Повна версія

Головна arrow Техніка arrow Будівельне матеріалознавство. Т 1

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

СТРУКТУРА БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ І ВИРОБІВ

Під структурою, або внутрішньою будовою будівельних матеріалів, як і інших фізичних тіл, розуміють просторове розташування частинок різного ступеня дисперсності, що знаходяться в стійких взаємних зв'язках (первинних або вторинних) з певним порядком зчеплення їх між собою. У поняття структури входять, крім того, розмір і розташування пір, капілярів, поверхонь розділу фаз, мікротріщин та інших елементів. У структурі ІБК є мікродісперсний і макродісперсная частини.

Під мікроструктурою мається на увазі розташування, взаємовідношення і взаємозв'язок різних або однакових за розміром атомів, іонів і молекул, з сукупності яких складаються речовини в певних агрегатних станах. Сформоване атомно-молекулярну будову, що знаходиться у відносно стійкій рівновазі, зумовлює макроскопічні особливості матеріалу. На макроскопічному рівні також встановлюється в тій чи іншій мірі стійке розташування, взаємозв'язок і порядок зчеплення макромолекул, міцел, кристалів, кристалічних уламків і зростків, аморфних і інших порівняно великих частинок і елементів, що становлять матеріали, а також співвідношення компонентів, фаз і поверхонь розділу більш складної матеріальної системи - конгломерату (композиційного матеріалу).

Основною формою розташування мікрочастинок в просторі є кристалічна решітка. Кожному типу зв'язку відповідає свій характерний тип кристалічної решітки, а саме: іонна решітка; молекулярна, або поляризационная решітка, яка формується за допомогою сил Ван-ДСР-Ваальса; атомна з різко вираженою ковалентним зв'язком; металева; решітка з водневими зв'язками. Особливістю твердих тіл є взаємозалежність, або кореляція, положень сусідніх атомів з ближнім і дальнім порядками. У кристалічних решітках дальній порядок поширюється на великі області, а ближній - на оточення даного атома. У реальних умовах у кристалів зазвичай є відхилення від ідеальної геометричної форми внаслідок ряду побічних явищ в процесах затвердіння.

Тверді речовини, нс володіють кристалічною структурою, відносяться до аморфним. Найпоширеніший представник аморфних тіл - скло. Безладне розташування атомів і молекул в аморфних тілах ускладнює їх структуру. Про неї нерідко судять за деякими непрямими показниками. Так, наприклад, аморфні речовини при нагріванні, на відміну від кристалічних, здатні плавитися поступово, не маючи певної температури плавлення; вони мають ізотропною, т. е. однаковими властивостями у всіх напрямках. Впорядкованість розташування частинок спостерігається тільки в невеликих елементах обсягу (ближній порядок). У цих зонах структура іменується як крісталлітная: між кристалами, які займають мікрооб'єми, знаходяться прошарку повністю аморфного речовини.

У кристалічних твердих тіл є дуже значимі їх ознаки: фіксована температура плавлення - повного переходу в рідкий стан; певна геометрична форма кристалів, яка залишається характерною для даної речовини; анізотропія, виражена в неоднакових властивості за різними напрямками. Тепловий ефект кристалізації - основний критерій цього фазового перетворення.

Кристалічний і аморфне будови можуть бути притаманні одному і тому ж речовини, наприклад, кристалічний кварц (кристобалит) і кварцове скло мають загальний хімічний склад Si0 2 . Одне і те ж кристалічна речовина може перебувати в різних формах (модифікаціях) існування кристалів, що відомо під назвою поліморфізму. Поліморфізм викликає зміна властивостей при збереженні постійним складу речовини, що зайвий раз вказує на найважливішу роль структур у становленні якості матеріалу. Так, наприклад, алмаз і графіт, будучи кристалічними модифікаціями вуглецю, мають різну

твердістю: алмаз застосовують при бурінні міцних гірських порід, графіт - м'який і використовується як мастило або стрижень олівця. Інший приклад - кристалічні модифікації заліза, що виходять при його нагріванні і охолодженні: при високотемпературної формі кристалів залізо здатне порівняно багато розчиняти вуглецю, тоді як при низькотемпературної - вуглець практично не розчинний, а при охолодженні заліза з розчиненого стану вуглець переходить в механічну домішка. При модифікації кристалічних тіл змінюються і інші властивості.

