Структура материалов

Структура материалов. Главным признаком кристаллической структуры является упорядоченность расположения материальных частиц (вернее, центров их колебаний) в узлах и других точках пространственной решетки (рис. 1.1). С особенностями строения решеток связаны свойства кристаллов. Кристаллическую структуру имеют большинство горных пород, металлы и сплавы, разнообразные искусственные каменные строительные материалы. Размеры кристаллов весьма разнообразны — от устанавливаемых с помощью электронного микроскопа до видимых невооруженным глазом. Реальные кристаллы имеют разнообразные дефекты строения — мозаичную структуру, узловые вакансии атомов или ионов и др. Области с закономерными отклонениями в расположении элементов структуры кристаллов называют дислокациями. Дислокации в значительной мере обусловливают механические и другие свойства кристаллических материалов, в особенности металлов.

Свойства кристаллических тел определяются видом характерных для них химических связей. Наиболее распространенные типы химической связи — это ионная и ковалент-ная.  Ионную решетку  имеют входящие в материалы кристаллы различных солей, оксидов, гидроксидов. Главным структурным элементом наиболее распространенной в строительстве группы силикатных материалов являются ионы ( Они могут различным образом комбинироваться с катионами металлов, что способствует многообразию силикатов и различию в их свойствах. Прочностью ионной связи обусловлены высокие значения температуры плавления силикатных и других материалов. Для материалов, сложенных из кристаллов с ковалентной связью атомов (например, для некоторых полимеров), характерны сравнительно большая твердость, высокая температура плавления и малая летучесть.

Определенным своеобразием отличается кристаллическая решетка металлов. В ее узлах расположены положительные ионы, а между ними перемещаются свободные электроны. Характерные свойства металлов (электропроводность и теплопроводность, термоэлектронная эмиссия, блеск и пр.) обусловливаются наличием в их решетке свободных электронов.

В отличие от кристаллических аморфные материалы имеют неупорядоченное расположение атомов, ионов или молекул. Из аморфных материалов наибольшее применение в строительстве имеет стекло, полученное путем охлаждения минеральных расплавов. В результате постепенного увеличения вязкости при охлаждении стекло обладает механическими свойствами твердых тел, процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное является обратимым. Стекло является изотропным материалом, оно не имеет определенной точки плавления и при нагревании постепенно размягчается.

Свойства строительных материалов тесно взаимосвязаны с их микроструктурой, изучаемой с помощью оптического или электронного микроскопа. Важными элементами микроструктуры материалов являются микропоры. Для строительных материалов удобно в зависимости от радиуса делить поры на три группы: микрокапилляры (0,1 мкм), макрокапилляры (0,1 мкм) и некапиллярные поры.

В капиллярных порах поверхность жидкости принимает форму, обусловленную силами поверхностного натяжения, и мало искажается за счет силы тяжести. Микрокапилляры радиусом менее 0,1 мкм могут быть полностью заполнены жидкостью в результате поглощения ее паров из окружающей среды. Макрокапилляры с радиусами, большими 0,1 мкм, могут быть заполнены жидкостью при непосредственном контакте с нею.

Происхождение пор в материалах может быть связано с газовыделением или воздухововлечением, содержанием избыточной, химически несвязанной воды, различными деструктивными процессами (например, выщелачиванием, дегидратацией, выветриванием и др.).

Многие строительные материалы можно рассматривать как дисперсные системы, т. е. такие системы, которые содержат две (или более) фазы, равномерно распределенные друг в друге. В зависимости от размера частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные (>0,1 мкм), коллоидно-дисперсные (0,1—0,001 мкм) и молекулярно-дисперсные (<0,001 мкм) системы. К первым можно отнести разнообразные порошкообразные материалы — вяжущие вещества, наполнители и др., ко вторым — цементное и известковое тесто, некоторые пигменты и др., а к третьим — растворы солей.

В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии — твердом или жидком — распределено вещество в жидкой дисперсионной среде, дисперсную систему называют соответственно суспензией или эмульсией. Если дисперсная среда — газ, системы называют аэрозолями.