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
◊ 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.) .