Структура не залишається незмінною, "застиглою". Вона безперервно зазнає змін в просторі і в часі. Цьому сприяє, зокрема, постійний рух елементарних частинок, взаємодія матеріалу з навколишнім середовищем, перехід речовини з одного стану в інший під впливом перерозподілу зв'язків між атомами в молекулах, зміни в структурі молекул і інших хімічних форм руху елементарних частинок. Відносна стабільність структури і зовнішньої форми макроскопічних тел обумовлена ​​певними зв'язками і відносинами структурних елементів, а форми змін і переходів їх станів проявляються в неминучих теплових, тепломасообмінних явища, процеси кристалізації і т. П.

Мікроструктура і кінетика її зміни вивчаються за допомогою оптичних методів, електронної мікроскопії, диференційно-термічного аналізу, рентгенографії і ін. Порівняно простим виміром, виробленим на площині спостереження, встановлюється розрахунковим шляхом утримання деякого ключового елемента структури в обсязі матеріалу [1] .

Залежно від характеру зв'язків контактируемих частинок однорідні мікроструктури діляться на коагуляційні, конденсаційні і кристалізаційні.

Коагуляційний називають структури, в утворенні яких беруть участь порівняно слабкі сили молекулярної взаємодії між частинками - ван дер Ваальсових сили зчеплення, що діють через прошарку рідкого середовища.

Конденсаційними називають структури, що виникають при безпосередній взаємодії часток або під впливом хімічних сполук відповідно до валентностью контактують атомів або під впливом іонних і ковалентних зв'язків.

Кристалізаційними (або кристалічними) називають структури, що утворилися шляхом викрісталлізовиванія твердої фази з розплаву або розчину і подальшого прямого зрощення окремих кристалів в міцний їх агрегат, в тому числі під впливом хімічних зв'язків.

Академік П.А. Ребиндер, що розділив мікроструктури на ці три різновиди, відзначав можливим, і навіть більш типовим, освіту змішаних структур як сукупності двох або трьох однорідних, наприклад, центр кристалізації-коагуляционной і ін. При певних умовах може бути мимовільний (спонтанний) перехід з різною швидкістю коагуляционной структури в конденсаційно-кристалізаційну і ін. З реальним характером мікроструктур пов'язані певною мірою уявлення про їх якісних характеристиках. Так, наприклад, при коагуляційних структурах майже завжди спостерігається знижена міцність речовини, здатність до Тиксотропна відновленню структури, зруйнованої під впливом механічної дії, наприклад, вібрації. Конденсаційні і, особливо, кристалізаційні структури надають речовини підвищену міцність, але разом з тим і підсилюють крихкість, знижують тиксотропність. Деякі модифікації кристалів одного речовини можуть мати низьку (наприклад, графіт) і дуже високу (наприклад, алмаз) твердість і міцність.

Мікроструктура в ІБК поширюється на терпку частина. Для додання в'язкому речовині необхідної якості вводять додаткові активні компоненти - добавки. Розміри їх часток порівнянні з розмірами частинок вихідних в'яжучих речовин і виникають новоутворень, тому вони є елементом мікроструктури ІБК.

