Будова матеріалів
Будова матеріалів - Лекція, розділ Філософія, Основні поняття та класифікація будівельних матеріалів Під Будівлею Будівельного Матеріалу, Як і будь-якого Фі.
Підбудівлеюбудівельного матеріалу, як і будь-якого фізичного тіла, розуміютьпросторове розташуванняокремих частин, частинок, пор, мікротріщин, а також співвідношення компонентів, фаз і поверхонь розділу .
Будова матеріалів вивчають різних рівнях.
Внутрішня будова речовини– це будова на молекулярно-іонному рівні, це розташування, взаємовідносини та взаємозв'язок атомів, іонів і молекул, з яких складаються речовини.
Типи зв'язків між атомами, групами атомів, молекулами: іонні, ковалентні, молекулярні (зв'язки Ван-дер-Ваальса), водневі та металеві.
Тип зв'язків між мікрочастинками відбивається на властивостях речовини. Наприклад, для речовин із ковалентними зв'язками характерна підвищена міцність; іонні зв'язки визначають здатність добре розчинятися у воді, металеві зв'язки – здатність проводити електричний струм.
Найбільш характерні типи внутрішньої будови:
- Кристалічна будова– упорядковане розташування частинок речовини (атомів, молекул) у просторі, що утворює характерну кристалічну решітку. Це називають «далеким порядком». Кристалі-
ну будову характерна для більшості мінералів гірських порід: кварцу, слюди, польових шпатів.
- Аморфна будова(склоподібна) – невпорядковане розташування атомів (молекул) у просторі, відсутність кристалічних ґрат. Може спостерігатися «ближній порядок» у розташуванні частинок щодо випадково вибраного центру – упорядкованість у мікрообсязі, але відсутня «далекий по-рядок». Подібні матеріали називають переохолодженими рідинами. Найбільш поширені представники – вулканічні та штучні стекла (обсидіан, шибка).
Крім цього, можливі перехідні типи будови, наприклад, склокристалічна будова ситалів: наявність в обсязі матеріалу аморфної будови ділянок кристалічної будови.
Властивості кристалічних та аморфних речовин значно різняться.
Для кристалічних речовин характерна наявність певної температури плавлення (фазовий перехід із твердого стану в рідкий при певній температурі), певна правильна форма кристалів.
Для аморфної будови характерна відсутність температури плавлення як фізичної константи – при нагріванні матеріал поступово розм'якшується.
Кристалічна та аморфна будова іноді є різними станами однієї й тієї ж речовини. Наприклад, мінерал кварц і кварцове скло мають однаковий хімічний склад, вони складаються з оксиду кремнію SiO2, але кварц – кристалічна будова, а кварцове скло – аморфне. Нагріваючи кварц до повного розплавлення, а потім швидко охолоджуючи розплав, можна отримати кварцове скло. У природі крім кристалічного кремнезему – кварцу – є ряд мі-
нералів аморфної та прихованокристалічної будови, що складаються з кремнезему, – опал, халцедон, агат, яшма.
Як правило, при однаковому хімічному складі речовини аморфної будови мають більш високу хімічну активність (тобто менш стабільні), ніж речовини кристалічної будови.
Дуже яскравий приклад із галузі будівельного матеріалознавства – це взаємодія оксиду кремнію з вапном.
В принципі, оксид кремнію здатний взаємодіяти звапном з утворенням гідросилікатів кальцію – з'єднань, що забезпечують міцність та водостійкість структури штучних матеріалів:
SiO2 + Са(ОН)2+ n Н2О ® СаО×SiO2×(n+1)Н2О (2.1)
Кварц (речовина кристалічного будови) у нормальних умовах мало взаємодіє з Са(ОН)2. Тому будівельні розчини на повітряному вапні не мають високої міцності. Для того щоб результат взаємодії став помітним, необхідні десятки та сотні років; прикладом є міцність цегляних кладок стародавніх споруд.
Для прискорення хімічної реакції між кристалічним кремнеземом та вапном необхідні умови автоклавної обробки: у середовищі насиченої водяної пари при температурі 170– 200 °С та тиску 0,8– 1,6 МПа матеріали досягають міцності в 10- 25 МПа за 8- 10 годин. Таким чином отримують силікатну цеглу.
Кремнезем аморфної будови (наприклад, у складі вул-
канічного скла або у вигляді гірської породи трепелу) може взаємодіяти з вапном у звичайних умовах (при температурі 15– 25 °С), надаючи виробам міцність та водостійкість за 1– 2 місяці.
Аморфна форма речовини за сприятливих умов
може перейти у більш стійку кристалічну форму.
При переході від аморфного до склокристалічного будову властивості також змінюються. Приклади виробів різної будови, які одержують зі скляного розплаву, наведено в табл. 2.3.