздушной средой, являются как бы своеобразной разновидностью заполнителя.

Подобно компактной упаковке дискретных частичек в микроструктуре вяжущих веществ смесь грубозернистых заполнителей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе связующих веществ, как наиболее дорогостоящих компонентов, и уменьшать усредненную толщину континуального слоя вяжущего вещества в конгломерате.

С этой целью зернистые заполнители предварительно разделяют на фракции по размерам, а затем опытным или расчетным путем находят содержание каждой фракции в плотной смеси заполнителя ИСК, которые следуют либо непрерывно друг за другом и с получением, следовательно, непрерывного гранулометрического состава, либо с исключением некоторых фракций и с получением прерывистого гранулометрического состава смеси. Своеобразный метод подбора‘гранулометрического состава плотной смеси, пригодный для заполнителей безобжиговых и обжиговых ИСК, предложен П.И. Боженовым. В основе этого метода лежит прерывистая гранулометрия.

При максимальной плотной упаковке частиц шарообразной формы и одного диаметра с количеством их 74%‘по объему коэффициент упаковки равен -0,1. Увеличение количества частиц в конгломерате (например, щебня) приводит к дальнейшему увеличению отрицательной величины коэффициента упаковки, т. е. к большему зацеплению или заходу щебенок друг за друга, что характеризует законтактную структуру. Но на величину коэффициента упаковки влияет не только количество, но и размер крупнообломочных частиц. Чем крупнее зерна, тем меньшее количество щебня требуется для того, чтобы коэффициент упаковки оказался отрицательной величиной.

При оценке характера структуры вместо коэффициента упаковки можно пользоваться числовой величиной отношения объема заполняющей части к объему конгломерата. При отношениях, близких к единице, структура является контактной.

Кроме заполнителя в смесь нередко добавляется порошкообразный материал, частицы которого соизмеримы с размерами частиц используемого в ИСК вяжущего вещества и новообразованиями — кристаллическими, аморфными, кристаллитными и др. Их называют наполнителями.

Заполнители и наполнители могут быть активными, неактивными или малоактивными. К активным принадлежат те, которые при добавлении к вяжущему веществу повышают прочность ИСК оптимальной структуры хотя бы по одному виду напряжений — сжатию, растяжению, сдвигу и т. п.

Упрочнение вяжущего вещества при использовании активного заполнителя (наполнителя) происходит под влиянием дополнительных физико-химических или химических взаимодействий кон-тактируемых веществ или вследствие армирующего эффекта (например, при волокнистых разновидностях заполнителя или наполнителя).

Неактивные или малоактивные разновидности заполнителей и наполнителей не только не способствуют упрочнению оптимальной структуры ИСК по мере увеличения их содержания, но и снижают прочностные характеристики. Степенью активности этих компонентов конгломератной смеси возможно управлять с помощью твердых или жидких активизаторов и ПАВ, обогащением, дроблением округлых (например, гравийных, галечных) зерен, минерализацией (например, при использовании органических заполнителей в сочетании с неорганическими вяжущими веществами), промывкой, рифлением, распушкой и т. п. на стадиях подготовительных работ принятого технологического процесса. Ниже (см. гл. 3) приведена формула прочности ИСК оптимальной структуры, в которой числовое значение степенного показателя п достаточно полно отражает качественную характеристику заполнителя и размеры изменения прочностных показателей конгломератов под влиянием используемых способов активизации и уплотнения смеси. Одна из важных технологических задач на производстве — всемерное снижение числового показателя п.

Из изложенного следует, что все ИСК обладают микро- и макроструктурами. Иногда еще при необходимости условно выделяется мезоструктура, т. е. промежуточная по дисперсности частиц между микро- и макрочастицами. Само собой разумеется, что такое подразделение монолитной структуры ИСК является чисто условным. В реальных условиях выделить такие структурные элементы без разрушения монолитности всей системы нельзя. Структура ИСК, тем более оптимальная, составляет единую, неделимую, цельную систему. Однако мысленное выделение отдельных ее частей из монолитной структуры имеет большое методологическое значение, так как позволяет с некоторым приближением моделировать расчетные реологические схемы, соответствующие им математические формулы по определению качественных показателей, которые зависят от физических характеристик упомянутых основных структурных элементов. На технологической стадии изготовления ИСК условное разделение структуры на две-три части может быть использовано и для практических целей, например при выполнении операций так называемой раздельной технологии, когда приготовленную вяжущую часть определенного состава соединяют с помощью совместного перемешивания с подготовленной отдельно заполняющей частью1. Однако, независимо от последовательности чередования операций в технологический период с учетом всех их позитивных и негативных особенностей, сформировавшаяся структура после отвердевания вяжущего элемента и ИСК в целом становится монолитной, единой и неделимой.

