2. Строениематериалов

Подстроениемстроительногоматериала,какилюбогофи-зическоготела,понимаютпространственноерасположениеот-дельныхчастей,частиц,пор,микротрещин,атакжесоотноше-ниекомпонентов,фаз иповерхностейраздела.

Строениематериаловизучаютнаразныхуровнях.

Внутреннеестроениевещества–этостроениенамолеку-лярно-ионномуровне,эторасположение,взаимоотношениеивзаимосвязьатомов,ионовимолекул,изкоторыхслагаютсявещества.

Типысвязеймеждуатомами,группамиатомов,молекула-ми:ионные,ковалентные,молекулярные(связиВан-дер-Вааль-са),водородныеиметаллические.

Типсвязеймеждумикрочастицамиотражаетсянасвойст-вахвещества.Например,длявеществсковалентнымисвязямихарактернаповышеннаяпрочность;ионныесвязиопределяютспособностьхорошорастворятьсявводе,металлическиесвязи–способностьпроводитьэлектрическийток.

Наиболеехарактерныетипывнутреннегостроения:

• Кристаллическоестроение–упорядоченноерасполо-жениечастицвещества(атомов,молекул)впростран-стве,образующеехарактернуюкристаллическуюре-шетку.Этоназывают«дальнимпорядком».Кристалли-

ческоестроениехарактернодлябольшинстваминера-ловгорных пород:кварца,слюды,полевыхшпатов.

• Аморфноестроение(стеклообразное)–неупорядочен-ноерасположениеатомов(молекул)впространстве,отсутствиекристаллическойрешетки.Можетнаблю-даться«ближнийпорядок»врасположениичастицот-носительнослучайновыбранногоцентра–упорядо-ченностьвмикрообъеме,ноотсутствует«дальнийпо-рядок».Подобныематериалыназываютпереохлаж-деннымижидкостями.Наиболеераспространенныепредставители–вулканическиеиискусственныестек-ла (обсидиан, оконное стекло).

Кромеэтого,возможныпереходныетипыстроения,напри-мер,стеклокристаллическоестроениеситаллов:наличиевобъ-емематериалааморфногостроенияучастковкристаллическогостроения.

Свойствакристаллическихиаморфныхвеществзначитель-норазличаются.

Длякристаллическихвеществхарактерноналичиеопреде-леннойтемпературыплавления(фазовыйпереходизтвердогосостояниявжидкоеприопределеннойтемпературе),опреде-леннаяправильнаяформакристаллов.

Дляаморфногостроенияхарактерноотсутствиетемперату-рыплавлениякакфизическойконстанты–принагреваниима-териалпостепенноразмягчается.

Кристаллическоеиаморфноестроениеиногдаявляютсяразнымисостояниямиодногоитогожевещества.Например,минералкварцикварцевоестеклоимеютодинаковыйхимиче-скийсостав,онисостоятизоксидакремнияSiO₂,ноукварца–кристаллическоестроение,аукварцевогостекла–аморфное.Нагреваякварцдополногорасплавления,азатембыстроохла-ждаярасплав,можнополучитькварцевоестекло.Вприродекромекристаллическогокремнезема–кварца–имеетсярядми-

нераловаморфногоискрытокристаллическогостроения,со-стоящихиз кремнезема,– опал, халцедон, агат,яшма.

Какправило,приодинаковомхимическомсоставевещест-вааморфногостроенияобладаютболеевысокойхимическойактивностью(т.е.менеестабильны),чемвеществакристалличе-скогостроения.

Оченьяркийпримеризобластистроительногоматериало-ведения–этовзаимодействиеоксида кремниясизвестью.

Впринципе,оксидкремнияспособенвзаимодействоватьсизвестьюсобразованиемгидросиликатовкальция– соедине-ний,обеспечивающихпрочностьиводостойкостьструктурыискусственныхматериалов:

SiO₂₊Са(ОН)_{2+ n}Н₂ОСаОSiO₂(n+1)Н₂О (2.1)

Кварц(веществокристаллическогостроения)вобычныхусловияхпрактическиневзаимодействуетсСа(ОН)₂.Поэтомустроительныерастворынавоздушнойизвестинеимеютвысо-койпрочности.Длятогочтобырезультатвзаимодействиясталзаметен,необходимыдесяткиисотнилет;примеромслужитпрочность кирпичныхкладокдревнихсооружений.

Дляускоренияхимическойреакциимеждукристалличе-скимкремнеземомиизвестьюнеобходимыусловияавтоклавнойобработки:всреденасыщенноговодяногопара притемпературе170–200°Сидавлении0,8–1,6МПаматериалыдостигаютпрочностив10–25МПаза8–10часов.Такимобразомполучаютсиликатныйкирпич.

Кремнеземаморфногостроения(например,всоставевул-

каническогостеклаиливвидегорнойпородытрепела)можетвзаимодействоватьсизвестьювобычныхусловиях(притемпе-ратуре15–25°С),придаваяизделиямпрочностьиводостой-костьза1–2месяца.

Аморфнаяформавеществаприблагоприятныхусловиях

можетперейтивболееустойчивуюкристаллическуюформу.

Припереходеотаморфногокстеклокристаллическомустроениюсвойстватакжеизменяются.Примерыизделийразно-гостроения,получаемыхизстеклянногорасплава,приведенывтабл. 2.3.