Іноді досить значний обсяг в мікроструктурі займають пори - замкнуті і сполучені, або ті та інші одночасно різного походження, що залежить від різновиду цементуючого речовини. Пори бувають дрібними, наприклад, до (1-2) -10 -7 см, як правило, замкнутими, що виникли в результаті усадкових явищ; більшими після, наприклад, випаровування капілярної вологи (капілярні пори) з розміром в поперечнику до 5-Ю ' 3 см, відкритими або сполученими між собою; ще більшими (макропори), умовно прийнятими сферичної форми, розміром від 50-100 мкм до 2-5 мм. Кількість великих пір залежить від того, як вони виникли в в'язкому речовині: мимоволі або навмисно. При мимовільному залученні повітря в період приготування суміші їх кількість зазвичай невелика (2-5%). Якщо вони виникають під впливом спеціально вводяться воздухововлекающих або пороутворюючих добавок, то в порізованому в'язкому речовині може зосереджуватися до 50% і більше за обсягом сферичних (осередкових) пір, найчастіше замкнутих.

У мікроструктурах можуть зустрічатися інші види нещільності. Їх відносять зазвичай до дефектів мікроструктури, які негативно впливають на якість матеріалу. Серед них: дефекти кристалічної решітки у вигляді так званих вакансій, викликаних "випаровуванням" атома з вузла решітки, або у вигляді дислокованих атомів, т. Е. Переміщених в междоузлии кристалічної решітки, або у вигляді домішок в кристалічній решітці з значним спотворенням якості речовини по порівняно з чистими і надчистого речовинами. Особливо небезпечними є дефекти у вигляді мікротріщин, здатних під навантаженнями рости і переходити в макротріщини або магістральну тріщину, схоплює макрооб'ємів кристалічних агрегатів і тел.

Крім в'язкої речовини, мікродісперсний структурою мають також приповерхневих шари або контактні зони в матеріалі, що відокремлюють скорозшивач від поверхні іншого компонента, наприклад, зерен заповнювача, фази один від одного. Склад і структура тонких контактних шарів (моно- і полімолекулярних) відрізняються від основного в'яжучого речовини. Відрізняється від інших обсягів матеріалу і якість цих шарів, так як воно залежить від прикордонних дефектів структури, міцності зчеплення контактируемих речовин тощо. Різниця в якості приповерхневого шару і решти обсягу, в'яжучого не є стрибкоподібним, а досить плавним.

"Укладання" мікрочастинок відбувається компактно, за відомим фізико-хімічному принципу найбільш щільної упаковки. Цей принцип характеризується тим, що при укладанні атомів, іонів або молекул в кристалі виникає найменше залишкове, вільний простір. Однак такий принцип можна застосувати не до всіх видів кристалів, так як при щільній упаковці може виникнути менша стійкість рівноваги, яка залежить від напрямку валентностей контактируемих частинок.

Макроструктура ІБК помітна неозброєним оком. Вона утворена під впливом цементуючою здатності в'язкої речовини, завдяки чому полізерністие чи іншої форми частинки заповнювача - волокнисті, пластинчасті, незграбні, кулясті і т. П. - Скріплюються між собою в загальний моноліт. У макроструктуру міститься також капілярно-поровая частина, причому макродісперсние пори і капіляри в бетонах у вигляді замкнутих осередків, заповнених газової або повітряним середовищем, є як би своєрідним різновидом заповнювач.

Подібно компактній упаковці дискретних частинок в мікроструктурі в'язких речовин суміш грубозернистих заповнювачів підбирають з найменшим обсягом зернових порожнеч, що дозволяє економити на витратах в'яжучих речовин, як найбільш дорогих компонентів, і зменшувати усереднену товщину континуальної шару в'язкої речовини в конгломераті.

З цією метою зернисті наповнювачі попередньо поділяють на фракції за розмірами, а потім досвідченим або розрахунковим шляхом знаходять зміст кожної фракції в щільній суміші заповнювача ІБК, які слідують абобезперервно один за одним і з отриманням, отже, безперервного гранулометричного складу, або з виключенням деяких фракцій і з отриманням переривчастого гранулометричного складу суміші. Своєрідний метод підбору гранулометричного складу щільною суміші, придатний для наповнювачів безвипалювальних і випалювальних ІБК, запропонований П.І. Боженова. В основі цього методу лежить переривчаста гранулометрія. Ним встановлено, що співвідношення розмірів зерен двох будь-яких суміжних фракцій заповнювача в ідеальному випадку (при кулясту форму зерен) одно:

де di - середній діаметр зерен будь і'-тій фракції, мм; dt * - середній діаметр зерен суміжній фракції, мм.