Неоднократно проводившиеся исследования показали, что при селективном (выборочном) растворении микро- и макрост-руктурных частей конгломерат либо полностью разрушался, либо почти полностью терял свои качественные показатели. Поэтому иногда используемое выражение для характеристики конгломерата (композиционного материала) как «структура в структуре» можно относить только к комбинированным системам, упомянутым в классификации ИСК (см. рис. 1.1); к ним принадлежат изготовленные ИСК, пропитанные на последующей стадии технологии еще и другим вяжущим веществом с заполнением полостей и образованием второй непрерывной пространственной сетки вяжущего вещества, например в цементополимербетонах. Образуются две взаимосвязанные структуры, которые возможно не только мысленно, но и практически отделить друг от друга, хотя, естественно, с некоторым ухудшением качества комбинированного конгломерата.

Единая и монолитная структура конгломерата может быть оптимальной и неоптймальной.

Оптимальная структура характеризуется: равномерным распределением по объему заполнителя, фаз, компонентов, пор и других составляющих ее элементов; отсутствием или минимальным содержанием дефектов как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды; наличием непрерывной пространственной сетки, или матрицы, из вяжущего вещества; минимальным значением отношения массы среды к массе твердой фазы, именуемого условно как фазовое отношение; наибольшей плотностью упаковки твердых частиц как в микро-, так и в макроструктурной частях. Если в материале отсутствуют вяжущие прослойки, то одним из условий оптимальности структуры служит наибольшая поверхность контактирования и взаимосвязи твердых частиц или ее уменьшение, если химические связи, например ван-дер-ваальсовые, не обеспечивают эффективного упрочнения контактов.

Не всегда изделие обладает одинаковой оптимальной структурой во всех своих деталях, например поверхностный слой может отличаться от его внутренней части. Однако оптимальная структура всегда является отражением принятых технологических особенностей формирования ее в производственных условиях.

Неоптимальными называют структуры, которые неудовлетворяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных условий оптимальности.

При одинаковой технологии изготовления смеси и изделия, других одинаковых условиях можно получить неограниченное количество неоптимальных структур, гораздо меньше — оптимальных и одну-две — рациональных. К последним относятся оптимальные структуры, при которых конгломерат в полной мере соответствует заданным и притом экстремальным показателям качества, а также реальным параметрам производства. При проектировании важно остановиться на составе, при котором структура, сформировавшаяся при данной технологии и при принятых режимах, является не только оптимальной, но и рациональной.

Оптимальным структурам соответствуют улучшенные показатели качества материалов по сравнению с неоптимальными структурами. Это улучшенное качество обусловлено повышенной плотностью, минимальным количеством жидкой среды, повышенной концентрацией твердой, например кристаллической, фазы, минимумом объема пор в контактных зонах и рядом других причин, особенно энергетического характера. При оптимальных структурах свободная энергия Гиббса и свободная энергия Гельмгольца становятся минимальными, так как переходят в более эффективные формы связи.

В теории ИСК разработан, а в практике используется общий метод проектирования оптимальных составов и оптимальных структур различных безобжиговых и обжиговых материалов (см. гл. 3). С его помощью получают из принятых компонентов материал, удовлетворяющий заданным техническим требованиям при оптимальной структуре, т.е. экстремальным показателям качества.

Достоинство оптимальных структур заключается также в подобии их между собой, что означает, в частности, принципиальную общность закономерности, вскрываемой в отношении какого-либо одного материала.

В настоящее время уточняются нормативные параметры оптимальных структур и технических свойств взамен устаревших стандартов.





Похожие статьи:
Строительные термины и определения

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Строительное материаловедение

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум