- •1. Основные свойства материалов
- •1.1. Строение вещества
- •1.2. Свойства поверхности
- •1.3 Свойства объема
- •1.4. Сопротивление деформации при нагружении.
- •1.5. Сопротивление разрушению
- •1.5.1 Трещиностойкость
- •1.5.2. Длительная прочность при механическом нагружении
- •1.5.3 Кратковременная прочность при механическом нагружении
- •1.5.4 Дополнительные характеристики сопротивления разрушению
- •1.6 Классификация строительных материалов
- •2. Минералы и горные породы
- •2.1. Классификация
- •2.2. Иллюстрация важнейших свойств минералов
- •2.4 Структура изверженных горных пород
- •2.6. Вулканообломочные горные породы
1. Основные свойства материалов
1.1. Строение вещества
Состояние и свойства однородного вещества при заданных условиях определяются не только соотношением атомов элементов в молекуле, но и длиной молекулы, т.е. молекулярной массой. Пример тому - мономеры и получаемые из них полимеры, молекулы которых состоят из сотен тысяч атомов (макромолекулы).
Твердые вещества бывают кристаллическими, аморфными или аморфно-кристаллическими. Кристаллическое тело может состоять из отдельного кристалла - монокристалла - или большого числа мелких кристаллов (зерен), соединенных между собой - поликристаллическое состояние (металл, керамика, горная порода и т.д.). Монокристаллы обычно анизотропны, их свойства зависят от направления.
В кристалле атомы занимают положения, называемые узлами кристаллической решетки, которая состоит из периодически повторяющейся элементарной ячейки - дальний порядок. Локальные отклонения от регулярного расположения частиц называют дефектами кристаллической решетки. Незанятые узлы решетки (вакансии), смещение атома из узла в междоузлие, внедрение в решетку чужеродного атома или иона называют точечными дефектами.
Существуют и линейные дефекты, возникающие при искажении кристаллической решетки в ряде соседних элементарных ячеек (дислокации и двойники).
У аморфного тела (стекла) определенный порядок расположения атомов соблюдается только в пределах элементарной ячейки - ближний порядок, Аморфное вещество часто называют переохлажденной жидкостью, так как ближний порядок существует и в жидкости. Вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии в зависимости от скорости охлаждения. Например, в кристалле и стеклообразном кварце элементарная ячейка построена в виде тетраэдра, в центре которого находится атом кремния, а в вершинах - атом кислорода. В аморфном кварце эти ячейки хаотически повернуты, В кристалле же все тетраэдры расположены под одним пространственным углом и сохраняю- плоскостную симметрию, что обуславливает правильное чередование атомов Si и О.
Аморфные вещества не имеют четко выраженной температурь плавления и переходят из твердого состояния в жидкое, постепенно размягчаясь. Некоторые вещества имеют смешанную аморфно- кристаллическую структуру, например, керамические материал (неорганические материалы, полученные объединением неметаллических частиц).
Однородную по химическому составу и физическим свойствам часть объема вещества называют фазой. Причем непрерывная фаза является дисперсионной средой, а распределенная в ней - дисперсной фазой. Строительные материалы, как правило, двух- или многофазные системы. Раздробленность дисперсной фазы характеризуют удельной поверхностью S, т.е. отношением межфазовой поверхности к объему дисперсной фазы; S обратно пропорциональна линейному размеру 6 частиц и имеет размерность L 1 S=p/5, где р>6 - безразмерный коэффициент, равный 6 для частиц в форме шара с диаметром 5 или в форме куба с ребром 6. При 5=1мкм 5=6-104 см"1, т.е. поверхность 1 см3 вещества, раздробленного до 6=1 мкм увеличивается с 6см2 до 60000см2- в 10000 раз.
По размеру дисперсной фазы вещества разделяют на грубодисперсные (более 0,1мм),тонкодисперсные (10...100мкм). микрогетерогенные (0,1-10мкм), а также ультрамикрогетерогенные. или золи и гели (коллоидные, т.е. клеевидные растворы, например, молекулы полимера с размерами 1+100нм в органической жидкости).
По сравнению с молекулами дисперсионной среды частички дисперсной фазы обычно велики, что позволяет рассматривать их как островки со своим граничным слоем. Когда размеры частиц соизмеримы с толщиной граничного слоя (1-И0 нм) система становится предельно дисперсной. В таких системах резко выражены свойства, определяемые своеобразием поверхностных слоев на границе фаз.
Таблица
1.1
Гетерогенность
- неоднородность; противоположность
гомогенности.
Газы
в обычных условиях взаимно растворимы
и образуют гомогенную, а не коллоидную
систему.
Дисперсионная среда |
Дисперсная фаза |
Обозначение |
Название системы |
Газ (Г) |
Г Ж Т |
Г/Г Ж/Г Т/Г |
Туман, пар Дым, пыль |
Жидкость (Ж) |
Г Ж т |
Г/Ж Ж/Ж Т/Ж |
Пена Эмульсия Суспензия |
Твердое тело (Т) |
Г Ж Т |
Г/Т Ж/Т Т/Т |
Композиты Пористое тело Твердая эмульсия Сплав, камень и т.д. |
Наличие граничных слоёв служит признаком гетерогенности вещества, а их отсутствие - признаком гомогенности. Высоконаполненную тонкодисперсную суспензию на основе воды строители называют тестом (цементное, гипсовое, глинистое тесто), а грубодисперсную суспензию - смесью (цементно-песчанная, бетонная смесь и т.д.). Из систем Т/Т, кроме сплавов, в строительстве широко используют природный камень, затвердевшую цементно- песчанную смесь (строительный раствор) и бетонную смесь (бетон).
Дисперсные системы разделяют также на свободнодисперсные (золи) и связнодисперсные. К свободнодисперсным относят бесструктурные системы, в которых частички дисперсной фазы не связаны в одну сплошную сетку и способны независимо друг от друга перемещаться в дисперсионной среде под влиянием теплового движения или сил тяжести. Такие системы обладают свойствами жидкости.
Связнодисперсные - это системы, в которых частички связаны друг с другом молекулярными силами и образуют в дисперсионной среде пространственные сетки или каркасы (структуры). Частички структур не способны к большим взаимным перемещениям и совершают лишь колебательные движения. К связнодисперсным системам относят концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), порошки, гели. Гели образуются укрупнением частиц под действием молекулярных сил или возникают в результате сцепления частиц золя. В ряде случаев гель под силовым воздействием, например при вибрации, может превращаться в золь, а этот золь - в результате броуновского движения может восстанавливаться в гель. Отмеченное явление называют тиксотропией и широко используют для увеличения подвижности дисперсных систем при их укладке в формы, или опалубки.