Взаимосвязь состава,свойств и структуры материалов

Важнейшей характеристикой строи­тельных материалов, как и всех веществ, является химический состав, включающий кремний, углерод, кислород, водород, алюминий, железо, кальций, магний, нат­рий, калий и другие химические элемен­ты.
Содержание статьи:

◊ Свойства дорожных материалов

◊ Основные свойства дорожно-строительных материалов

◊ Эксплуатационные свойства материалов

◊ Взаимосвязь состава свойств и структуры материалов

◊  Микроструктура веществ

◊ Основные технологические принципы получения материалов

◊ Оценка качества строительных материалов

Зная химический состав минерала, можно судить о его свойствах, в том чис­ле о прочности, долговечности,. токсич­ности. По химическому составу строи­тельные материалы делят на неорганu­ческие и органические. Химический сос­тав большинства неорганических матери­алов (кроме металлов) удобно выражать количеством содержащихся в них окси­дов.

Основные и кислотные оксиды хи­мически связаны между собой и образу­ют минералы, которые и определяют свойства материалов. Например, если в граните содержится более 50 % кварца (Si02 ), то этот материал характеризует­ся высокой прочностью и долговечностью.  Строительные материалы состоят из одного или нескольких веществ, кото­рые могут существовать самостоятельно (строительный гипс состоит из CaS0₄ х 0,5 Н ₂О, известково-глиняные раство­ры состоят из гашеной извести Са (ОН)₂ , глины, песка).

Каждый компонент тако­го материала влияет на свойства конеч­ного материала. Химический, минераль­ный, вещественный составы оказывают основное влияние на свойства материа­лов, их классификация по этому признаку также является основной. Как от­мечалось, в этой классификации выделяют неорганические и органические материалы.

В свою очередь первую группу подраз­деляют на металлы, природные и искус­ственные каменные материалы, керамику, неорганические вяжущие и материалы на их основе. Во вторую группу входят полимеры и материалы на их основе, би­тумы, дегти, бетоны на их основе, древе­сина, лаки и краски. Эта классификация и положена в основу изучения курса «Дорожно-строительные материалы».

Химический (минеральный) состав материалов — их важнейшая, но не ис­черпывающая характеристика. Особое мес­то занимает в характеристике материа­лов их структура и строение. Например, изменяя структуру бетонов, можно в де­сятки раз изменять их прочность и дол­говечность. Это расширяет возможности ‘ оптимизации применения материала в дан­ном конкретном случае. Таким обра­зом, одним из коренных признаков мате­риалов является их·структура.

В настоящее время под понятием структура понимают совокупность дан­ных о строении материала, взаимораспо­ложении структурных элементов, их коли­чественном соотношении и взаимосвязи. Важнейшим показателем структуры ма­териала является  средняя плотность, с ко­торой связаны прочность и другие свой­ства материала.  При изучении структу­ры материала необходимо учитывать ее «масштабный уровень».

По «масштаб­ному уровню» и методам изучения раз­личают: макроструктуру — строение, види­мое невооруженным глазом; микрострук­туру — строение, видимое в оптический микроскоп; ультрамикроструктуру -внутреннее строение вещества, изучаемое методами электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и другими физико-химическими методами.

На уров­не ультрамикроструктуры изучают строе­ние вещества, виды химических связей, кристаллическое, амфорное строение и т. д.

Ультрамикроструктура.

При рассмот­рении структуры на атомно-молекуляр­ном уровне для каждого материала (ве­щества) характерно определенное взаимное расположение атомов, а также проч­ность и направленность связей между ними. В зависимости от размеров ато­мов, природы связей между ними обра­зуются различной плотности структуры, которые в значительной степени опреде­ляют строение и свойства соответствую­щих материалов.

Атомы, ионы, моле­кулы, образующие вещества, удерживают­ся химическими связями. Все их много­образие может быть описано следующи­ми четырьмя типами связей (рис. 1).

Рисунок-1.Схемы химических связей

а-ионная, б-ковалентная, в-металлическая, г-молекулярная

Ионная связь образуется, когда одни атомы теряют, а другие приобретают один электрон и соответственно превращаются в ионы с положительными или отрицатель­ными  зарядами, которые притягиваются друг к другу. Для материалов (веществ) с ионной связью (оксида кальция, пова­ренной соли, хлористого кальция, продук­тов гидратации портландцемента) харак­терна относительно высокая механичес­кая прочность с большим диапазоном в зависимости от особенности строения кристаллизационной решетки.

При кова­лентной связи два атома делят между собой электроны внешней оболочки, обра­зуя таким образом общую внешнюю обо­лочку. Для материалов с этой связью (ал­маз, кварц) характерна плотная упаков­ка, высокая прочность, твердость, тугоплавкость.
Металлическую связь в первом приб­лижении можно рассматривать как пере­ходную между ионной и ковалентной, при которой все атомы теряют свои ва­лентные ионы и владеют ими сообща.

Металлическая связь характеризуется нес­колькими подуровнями («зонами»), которые зависят от положения металлов в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Металлы характеризуют­ся высокой плотностью, прочностью, теп­ло- и электропроводностью.
Молекулярная (ван-дер-ваальсовская) связь возникает за счет некоторо­го смещения центров электрического заря­да электрически нейтральных атомов или молекул.

Вещества с этими связями пос­троены из целых молекул, которые удер­живаются друг возле друга сравнитель­но слабыми ван-дер-ваальсовскими сила­ми межмолекулярного притяжения, но большей протяженностью. К молекуляр­ным связям можно отнести и водород­ную связь, возникающую между атома­ми водорода и молекулами со смещен­ными атомами водорода.

Большинство органических веществ имеют молекуляр­ную связь (органические вяжущие, полимерные материалы), поэтому они пла­вятся при сравнительно невысокой тем­пературе, и имеют невысокую прочность.

Рассмотренные виды химических свя­зей в известной мере идеализированы и в чистом виде встречаются нечасто. Нап­ример, в кальците, полевых шпатах су­ществуют ковалентная и ионная связи.
Внутри сложного иона СО₃²¯ -связь кова­лентная, но сам он с ионом Са²⁺ имеет ионную связь.

Таблица-1.Силы взаимодействия между ионами и атомами материалов

Теоретическая прочность твердых тел и их твердость зависят от сил взаимодей­ствия между ионами, атомами или моле­кулами, образующими структурную ре­шетку тела { табл. 1.) .

***** РЕКОМЕНДУЕМ выполнить перепост статьи в соцсетях!

*****