Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
– частично или полностью ионизи- рованный газ, в котором концентрации положи- тельных и отрицательных зарядов практически равны. Ионизация газа может быть вызвана тем- пературным воздействием, электромагнитным излучением или бомбардировкой заряженными частицами (рисунок 8). Рисунок 8 – Плазма 11 Низкотемпературную плазму (Т около 10 6 ...10 8 К) применяют в металлур- гии для разложения руд и плавки тугоплавких металлов. 2.2 Макро-, микро- и ультрамикроструктура материалов Строение материала характеризуют его структурой и текстурой. Структура – внутреннее строение материала, обусловленное формой, размерами, взаимным расположением составляющих его частиц, пор, капилля- ров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других структурных элементов. В зависимости от структуры различают материалы: изотропные , облада- ющие одинаковыми свойствами во всех направлениях (бетоны, растворы и ке- рамика) и анизотропные – их свойства отличаются в разных направлениях (же- лезобетон, древесина и волокнистые материалы). Текстура – строение, обусловленное относительным расположением и распределением составных частей материала в занимаемом им пространстве. Текстура бывает слоистая, массивная, полосчатая, пористая и др. Структуру материала изучают на трех уровнях: макроструктура – строение, видимое невооруженным глазом; микроструктура – строение, видимое в оптический микроскоп; ультрамикроструктура – внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентге- ноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.д. Макроструктура твердых строительных материалов может быть ячеи- стая, средне- и мелкопористая, слоистая, спутано-волокнистая, рыхло- зернистая (порошкообразная), конгломератная и т.д. (рисунок 9). Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, свойственных га- зо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам. Средне - и мелкопористая структура свойственна, например, керамическим материалам, поризованным либо высоким затворением водой, либо введением выгорающих добавок (керамзитовый гравий, шлаковая пемза). Слоистая структура прослеживается у таких пластинчатых минералов, как слюда и каолинит, которые состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки. Отчетливо выражена такая структура у рулонных (гидроизоляционных), листовых и плитных материалов, в частности у полимерных материалов со сло- истым наполнителем (бумопласта, текстолита и др., рисунок 10). Кроме того, материалы со слоистой структурой часто применяют в оформлении и декори- ровании интерьера. Ярким примером тому служат пробковые панели для пола, стен и потолка (рисунок 11). Рисунок 10 – Слоистая структура мягкой битумной черепицы: 1 – минеральная посыпка; 2 – би- тумная прослойка с модифицированными включениями; 3 – основа (стеклоткань или стеклохолст); 4 – покровная масса (би- тум); 5 – защитная плёнка-сигнализатор 12 Ячеистая Слоистая Слоисто- волокнистая Средняя и мелко- пористая Спутанно- волокнистая Конгломерат- ная Рыхло- зернистая Пенобетон Слюда Древесина Керамика Минеральная вата Природный и искусственный бетон Песок, щебень Рисунок 9 – Макроструктура архитектурно-строительных материалов 13 Рисунок 11 – Пробковые па- нели и их применение в интерьере Волокнистая структура характерна для древеси- ны и асбеста. Последний состоит из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положи- тельными ионами, что позволяет разъединить его на волокна и использовать, в частности, как армирую- щий компонент в фибробетонах. Спутано - волокнистая структура встречается у войлока, минеральной ваты и роговой обманки. Ар- хитектурные постройки, выполненные из материалов с такой структурой, устойчивы даже к таким опасным природным явлениям, как землетрясения (Алупкинский дворец Воронцова, выполненный из диорита тёмно-зелëного в полировке, выдержал 12 баллов в 1927 г.). Рыхло - зернистая структура свойственна заполнителям для бетона, зерни- стым и порошкообразным материалам. Конгломератная структура – это обширная группа, объединяющая различ- ные виды бетона, некоторые керамические и другие материалы. Среди многокомпонентных материалов различают структуры с базаль- ной, поровой и контактной цементацией. В структурах с базальной цементацией крупные зерна не образуют вза- имных контактов. Свойства материалов обусловливаются преимущественно свойствами вяжущего, влияние крупных зерен невелико. В структурах с поровой цементацией образуется плотный каркас, в кото- ром зерна склеены в монолит сравнительно