Под структурой, или внутренним строением строительных материалов, как и других физических тел, понимают пространственное расположение частиц разной степени дисперсности, находящихся в устойчивых взаимных связях (первичных или вторичных) с определенным порядком сцепления их между собой. В понятие структуры входят, кроме того, размер и расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других элементов. В структуре ИСК имеются микродисперсная и макродисперс-ная части.
Под микроструктурой подразумевается расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных или одинаковых по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются вещества в определенных агрегатных состояниях: Сформировавшееся атомно-молекулярное строение, находящееся в относительно устойчивом равновесии, предопределяет макроскопические особенности материала. На макроскопическом уровне также устанавливается в той или иной мере устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков, аморфных и других сравнительно крупных частиц и элементов, составляющих материалы, а также соотношения компонентов, фаз и поверхностей раздела более сложной материальной системы — конгломерата (композиционного материала).
Основной формой расположения микрочастиц в пространстве является кристаллическая решетка. Каждому типу связи соответствует свой характерный тип кристаллической решетки, а именно: ионная решетка; молекулярная, или поляризационная решетка, формирующаяся с помощью сил Ван-дер-Ваальса; атомная с резко выраженной ковалентной связью; металлическая; решетка с водородными связями. Особенностью твердых тел является взаимозависимость, или корреляция, положений соседних атомов с ближним и дальним порядками. В кристаллических решетках дальний порядок распространяется на большие области, а ближний — на окружение данного атома. В реальных условиях у кристаллов обычно имеются отклонения от идеальной геометрической формы вследствие ряда побочных явлений в процессах отвердевания.
Твердые вещества, не обладающие кристаллической структурой, относятся к аморфным. Самый распространенный представитель аморфных тел — стекло. Беспорядочное расположение атомов и молекул в аморфных телах усложняет их структуру. О ней нередко судят по некоторым косвенным показателям. Так, например, аморфные вещества при нагревании, в отличие от кристаллических, способны плавиться постепенно, не имея определенной температуры плавления; они обладают изотропностью, т. е. одинаковыми свойствами во всех направлениях. Упорядоченность расположения частиц наблюдается только в небольших элементах объема (ближний порядок). В этих зонах структура именуется как кристаллитная: между кристаллами, занимающими микрообъемы, находятся прослойки полностью аморфного вещества.
У кристаллических твердых тел имеются весьма значимые их признаки: фиксированная температура плавления — полного перехода в жидкое состояние; определенная геометрическая форма кристаллов, которая остается характерной для данного вещества; анизотропия, выраженная в неодинаковых свойствах по различным направлениям. Тепловой эффект кристаллизации — основной критерий этого фазового превращения.
Кристаллическое и аморфное строения могут быть присущи одному и тому же веществу, например кристаллический кварц (кристобалит) и кварцевое стекло имеют общий химический состав SiO2. Одно и то же кристаллическое вещество может находиться в различных формах (модификациях) существования кристаллов, что известно под названием полиморфизма. Полиморфизм вызывает изменение свойств при сохранении постоянным состава вещества, что лишний раз указывает на важнейшую роль структур в становлении качества материала. Так, например, алмаз и графит, являясь кристаллическими модификациями углерода, обладают различной твердостью: алмаз применяют при бурении прочных горных пород, графит — мягок и используется как смазка или стержень карандаша. Другой пример — кристаллические модификации железа, получающиеся при его нагревании и охлаждении: при высокотемпературной форме кристаллов железо способно сравнительно много растворять углерода, тогда как при низкотемпературной — углерод практически не растворим, а при охлаждении железа из растворенного состояния углерод переходит в механическую примесь. При модификации кристаллических тел изменяются и другие свойства.
Структура не остается неизменной, «застывшей». Она непрерывно претерпевает изменения в пространстве и во времени. Этому способствует, в частности, постоянное движение элементарных частиц, взаимодействие материала с окружающей средой, переход вещества из одного состояния в другое под влиянием перераспределения связей между атомами в молекулах, изменения в структуре молекул и других химических форм движения элементарных частиц. Относительная стабильность структуры и внешней формы макроскопических тел обусловлена определенными связями и отношениями структурных элементов, а формы изменений и переходов их состояний проявляются в неизбежных тепловых, тепломассообменных явлениях, процессах кристаллизации и т. п.
Микроструктураи кинетика ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. Сравнительно простым измерением, производимым на плоскости наблюдения, устанавливается расчетным путем содержание некоторого ключевого элемента структуры в объеме материала[12].
В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры делятся на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.
Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами — ван-дер-ваальсовые силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.
Конденсационными называют структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей.
Кристаллизационными (или кристаллическими) называют структуры, образовавшиеся путем выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей.