Кількість найбільшою по крупності зерен фракції Pi, що входить в заповнювач, чисельно дорівнює її середньої щільності в ущільненому стані: Pi = у 0 бі • V, де у <> бі - середня щільність, кг / м 3 ; V - об'єм фракції, м 3 .

Кількість всіх фракцій, наступних за найбільшою (для розміщення в тому ж обсязі V), визначають за формулою:

Тут: Р, - маса / тої фракції, кг; у - щільність матеріалу, кг / м 3 ; <p 2 , <рз, ..., ф / - коефіцієнти заповнення обсягу зернових порожнеч [2] .

Є і інші формули для розрахунку кількості фракції у (%), що проходить через сито з осередками розміром dt (мм) при розмірі найбільшої фракції суміші D (мм). Так, за формулою Андре- Асена у - ( dJD ) 0 ' 5 • 100; наприклад, для фракції d, = (0,2--0,1) мм і при D = 3 мм у = (0,15 / 3.00) 0 - 5 • 100 = 22%. Для вогнетривких матеріалів [49] щільна упаковка досягається при використанні формули: у = [а + (1-а) ( dilD) n ] ■ 100 (%), де а - коефіцієнт, що залежить від властивостей маси і вмісту в ній тонкомолотого компонента ( знаходиться в межах 0 <а <0,4); п - показник ступеня, що характеризує розподіл вузьких фракцій всередині Грубозерниста і тонкозернистой складових в суміші, що дорівнює 0,5--0,9. Так, наприклад, якщо D = 3,0 мм, di = 0,06 мм, а коефіцієнт а = 0,31, то у = 0,31 • (1-0,3) • (0,6 / 3,00 ) 0 ' 5 = 42%. Оптимальне значення величин а і п при заданому D знаходять дослідним шляхом.

Схеми розташування великих часток в структурах при визначенні коефіцієнтів упаковки

Мал. 2.11. Схеми розташування великих часток в структурах при визначенні коефіцієнтів упаковки

Якщо великі частки, наприклад, щебеню та гравію, зближені в такій мірі, що контактують безпосередньо один з одним або через тонкі прошарки в'язкої речовини, то сформована структура називається контактної. Якщо частинки розділені прошарками в'язкої речовини значною усередненої товщини, то макроструктуру прийнято називати порфіровою. У першому наближенні оцінити вид структури можна за коефіцієнтом упаковки. Під коефіцієнтом упаковки Ку розуміють величину, отримувану розподілом розміру проекції відстані (рис. 2.11) між сусідніми великими зернами (частками) на площину до їх діаметрами: K y = (l- d) ld, де / - проекція відстані між центрами сусідніх зерен ( частинок); d - діаметр частинок (зерен), для яких обчислюється цей коефіцієнт, а якщо частки (зерна) мають різний діаметр, то d - п + рр, де г і рр - радіуси сусідніх частинок (зерен). Позитивні значення коефіцієнта упаковки характеризують порфірова структуру, а негативні - контактну структуру. При ЛГ У = 0 спостерігається зіткнення часток один з одним без зачеплення, т. Е. Без заходу їх одна за іншу.

При максимальній щільною упаковці частинок кулястої форми і одного діаметра з кількістю їх 74% за обсягом коефіцієнт упаковки дорівнює -0,1. Збільшення кількості частинок в конгломераті (наприклад, щебеню) призводить до подальшого збільшення негативної величини коефіцієнта упаковки, т. Е. До більшого зачеплення або заходу щебінок один за одного, що характеризує законтактную структуру. Але на величину коефіцієнта упаковки впливає не тільки кількість, але і розмір великоуламкових частинок. Чим більше зерна, тим менша кількість щебеню потрібно для того, щоб коефіцієнт упаковки виявився негативною величиною.