тонкой прослойкой вяжущего ве- щества. В этом случае значительнее проявляется влияние зерен. Если в дальнейшем увеличивать количество крупных зерен в материале, их структура переходит в структуру с контактной цементацией Структура каменных материалов определяется степенью кристаллич- ности, размерами и формой кристалла и способом цементирования (срастания) составных частей. Она может быть плотной и пористой. Выделяют также сло- истую (зерна различной крупности распределены послойно), сланцеватую (зерна имеют вытянутую форму и ориентированы в одном направлении) и од- нородную структуру (зерна различной крупности равномерно распределены в материале). По размерам кристаллов:крупно-, средне- и мелкозернистую структуру. По относительной величине кристаллов различают: равномерно-зернистую; неравномерно-зернистую или порфировидную структуру. В зависимости от формы сцементированных зерен, имеющих размеры более 5 мм, выделяют структуры: конгломератную – когда сцементированные зерна имеют овальную гравиеподобную форму и брекчиевидную – когда сце- ментированные зерна имеют рваную форму (рисунок 12). 14 Рисунок 12 – Конгломерат- ная (слева) и брекчиевидная струк- туры (справа) По характеру связей между компонентами академик П.А. Ребиндер предложил выделить 3 типа микроструктур: - коагуляционную; - конденсационную; - кристаллизационную. Коагуляционные связи характерны для микроструктур, в которых частицы твердой фазы образуют беспорядочную пространственную сетку и разделены тонкими прослойками жидкой или газообразной фазы за счет ван-дер- ваальсовых сил. К таким материалам относятся бетонные и растворные смеси, глиняное и цементное тесто. Для них характерна малая прочность, хорошо вы- раженная пластичность, тиксотропность – способность восстанавливать структурные связи после ее разрушения механическими или температурными воздействиями, способность к ползучести и высокая эластичность (рисунок 13). Конденсационные связи характерны для микроструктур, в которых непо- средственный контакт между частями возникает за счёт химических валентных и ионных связей (полимеры, асфальтобетоны особенно при длительной экс- плуатации). Эти структуры отличаются высокой прочностью, хрупкостью, упругостью, не способны к остаточным деформациям, тиксотропные свойства в них отсутствуют. Коагуляционная Конденсационная Кристаллическая Растворная смесь Пластмасса Цемент Рисунок 13 – Микроструктура архитектурно-строительных материалов 15 Кристаллизационные связи образуются кристаллическими мостиками в структурах, для которых контакт между частицами осуществляется путём прямого взаимодействия с образованием пространственной сетки или каркаса с более или менее правильным срастанием. Эти наиболее прочные связи встре- чаются в цементобетонах, гипсовых изделиях и горных породах. Между рассмотренными связями могут быть промежуточные: кристал- лизационно-конденсационная, коагуляционно-конденсационная, которые фор- мируются, например, в асфальтобетонах, работающих в дорожных конструк- циях при температурных перепадах. Вещества, входящие в состав строительных материалов, состоят из ато- мов, молекул и ионов, имеющих определенные размеры. Так, например, радиус иона Si +4 = 0,39 (Å – ангстрем, равен 10 -10 м); Са +2 = 1,07Å; Al +3 = 0,57Å; 0 +2 = 1,36Å. В твердых телах атомы и ионы совершают незначительные колебатель- ные движения, поэтому ультрамикроструктуру твердого тела можно изобра- зить в виде кристаллической решетки. Рассматривая взаимодействие структур- ных элементов – ионов, атомов и молекул, расположенных внутри кристалли- ческой решетки в веществах, можно выделить следующие виды ультрамикро- структур: атомную, молекулярную, ионную, металлическую, водородную, гидратную и т.д. Атомная структура образуется при расположении в узлах пространствен- ной кристаллической решетки отдельных атомов, которые соединены друг с другом ковалентной связью. Она осуществляется общими для двух атомов электронами. Величина прочности такой связи достигает 3x10 7 Дж/моль. Образованные по атомному типу твердые вещества характеризуются обычно высокой температурой плавления и большой твердостью, но они хруп- кие из-за жесткой ковалентной связи. У алмаза температура плавления 3845 о С, прочность – 200 МПа, у кварца соответственно 2100 о С и 40 МПа (рисунок 14). Особенности молекулярной структуры определяются наличием в узлах пространственной решетки неполярных или полярных молекул, связанных друг с другом только межмолекулярными ван-дер-ваальсовыми силами. Связь приблизительно в 1000 раз меньше, чем ковалентная, и составляет 3х10 4 Дж/моль. Различие между атомными и молекулярными структурами обуслов- лено не столько самим типом частиц, сколько характером их взаимодействия. Так как молекулярные силы стягивают частицы друг с другом сравнительно слабо, твердые вещества с молекулярной структурой характеризуются обычно низкой температурой плавления и малой твердостью. Такой структурой обла- дают кристаллы льда, СО 2 , графит, органические вяжущие и полимерные ма- териалы (рисунок 15). Рисунок 14 – Атомная структура кварца 16 Рисунок 15 – Молекуляр- ная структура льда Ионная структура характеризуется наличием в узлах пространственной решетки отдельных ионов. Каждый из ионов находится совершенно в одина- ковом отношении ко всем непосредственно окружающим его ионам противо- положного знака (рисунки 16, 17). Ионная связь основана на взаимном притяжении разноименно заряжен- ных частиц. Энергия этой связи достигает l,5хl0 7 Дж/моль. Действующие в ионных структурах кулоновские силы обусловливают гораздо более прочное взаимодействие между частицами, чем межмолекулярные силы. Температура плавления и твердость веществ ионной структуры значительно выше, чем у веществ, образованных полярными и неполярными молекулами. Рисунок 16 – Ионная структура веществ Рисунок 17 – Формирование ионных связей кристалла хлорида натрия В соответствии с этим металлическую структуру можно рассматривать как переходную между атомной и ионной структурой. Она отвечает такому состо- янию, когда все атомы отдают «в коллективное пользование» свои валентные электроны. Иначе говоря, переход электрона от нейтрального атома к ионизи- рованному атому может происходить без затраты энергии. Связь в таких ре- шетках обусловлена электростатическим взаимодействием. Устойчивость по- добного промежуточного состояния и составляет характерную особенность металлов (рисунок 18). Рисунок 18 – Металличе- ская структура пирита 17 Со свободным перемещением электронов связаны высокая электропро- водность металлов, их хорошая теплопроводность, а также механическая де- формируемость (придание той или иной формы при нагреве), электро- проводность и ковкость. В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материа- лах, сосуществуют разные типы связи (кальцит, полевые шпаты). Внутри сложного иона СО -2 3 связь ковалентная, но сам он имеет с ионами Са +2 ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Кальцит CaCO 3 при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью. Показатели прочности и твердости полевых шпатов довольно высоки, хотя и уступают кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью. В молекулах, состоящих из одинаковых атомов, электронная пара в рав- ной степени принадлежит обоим атомам. Такая разновидность ковалентной связи называется неполярной Если же электронная пара связывает два разных атома, она всегда оказывается оттянутой от одного из них к другому. Такая разновидность ковалентной связи называется полярной или поляризованной (рисунок 19). Рисунок 19 – Формирование ко- валентных связей между молекулами H и CL Гидратная структура – гете- ротесмическая, характерная для извести и слюды, где присутствуют гидроок- сидная и ионная связи (рисунок 20). Рисунок 20 – Гидратная структура извести 18 Водородная структура с полярной связью между атомами характерна для воды (рисунок 21). Рисунок 21 – Водородные связи между мо- лекулами воды Донорно - акцепторную структуру имеют некоторые полимеры и другие ве- щества. Внутренняя структура веществ зависит от сочетания различных по раз- меру ионов и атомов, а также их количества, что приводит к образованию кри- сталлов, имеющих специфическую форму. 2.3 Пространственные решетки кристаллов Ботаник Рене -Жюст Юй на пороге XIX в. сделал важное открытие, по- сле того как случайно уронил и разбил большой кристалл кальцита. Когда уче- ный рассмотрел эти осколки, он заметил: все кусочки, даже крошечные, были абсолютно идентичны по форме. Он дал этим частицам название «объединен- ные молекулы». Теперь известно, что внешний вид кристалла отражает его внутреннюю структуру, которая, как было сказано выше, состоит из атомов, расположенных в четком порядке в виде решетки (рисунок 22). Другой уче- ный, Браве, выяснил, что решетчатые кристаллические структуры могут под- разделяться на следующие типы сингоний : кубическая, тетрагональная, триго- нальная, гексагональная, орторомбическая, моноклинная, триклинная. Отличие их в том, соединяются ли три оси кристалла под прямым углом или наклонены друг к другу, каковы угол наклона и длина осей относительно друг друга (ри- сунок 23). Магнезит Арагонит Рисунок 22 – Кристаллы минералов 19 При формировании решетки атомы (ионы) стремятся образовать наибо- лее устойчивую конфигурацию, соответствующую минимуму свободной энер- гии. Это отвечает наибольшему сближению между собой ионов различного за- ряда и удалению друг от друга ионов одинакового заряда. Важными структур- но-энергетическими характеристиками атомов (ионов) являются: валентность, радиус, координационное число, энергия единичной связи и ионная плотность (таблица 1). Орторомбическая Ромбоидрическая Кубическая Триклинная Гексагональная Моноклинная Рисунок 23 – Простран- ственные кристаллические решет- ки веществ. Полное описание кристалличе- ской решетки дается параметрами элементарной ячейки, координа- тами атомов в ней и простран- ственной группой симметрии. Кристаллическая энергия решет- ки характеризуется энергией об- разования кристалла из ионов, атомов или других частиц, от ее величины зависят температура плавления, модуль упругости, прочность, твердость и т п. К характеристикам решетки от- носятся следующие величины: координационное число, пока- зывающее количество атомов (ионов), находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома (иона) в решетке; базис решетки – число атомов, приходящихся на одну элемен- тарную ячейку решетки; коэффициент заполнения (ком- пактности) решетки, определя- ющийся отношением объема, за- нятого атомами (ионами), ко все- му объему решетки. 20 Таблица 1 – Структурно-энергетические характеристики ионов И он Валентность Радиус, Å Координационное число Энергия единичной связи, кДж/моль S i A l M g С а F e N a К 4 3 2 2 2 1 1 0,39 0,57 0,74 1,04 0,8 0,98 1,33 4 4 6 8 6 6 9 106 79-101 37 33 28,5 20 13 Наиболее прочные связи с кислородом наблюдаются у ионов кремния и алюминия. Они в расплавах образуют устойчивые комплексы типа RO 4 n- . Эти комплексы объединяются в пространственные группировки, являющиеся эле- ментами структуры и препятствующие кристаллизации расплава при охлажде- нии. Поэтому такие катионы называют структурообразующими (стеклообра- зующими). Катионы магния, кальция, железа, натрия и калия называются модифи- цирующими, поскольку они обладают малой энергией связи с кислородом и поэтому не образуют комплексов, а только изменяют пространственную сетку системы. Модифицирующие катионы сравнительно легко покидают свое место в структуре вещества и служат фактором обмена с окружающей средой. По- этому в водной среде К + сравнительно легко переходит в раствор, а в резуль- тате основная составляющая гранита – полевой шпат К 2 ОAl 2 О 3 6SiО 2 в есте- ственных условиях превращается в глинуобразующий минерал – каолинит Al 2 O 3 2SiO2Н 2 О. Стекло, состоящее из силикатов калия и натрия, растворяется в среде пара высокого давления, превращаясь в клей. Даже в твердом стекле модифицирующие катионы постепенно перемещаются, стремясь занять свое место, соответствующее их положению в кристаллической решетке. Поэтому в аморфной изотропной структуре стекла появляется все большее количество кристаллических участков, которые рассеивают световые лучи, вызывая по- мутнение стекла и потерю прозрачности. Вместе с тем, способность модифицирующих катионов сравнительно лег- ко покидать свое место в кристаллической решетке в соответствующих услови- ях, позволяют получать большой технический эффект. Без этого явления невоз- можно твердение строительных растворов и бетонов, изготовление из глины строительной керамики и получение стекла. В зависимости от соотношения в веществе анионов кислорода к структу- рообразующим катионам образуются следующие виды структур. Островная, при соотношении O/Si = 4, равном координационному числу катиона, как у бе- лита, 2СаОSiO 2 . Цепочечная, когда ионов кислорода не хватает для образования комплексных ионов и часть анионов кислорода связана с двумя структурообра- 21 зующими катионами, как у волластанита, СаОSiO 2 . Пространственная струк- тура,когда все ионы кислорода связаны в комплексные группы, образующие бесконечную пространственную связь, как у кварца, SiO 2 Ионная плотность усредняет расстояние между ионами и нивелирует, та- ким образом, неоднородность системы. Но она чутко реагирует на общее раз- рыхление или уплотнение структуры вещества, являясь важнейшей его характе- ристикой. Профессором А.А. Новопашиным предложена расчетная формула, связы- вающая энергию кристаллической решетки (-U) с величиной ионной плотности вещества, зарядом катионов (Е) и их числом (n): -U = 360ρ i ΣnE 2,15 , |