Академик П.А. Ребиндер, разделивший микроструктуры на эти три разновидности, отмечал возможным, и даже более типичным образование смешанных структур как совокупности двух или трех однородных, например кристаллизационно-коагуляционной и др. При определенных условиях возможен самопроизвольный (спонтанный) переход с различной скоростью коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную и др. С реальным характером микроструктур связаны в известной мере представления об их качественных характеристиках. Так, например, при коагуляционных структурах почти всегда наблюдается пониженная прочность вещества, способность к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные и, особенно, кристаллизационные структуры придают веществу повышенную прочность, но вместе с тем и усиливают хрупкость, снижают тиксотропность. Некоторые модификации кристаллов одного вещества могут иметь низкую (например, графит) и очень высокую (например, алмаз) твердость и прочность.
Микроструктура в ИСК распространяется на вяжущую часть. Для придания вяжущему веществу необходимого качества вводят дополнительные активные компоненты — добавки. Размеры их частиц соизмеримы с размерами частиц исходных вяжущих веществ и возникающих новообразований, поэтому они являются элементом микроструктуры ИСК.
Иногда весьма значительный объем в микроструктуре занимают поры — замкнутые и сообщающиеся, или те и другие одновременно различного происхождения, что зависит от разновидности цементирующего вещества. Поры бывают мелкими, например до (1—2)•10-7 см, как правило, замкнутыми, возникшими в результате усадочных явлений; более крупными после, например, испарения капиллярной влаги (капиллярные поры) с размером в поперечнике до 5•10-3 см, открытыми или сообщающимися между собой; еще более крупными (макропоры), условно принимаемыми сферической формы, размером от 50—100 мкм до 2—5 мм. Количество крупных пор зависит от того, как они возникли в вяжущем веществе: непроизвольно или преднамеренно. При непроизвольном вовлечении воздуха в период приготовления смеси их количество обычно невелико (2—5%). Если они возникают под влиянием специально вводимых воздухововлекающих или порообразующих добавок, то в поризованном вяжущем веществе может сосредоточиваться до 50% и более по объему сферических (ячейковых) пор, чаще всего замкнутых.
В микроструктурах могут встречаться другие виды неплотностей. Их относят обычно к дефектам микроструктуры, которые отрицательно влияют на качество материала. Среди них: дефекты кристаллической решетки в виде так называемых вакансий, вызванных «испарением» атома из узла решетки, или в виде дислоцированных атомов, т. е. перемещенных в междоузлии кристаллической решетки, или в виде примесей в кристаллической решетке с значительным искажением качества вещества по сравнению с чистыми и сверхчистыми веществами. Особо опасными являются дефекты в виде ммкротрещин, способных под нагрузками расти и переходить в макротрещину или магистральную трещину, схватывающую макрообъемы кристаллических агрегатов и тел.
Кроме вяжущего вещества, микродисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности другого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материала и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности сцепления контактируемых веществ и пр. Различие в качестве приповерхностного слоя и остального объема вяжущего не является скачкообразным, а довольно плавным. .
«Укладка» микрочастиц происходит компактно, по известному физико-химическому принципу наиболее плотной упаковки. Этот принцип характеризуется тем, что при укладке атомов, ионов или молекул в кристалле возникает наименьшее остаточное, свободное пространство. Однако такой принцип применим не ко всем видам кристаллов, так как при плотной упаковке может возникнуть меньшая устойчивость равновесия, которая зависит от направления валентностей контактируемых частиц.
Макроструктура ИСК различима невооруженным глазом. Она образована под влиянием цементирующей способности вяжущего вещества, благодаря чему полизернистые или иной формы частицы заполнителя — волокнистые, пластинчатые, угловатые, шарообразные и т. п. — скрепляются между собой в общий монолит. В макроструктуре содержится также капиллярно-поровая часть, причем макродисперсные поры и капилляры в ячеистых бетонах в виде замкнутых ячеек, заполненных газовой или воздушной средой, являются как бы своеобразной разновидностью заполнителя.
Подобно компактной упаковке дискретных частичек в микроструктуре вяжущих веществ смесь грубозернистых заполнителей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе связующих веществ, как наиболее дорогостоящих компонентов, и уменьшать усредненную толщину континуального слоя вяжущего вещества в конгломерате.
С этой целью зернистые заполнители предварительно разделяют на фракции по размерам, а затем опытным или расчетным путем находят содержание каждой фракции в плотной смеси заполнителя ИСК, которые следуют либо непрерывно друг за другом и с получением, следовательно, непрерывного гранулометрического состава, либо с исключением некоторых фракций и с получением прерывистого гранулометрического состава смеси. Своеобразный метод подбора гранулометрического состава плотной смеси, пригодный для заполнителей безобжиговых и обжиговых ИСК, предложен П.И. Боженовым. В основе этого метода лежит прерывистая гранулометрия. Им установлено, что соотношение размеров зерен двух любых смежных фракций заполнителя в идеальном случае (при шарообразной форме зерен) равно:
Свойства и структура материалов. Учебный фильм
