Некоторые особенности микро- и макроструктуры строительных материалов

Знание строения строительного материала необходимо для понимания его свойств и в конечном итоге для расширения практического вопроса, где и как применить материал, чтобы получить наибольший технико-экономический эффект.

Строение материала изучают на трех уровнях:

  • 1. Микроструктура материала — строение, видимое в оптический микроскоп.
  • 2. Макроструктура материала — строение, видимое невооруженным глазом.
  • 3. Внутреннее строение веществ, составляющих материал, на молекулярно-ионном уровне, изучаемом методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т. п.

Микроструктура материала, определяемая формой, размерами и взаимным расположением комплексов атомов и молекул, открывает возможности более полной характеристики технологических и эксплуатационных свойств используемого материала.

Так, при изучении микроструктуры кожи, волокнистых материалов могут быть более полно освещены вопросы механических свойств, пористости, водопроницаемости, теплопроводности и др.; данные о микроструктуре металлов составляют важнейший раздел учения о физико-механических свойствах металлов и их сплавов.

При товароведных исследованиях микростроение материала определяется при микроскопическом наблюдении.

Современные микроскопы дают увеличение до 5000 раз, вследствие этого область исследования структуры вещества значительно расширяется.

В обычной практике товароведных исследований работают при увеличениях в 200—300 раз; более сильное увеличение применяется при глубоких исследованиях вещества.

Микроанализ внутренней структуры вещества требует сложной подготовки препарата для исследования. Специальные приспособления к микроскопу — объектомикрометр для определения размера частиц, приборы для зарисовки и фотографирования и др. — позволяют точно определить размеры частиц материала, их форму и расположение. Большое значение в микроанализе играют микрохимические методы, позволяющие с помощью химических реакций, наблюдаемых под микроскопом, судить о химическом составе отдельных частиц, а также о характере их взаимодействия с различными реагентами.

Существуют различные микроскопы для специальных целей: микроскопы, позволяющие видеть объемное изображение предмета, микроскопы с верхним или боковым освещением для исследования непрозрачных материалов, поляризационные микроскопы и др. Лучшие микроскопы дают возможность видеть частицы, радиус которых не меньше 0,2 мкм. Это предельная разрешающая сила микроскопа при использовании ультрафиолетовой части спектра. Для более сильных увеличений применяются ультрамикроскопы. Принцип ультрамикроскопии основан на том, что изучаемый препарат рассматривается не в прямом свете, как обычно, а в боковом, отраженном. Хотя ультрамикроскоп и дает возможность обнаружить частицы с радиусом до 0,005 мкм, а иммерсионный — до 0,002 мкм, он не позволяет видеть непосредственно размер и форму частиц.

Около пятидесяти лет назад был изобретен новый увеличительный прибор — электронный микроскоп, в котором специально подготовленный исследуемый препарат помещают в поток электронных лучей, получая изображение предмета на специальном экране, на который падает электронный луч.

Современные электронные микроскопы дают увеличение в 20~40 тыс. раз, с оптическим увеличением в 4—5 раз, это дает полезные увеличения в 100-200 тыс. раз.

Электронный микроскоп получает все большее применение в различных областях науки и техники — в биологии, химии, в металловедении при исследовании структуры поверхности металлов, при изучении строения различных веществ—волокон, каучука и др.

Необходимо подчеркнуть, что понятие “микроструктура” очень условно, так как в зависимости от степени увеличения будут наблюдаться разные по размерам комплексы молекул и кристаллики. Кроме того, некоторые комплексы молекул не могут быть наблюдаемы даже под электронным микроскопом, и по нашей группировке эти комплексы следует отнести к внутренней структуре.

Макроструктура материала характеризуется расположением, формой и размерами больших групп молекул или составных частей материала при наблюдении невооруженным глазом или под лупой.

В зависимости от вида материала понятие о его макроструктуре имеет то или иное содержание, что необходимо иметь в виду при использовании этого понятия. Так, в понятиях макроструктуры металла и текстильной ткани имеется существенное различие: для металла макроструктура характеризуется видимым расположением кристалликов вещества, их размерами, формой и другими показателями, определяющими рисунок поверхности и характер излома; для ткани макроструктура формируется в зависимости от строения составляющих нити волокон, нитей, их взаимного переплетения и некоторых других факторов, определяющих видимое строение материала. В товароведных оценках материала — его внешнего вида, отдельных потребительных свойств -— данные о макроструктуре могут играть весьма существенную роль.

Макроструктура твердых строительных материалов (природные каменные материалы сюда не относятся, так как горные породы имеют собственную геологическую классификацию) может быть следующих типов: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая, рыхлозернистая (порошкообразная).

Искусственные конгломераты — это обширная группа, объединяющая бетоны различного вида, ряд керамических и других материалов.

Ячеистая структура характеризуется наличием макро- пор, свойственных газо- и пенобетонам, пеностеклу, ячеистым пластмассам.

Мелкопористая структура свойственна, например, керамическим материалам, поризованным способами высокого водоза- творения и введением выгорающих добавок.

Волокнистая структура отчетливо выражена у рулонных, листовых, плитных материалов, в частности, у пластмасс со слоистым наполнителем (бумпласта, текстолита и др.).

Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетона, зернистые и порошкообразные материалы для мастичной теплоизоляции, засыпок и др.

Макроскопически могут быть изучены величина, форма и расположение слоев в древесине, отдельные, достаточно крупные кристаллы в сплаве и др.

Макроскопия играет большую роль в обнаружении различных видов дефектов в материалах, как то: неоднородности сплавов, инородных вкраплений в материалах. Макроанализу подвергается внешняя поверхность материала, а также его срезы. Иногда исследуемую поверхность материала обрабатывают специальными реактивами для более четкого наблюдения отдельных частиц.

Необходимо отметить, что не всегда удается провести грань между микро- и макроструктурой.

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. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или различных элементов, как в Si02); ионами (разноименно заряженными как в СаС03, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь осуществляется обычно электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмаз, графит) и в кристаллах некоторых соединений из двух элементов (кварц, карборунд, другие карбиды, нитриды). Такие материалы выделяются очень высокой механической прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах тех материалов, в которых связь имеет преобладающе ионный характер. Распространенные строительные материалы этого типа гипс и ангидрид имеют невысокую прочность и твердость, не водостойки.

В сложных кристаллах, часто встречающихся в строительных материалах (кальцит, полевые шпаты), осуществляются ковалентная и ионная связи. Внутри сложного СО2- связь ковалентная, но сам он имеет с ионами Са2+ ионную связь. Свойства подобных материалов весьма разнообразны. Кальцит СаС03 при достаточно высокой прочности обладает малой твердостью. У полевых пшатов сочетаются довольно высокие показатели прочности и твердости, хотя и уступающие кристаллам алмаза с чисто ковалентной связью.

Молекулярные кристаллические решетки и соответствующие им молекулярные связи образуются преимущественно в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными. Кристалл этих веществ построен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга сравнительно слабыми вандерваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (как в кристаллах льда). При нагревании связи между молекулами легко разрушаются, поэтому вещества с молекулярными решетками обладают низкими температурами плавления.

Силикаты, занимающие особое место в строительных материалах, имеют сложную структуру, обусловившую их особенности. Так, волокнистые материалы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между собой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические воздействия, недостаточные для разрыва цепей, разделяют такой материал на волокна. Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки.

Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров Si04, связанных между собой общими вершинами (общими атомами кислорода) и образующих объемную решетку. Это дало основание рассмотреть их как неорганические полимеры.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >