Состав, строение и структура материалов

Основные свойства строительных материалов зависят от их химического состава и строения. В зависимости от химического состава строительные материалы принято делить на:

· Органические – соединение углерода с другими элементами (древесина, битум, пластмассы);

· Минеральные - соединения уже окисленных химических элементов (природный камень, бетон, керамика и т.п.);

· Металлические (сталь, чугун, цветные металлы).

У каждой из этих групп материалов есть свои специфические свойства. Так, органические материалы не выдерживают высоких температур и горят; металлические хорошо проводят электричество и теплоту, но подвержены коррозии; минеральные не горят и не гниют, но трудоёмки и энергоёмки в изготовлении и переработке.

Не меньше, чем химический состав, на свойства материала влияет его строение. При одном и том же химическом составе материалы различного строения обладают разными свойствами.

Под структурой материала подразумевают взаимное расположение, форму и размер частиц материала, наличие пор, их размер и характер. Структура также как и состав влияет на свойства материала. Различают микроструктуру - строение материала, видимое под микроскопом, и макроструктуру - строение, видимое невооружённым глазом или при небольшом увеличении.

Один из важнейших элементов структуры большинства строительных материалов - поры - воздушные ячейки в материале размером от долей микрона до сантиметра. Количество, размер и характер пор (замкнутые или сообщающиеся) во многом определяют свойства материалов.

Крупные поры размером более 5мм и полости между частицами зернистых материалов (песка, гравия и др.) называют пустотами.

В зависимости от состава материалов их микроструктура может быть аморфной, кристаллической и нестабильной (вязкой, пластичной). Кристаллическая структура бывает крупнокристаллической и мелкокристаллической. Форма и размеры кристаллов, а также взаимное расположение кристаллов оказывают большое влияние на свойства материалов, в состав которых они входят.

В зависимости от формы, размера частиц и их строения различают: зернистые, волокнистые и слоистые материалы.

В зависимости от технологии получения материалов их макроструктура может быть:

· плотной (стекло),

· искусственной ячеистой (пеносиликат),

· мелкопористой (кирпич),

· волокнистой (древесина),

· слоистой (пластики),

· рыхло зернистой (песок, щебень, гравий).

Среди материалов слитного строения выделяют конгломераты и композиты.

Конгломераты - материалы, представляющие собой плотно соединённые отдельные зёрна обычно с помощью какого-нибудь цементирующего вещества. Типичные конгломераты бетон и раствор.

Композиты – материалы с организованной структурой. В композитах различают компонент, образующий непрерывную фазу, называемую матрицей (связующее) и упрочняющий компонент, распределённый в матрице. Например, искусственные композиты – стеклопластик, железобетон, асбестоцемент; природные - древесина.

Волокнистые и слоистые материалы, у которых волокна (слои) расположены параллельно друг другу, обладают различными свойствами в различных направлениях. Это явление называется анизотропией, а материалы, обладающие такими свойствами, - анизотропными (древесина).

Форма и размер частиц твёрдого вещества, из которого состоит материал, также влияют на свойства материала. Так, из хрупкого стекла можно получить тончайшие гибкие волокна, из которых изготовляют стеклянную ткань.

Состав и структура материалов определяют их свойства. Эти свойства изменяются во времени в результате воздействия среды, в которой эксплуатируется изделие или конструкция. Изменения состава и свойств материалов могут происходить медленно и относительно быстро.

Структурные характеристики и свойства строительных материалов принято делить на основные, одинаково важные для всех строительных материалов (плотность, пористость, прочность), и специальные, позволяющие оценивать возможность применения данного материала для определённых целей (водонепроницаемость, огнеупорность).

Строительный материал характеризуется химическим, минералогическим и фазовым составом.

Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала: огнестойкости, биостойкости, механических и других эксплуатационно-технических характеристиках. Химический состав неорганических веществ (цемента, извести и др.) и каменных материалов принято выражать количеством содержащихся в них оксидов (%). Основные и кислотные оксиды химически связаны между собой и образуют минералы, которые определяют многие свойства материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в вяжущем веществе или каменном материале.

Фазовый состав материала и фазовые переходы воды, находящиеся в его порах, оказывают влияние на все свойства и поведение материала при эксплуатации. В материале выделяют твёрдые вещества, образующие стенки пор, то есть «каркас» материала, и поры, заполненные воздухом и водой.

По воздействию на материалы их структурные характеристики и свойства классифицируют следующим образом:

¾структурные характеристики и параметры состояния - плотность, пористость, влажность и др.;

¾физические свойства, определяющие отношение материала к различным физическим процессам и воздействиям (водопоглощение, морозостойкость и т.п.);

¾механические свойства, определяющие отношение материала к деформирующему и разрушающему действию механических нагрузок (прочность, твёрдость, износ и др.);

¾химические и биологические свойства, характеризующие способность материала к химическим превращениям и стойкость к химической коррозии;

¾долговечность – комплексный показатель, связанный с изменением главнейших эксплуатационных свойств материалов во времени;

¾две добавочные группы: технологические и эстетические.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие составные части можно выделить в композиционных материалах? Приведите примеры таких материалов и их составных частей.

2. Почему аморфные вещества в химическом отношении более активны, чем кристаллические, и при каких условиях вещество приобретает ту или иную структуру?