При оцінці характеру структури замість коефіцієнта упаковки можна користуватися числовий величиною відношення обсягу заповнює частини до обсягу конгломерату. При відносинах, близьких до одиниці, структура є контактною.

Крім заповнювач в суміш нерідко додається порошкоподібний матеріал, частинки якого співмірні з розмірами частинок використовуваного в ІБК в'язкої речовини і новоутвореннями - кристалічними, аморфними, крісталлітнимі і ін. Їх називають наповнювачами.

Заповнювачі і наповнювачі можуть бути активними, неактивними або малоактивними. До активних належать ті, які при

додаванні до в'язкому речовині підвищують міцність ІБК оптимальної структури хоча б по одному виду напруг - стиску, розтягування, зрушення і т. п.

Зміцнення в'язкої речовини при використанні активного заповнювач (наповнювача) відбувається під впливом додаткових фізико-хімічних або хімічних взаємодій контактируемих речовин або внаслідок армуючого ефекту (наприклад, при волокнистих різновидах заповнювач або наповнювача).

Неактивні або малоактивні різновиди заповнювачів і наповнювачів не тільки не сприяють зміцненню оптимальної структури ПОЗОВ у міру збільшення їх змісту, а й знижують характеристики міцності. Ступенем активності цих компонентів конгломератной суміші можливо керувати за допомогою твердих або рідких активизаторов і ПАР, збагаченням, дробленням округлих (наприклад, гравійних, галькових) зерен, мінералізацією (наприклад, при використанні органічних наповнювачів в поєднанні з неорганічними в'яжучими речовинами), промиванням, рифленням, распушку і т. п. на стадіях підготовчих робіт прийнятого технологічного процесу. Нижче (див. Гл. 3) наведена формула міцності ІБК оптимальної структури, в якій числове значення статечного показника п досить повно відображає якісну характеристику заповнювач і розміри зміни міцних показників конгломератів під впливом використовуваних способів активізації та ущільнення суміші. Одна з важливих технологічних завдань на виробництві - всебічне зниження числового показника п.

З викладеного випливає, що всі ІБК мають мікро- і макроструктура. Іноді ще при необхідності умовно виділяється мезоструктур, т. Е. Проміжна по дисперсності частинок між мікро- і макрочастки. Само собою зрозуміло, що такий підрозділ монолітної структури ІБК є чисто умовним. В реальних умовах виділити такі структурні елементи без руйнування монолітності всієї системи не можна. Структура ІБК, тим більше оптимальна, становить єдину, неподільну, цільну систему. Однак уявне виділення окремих її частин з монолітної структури має велике методологічне значення, так як дозволяє з деяким наближенням моделювати розрахункові реологічні схеми, відповідні їм математичні формули по визначенню якісних показників, які залежать від фізичних характеристик згаданих основних структурних елементів. На технологічній стадії виготовлення ІБК умовний поділ структури на дві-три частини може бути використано і для практичних цілей, наприклад, при виконанні операцій так званої роздільної технології, коли приготовлену терпку частина певного складу з'єднують за допомогою спільного перемішування з підготовленою окремо заповнює частиною [3] . Однак, незалежно від послідовності чергування операцій в технологічний період з урахуванням всіх їх позитивних і негативних особливостей, сформована структура після затвердіння в'яжучого елемента і ІБК в цілому стає монолітною, єдиною і неподільною.

Неодноразово проводилися дослідження показали, що при селективному (вибірковому) розчиненні мікро- і макроструктурних частин конгломерат або повністю руйнувався, або майже повністю втрачав свої якісні показники. Тому іноді використовується вираз для характеристики конгломерату (композиційного матеріалу) як "структура в структурі" можна відносити тільки до комбінованих систем, згаданим в класифікації ІБК (див. Рис. 1.1); до них належать виготовлені ІБК, просочені на наступній стадії технології ще й іншим в'язкою речовиною із заповненням порожнин, і утворенням другої безперервної просторової сітки в'язкої речовини, наприклад, в цементополімербетонах. Утворюються дві взаємозалежні структури, які можливо не тільки в думках, але і практично відокремити один від одного, хоча, природно, з деяким погіршенням якості комбінованого конгломерату.