Свойствастекломатериалов

Таблица 2.3

Наиме-нование	Плот-ность,г/см3	Предел прочно-стиприизгибе,МПа	Предел прочно-стиприсжатии,МПа	Ударнаявязкость,кДж/м2	Исти-рание,г/см2
Оконное стекло(аморф-ноестрое-ние)	2,5	44	450–500	2,0	0,5–0,6
Ситалл (стекло-кристал-лическоестрое-ние)	2,5–2,6	до250	до600	3,0–4,0	0,01– 0,03

Иногдаодноитожекристаллическоевеществоспособносуществоватьвразличныхкристаллическихформах.Этоназы-ваетсяполиморфизмом.Полиморфныемодификацииимеютодинаковыйхимическийсостав,норазноестроениекристалли-ческихрешеток.Свойстваприэтомтожеизменяются,иногдаоченьрезко.

Самыйяркийпример–кристаллическиемодификацииуг-лерода(С):алмаз–самоетвердоевеществонаЗемле,аграфит–мягкоевещество.

Полиморфизмхарактерендляоксидакремния(SiO₂),уко-торогосемькристаллическихмодификаций,стабильныхприразныхтемпературах.Приобычнойтемпературестабилен

-SiO₂.Принагреваниивплотьдоплавления(температура

1700°С)происходитнеоднократнаяперестройкакристалличе-скойрешетки,иногдасзаметнымизменениемобъема.Поэтомуматериалы,всоставекоторыхприсутствуеткварц,неявляютсятермостойкими,ониплохопереносятрезкоеохлаждениепосленагревания.

Кристаллическиемодификацииестьутрехкальциевогоси-ликатаидвухкальциевогосиликата–основныхклинкерныхминералов.Например,-модификациядвухкальциевогосилика-та(минералбелит)отличаетсяспособностьюхимическивзаи-модействоватьсводой,благодарячемуобеспечиваютсявяжу-щиесвойства,а-модификация,устойчиваяприобычнойтем-пературе,сводойпрактическиневзаимодействует.

Микроструктура–строение,видимоевмикроскопиизу-чаемоеспециальнымифизико-химическимиметодамиисследо-вания.Подмикроструктуройподразумеваетсяразмеривзаим-ноерасположениекристалловиаморфныхфаз,форма,размерыихарактермикропоридругихдефектов,контактнаязонамеждуразличнымичастями материала.

Типымикроструктур:

• однородные(коагуляционные,конденсационные,кри-сталлизационные);

• микронеоднородные(например,какуцементногокам-ня);

• плотныеикапиллярно-пористые.

Макроструктура–строение,видимоеневооруженнымгла-зом(или влупу).

Различаюттипыстроениянамакроуровне:

• Конгломератноестроение–материалсостоитизраз-личныхпоразмеру,форме, составузерен,соединенныхвоединонепрерывнойматрицейзатвердевшеговяжу-щеговещества.Типичныепредставители–природныегорныепородыконгломератибрекчия,изискусствен-ныхкаменныхматериалов–бетоны.

• Ячеистоестроение– сравномернораспределеннымивобъемемакропорамисформой,близкойксфериче-ской.Типичныепредставители–газо-ипенобетоны,ячеистыепластмассы.

• Волокнистоестроение–материалсостоитизориенти-рованныхилихаотическирасположенныхволокон(древесина,асбест,гипсселенит,стекляннаяватаииз-делияизнее).

• Слоистоестроение(древесно-слоистыепластики,бу-мажно-слоистыепластики, сланцы).

• Зернистоестроение–материалсостоитиззерен

разныхминералов(горныепородыгранит,сиенит,габбро).

• Рыхло-зернистое,порошкообразное–длясыпучихма-териалов.

Сособенностямистроениявеществаиматериаласвязаныприсущиеемуизотропияилианизотропия.

Изотропия–этоодинаковостьхарактеристиксвойствма-териаланезависимоотнаправлениявобъеме,вкоторомониоп-ределяются.

Анизотропия–этонеодинаковостьпоказателейсвойстввразныхнаправленияхвобъемематериала.

Анизотропияможет бытьвызвана:

• особенностями макроструктуры:

−волокнистыематериалысупорядоченнымрасполо-жениемволоконотносительнодругдруга(древеси-на–показателипрочности,теплопроводностираз-личнывдольипоперекволокон);

−слоистыематериалы(бумажно-слоистыепластики,фанера);

• особенностями строения кристаллическойрешетки:

−слюды,графит–слоистаярешетка,способнырас-щеплятьсянатонкиепластинкичешуйки;

−минералыполевыешпаты– приударахдаютоб-ломкисровнымигладкимиплоскостямивдвухна-правлениях(т.е.вдольэтихнаправленийпрочностьниже);

−уодноосныхкристалловвдольипоперекглавнойосикристалласвойстваразличны(например,угор-ногохрусталясветопропусканиевдольосивыше,чемпоперек).

Изотропияхарактерна дляоднородностистроения:

• проявляющейсянамикроуровне,например,увеществаморфногостроения;

• пристатистическиоднородномраспределениичастициличастейматериала,неупорядоченности,неориенти-рованностинамакроуровне.

Например:гранит–псевдоизотропнаягорнаяпородавсвя-зиснеориентированнымрасположениемзеренминералов,большаячастькоторыхсамипо себеанизотропны.Адля горнойпородыгнейса,состоящейизтехжесамыхминералов,носори-ентированнымрасположениемзерен,характернаанизотропия:вдольслоевпрочностьниже,чемпоперек.

Искусственныекаменныематериалытипабетонаизотроп-ныиз-застатистическиоднородногонеориентированногорас-положения зерензаполнителявобъеме.