МАТЕРИАЛОВ. Химический, минералогический состав материалов

Химический, минералогический состав материалов. СМ характеризуется химическим и минералогическим составом. Химический состав характеризует соотношение оксидов, содержащихся в материале. Химический состав определяет такие свойства как огнестойкость, биостойкость, механические характеристики и др.

Пример: Химический состав портландцемента:

CaO 63-66 %; SiO₂ 21-24 %; Al₂O₃ 4-8 %; Fe₂O₃ 2-4 %.

Однако оксиды в чистом виде в материале присутствуют редко. Как правило, основные и кислые оксиды связаны между собой и образуют минералы, которые и определяют многие свойства материала.

Минеральный (минералогический) состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в материале.

Пример: минералогический состав портландцемента:

3CaO∙ SiO₂ (алит) – 45-60 %;

2СаО∙ SiO₂ (белит) – 20-30 %;

3СаО∙ Al₂O₃ (трехкальциевый алюминат) 4-12 %;

4СаО∙ Al₂O₃∙ Fe₂O₃ (четырехкальциевый алюмоферрит) 10-20) %.

Макро-, микроструктура и внутреннее строение. Строение материала изучают на трех уровнях:

1) макроструктура материала - строение, видимое невооруженным глазом;

2) микроструктура материала – строение, видимое в оптический микроскоп;

3) внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне. Изучается методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.п.

Макроструктура. При визуальном осмотре материалов выявляют зоны и участки, различающиеся пористостью, окраской, зерновым составом и другими особенностями, а также различные дефекты структуры в виде трещин, каверн и тп. Макроструктура твердых строительных материалов может быть следующих типов:

- искусственные конгломераты – соединение разнородных веществ, обычно в виде зерен, кусков различной формы и размеров. Такая структура характерна для тяжелых бетонов;

- ячеистая структура характеризуется наличием макропор (размером до 2-3 мм), свойственна газо- и пенобетонам, ячеистым массам;

- мелкопористая структура характеризуется наличием мелких пор, свойственна керамическим материалам;

- волокнистая структура присуща материалам, сложенным из волокон (древесина, стеклопластик, минеральная вата). Особенность материалов с данной структурой является резкое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон;

- слоистая структура предполагает наличие в материале нескольких слоев. Отчетливо выражена у рулонных, листовых, плитных материалов, в частности пластмасс со слоистым наполнителем (бумопласта, текстолита и др.);

- рыхлозернистая структура имеют сыпучие порошкообразные материалы, состоящие из большого количества несвязанных зерен или мелких частиц – характерна для материалов, являющихся заполнителями для бетона.

Микроструктура строение вещества, различимое с помощью оптических приборов. Классически выделяют три типа кристаллическая, аморфная, смешанная.

Кристаллическая структура – упорядоченная, наиболее устойчивая форма агрегатного состояния вещества. Атомы веществ, обладающих кристаллической структурой, занимают в пространстве вполне определенные места. Благодаря упорядоченному расположению атомов в пространстве, их центры можно соединить воображаемыми прямыми линиями. Совокупность таких пересекающихся линий представляет пространственную решетку, которую называют кристаллической решеткой. Сами вещества будут называться кристаллическими.

Аморфное состояние – промежуточное состояние между двумя периодами существования кристаллической структуры: до полной кристаллизации и в стадии активного распада. Вещества с аморфной структурой характеризуются беспорядочным расположением атомов, они не занимают определенного места друг относительно друга. Такие вещества называются аморфными.

Аморфные вещества обладают формальными признаками твердых тел, т.е. они способны сохранять постоянный объем и форму. Однако они не имеют определенной температуры плавления или кристаллизации.

а) б)

Рис. 1 Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе

Два вещества могут характеризоваться одной и той же химической формулой, но обладать разной структурой. Например, кристаллический кварц и различные формы аморфного кремнезема. По степени распространенности среди твердых тел основным является кристаллическое состояние. Вещества в форме кристаллов обладают меньшей поверхностной и внутренней энергией, чем в аморфном состоянии, и поэтому более устойчивы. Характерной особенностью кристаллических тел является то, что механические, электрические и другие свойства зависят от направления в кристалле (анизотропия), тогда как физические свойства аморфного вещества одинаковы в любых направления (изотропность).

Аморфная форма вещества при определенных условиях переходит в кристаллическую.

Внутреннее строение веществ, составляющих материал, определяет механическую прочность, твердость, тугоплавкость и другие важные свойства материала.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала, различают по характеру связи между частицами, образующими пространственную кристаллическую решетку. Ковалентная связь, осуществляется обычно электронной парой. Материалы, обладающие такой связью (кварц, алмаз, карбиды, нитриды), характеризуются высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью.

Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в которых связь имеет преобладающе ионный характер: гипс, ангидрид. Такие материалы имеют невысокую прочность, твердость, неводостойки.

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах, присутствует и ионная и ковалентная связь.

Например, кальцит СаСО₃. Внутри сложного иона СО₃^2- связь ковалентная, но он сам имеет с ионами Са²⁺ ионную связь.

Это соединение обладает высокой прочностью, но низкой твердостью.

Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру, построенную из тетраэдров SiO₄, связанных между собой общими вершинами (общими атомами кислорода) и образующих объемную решетку.

Атомно-кристаллическое строение металлов. Металлы и сплавы в твердом состоянии обладают кристаллической структурой. Атомы в них расположены закономерно в узлах кристаллической решетки. Связь в металлах электростатическая, обусловленная силами притяжения и отталкивания между положительно заряженными ионами (атомами) и коллективизированными электронами проводимости. Атомы в решетке стремятся занять положение, соответствующее минимуму энергии, образуя плотнейшие упаковки – кубическую объемно- и гранецентрированную и гексагональную.

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких кристаллов неправильной формы (кристаллитов). Кристаллиты различно ориентированы, поэтому во всех направлениях свойства металлов более или менее одинаковы (изотропность).

Дефекты кристаллической решетки. В решетке реального вещества могут находиться различные дефекты. Все дефекты кристаллической решетки принято делить на точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты (нульмерные) соизмеримы с размерами атомов. К ним относятся вакансии, т. е. незаполненные узлы решетки (в которых атомы отсутствуют в результате их перехода на поверхность кристалла), межузельные атомы данного металла (т.е. атом, образовавший вакансию, нашел новое место), примесные атомы замещения (т. е. атомы, по диаметру соизмеримые с атомами данного металла) и примесные атомы внедрения, имеющие очень малые размеры и поэтому находящиеся в междоузлиях. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород.

в) г)

Рис. 2 Точечные дефекты а- вакансия; б- межузельный атом; в- внедрение; г - замещение

Перемещаясь беспорядочно по кристаллической решетке, вакансии встречаются и скапливаются, образуя другой вид дефектов решетки, который называется дислокация. Этот вид дефектов относится к линейным (одномерным) дефектам. Наиболее распространены дислокации двух типов: линейные или краевые и винтовые или спиральные. Дислокации можно легко представить путем смещения одной части кристалла по отношению к другой, но не по всей плоскости, а только по ее части. При этом часть соседних атомов в плоскости смещается по отношению к своим соседям, а часть плоскости остается без нарушения взаимного расположения атомов.