Єдина і монолітна структура конгломерату може бути оптимальною і неоптимальною.

Оптимальна структура характеризується: рівномірним розподілом за обсягом заповнювача, фаз, компонентів, пор і інших складових її елементів; відсутністю або мінімальним вмістом дефектів як концентраторів напружень або акумуляторів агресивного середовища; наявністю безперервної просторової сітки, або матриці, з в'язкої речовини; мінімальним значенням відношення маси середовища до маси твердої фази, іменованого умовно як фазовий відношення; найбільшою щільністю упаковки твердих частинок як в мікро-, так і в мак рострами ктурной частинах. Якщо в матеріалі відсутні в'яжучі прошарку, то однією з умов оптимальності структури служить найбільша поверхня контактування і взаємозв'язку твердих частинок або її зменшення, якщо хімічні зв'язки, наприклад, ван дер Ваальсових, не забезпечують ефективного зміцнення контактів.

Не завжди виріб має однакову оптимальною структурою у всіх своїх деталях, наприклад, поверхневий шар може відрізнятися від його внутрішньої частини. Однак оптимальна структура завжди є відображенням прийнятих технологічних особливостей формування її в виробничих умовах.

Неоптимальними називають структури, які не задовольняють хоча б одній з вищевказаних обов'язкових умов оптимальності.

При однаковій технології виготовлення суміші та вироби, інших однакових умовах можна отримати необмежену кількість неоптимальних структур, набагато менше - оптимальних і одну-дві - раціональних. До останніх відносяться оптимальні структури, при яких конгломерат в повній мірі відповідає заданим і притому екстремальним показниками якості, а також реальними параметрами виробництва. При проектуванні важливо зупинитися на складі, при якому структура, сформована при даній технології і при прийнятих режимах, є не тільки оптимальною, але і раціональної.

Оптимальним структурам відповідають поліпшені показники якості матеріалів в порівнянні з неоптимальними структурами. Це покращена якість зумовлено підвищеною щільністю, мінімальною кількістю рідкого середовища, підвищеною концентрацією твердої, наприклад, кристалічної, фази, мінімумом обсягу пір в контактних зонах і поруч інших причин, особливо енергетичного характеру. При оптимальних структурах вільна енергія Гіббса і вільна енергія Гельмгольца стають мінімальними, так як переходять в більш ефективні форми зв'язку.

У теорії ІБК розроблений, а в практиці використовується загальний метод проектування оптимальних складів та оптимальних структур різних безвипалювальних і випалювальних матеріалів (див. Гл. 3). З його допомогою отримують з прийнятих компонентів матеріал, що задовольняє заданим технічним вимогам при оптимальній структурі, т. Е. Екстремальним показниками якості.

Гідність оптимальних структур полягає також в подобі їх між собою, що означає, зокрема, принципову спільність закономірності, розкривається по відношенню до будь-якого одного матеріалу. Про подобі матеріалів оптимальної структури викладено в 3.3.

В даний час уточнюються нормативні параметри оптимальних структур і технічних властивостей замість застарілих стандартів [4] .

  • [1] Обґрунтованим вибором елементів структури і кількісною оцінкою їх змісту в структурі займається спеціальна наука - стереологія.
  • [2] Боженов П.І. Поліпшення якості конгломератних матеріалів фракционированием заповнювач // Будівельні матеріали. 1978,9.
  • [3] Роздільна технологія в 1920-х роках була вперше запропонована д.т.н., проф. П.В. Сахаровим стосовно виробництва асфальтобетону.
  • [4] Рибьев І.А. Типізація параметрів замість застарілих стандартів. Вісник БІТУ ім. В.Г. Шухова, № 5, 2003
 
<<   ЗМІСТ   >>