Строительное материаловедение. Русско-английский справочник


Л. И. Дворкин





            СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.


        Русско-английский справочник

Учебное пособие

Второе издание







Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 691(075.8)
ББК 30.3
     Д24



Рецензенты:

Л. О. Шейнин, доктор технических наук, профессор (Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций);
Е. К. Пушкаръова, доктор технических наук, профессор (Киевский национальный университет строительства и архитектуры);
С. Д. Лаповская, доктор технических наук, заместитель директора по научной работе Украинского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института строительных материалов и изделий (Киев)




      Дворкин, Л. И.
Д24     Строительное материаловедение. Русско-английский
      справочник : учебное пособие / Л. И. Дворкин. - 2-е изд. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 652 с.
        ISBN 978-5-9729-0496-9

   Приведены краткие ответы на русском и английском языках на основные вопросы курса «Строительное материаловедение» для студентов вузов строительных специальностей. Пособие может быть полезным для аспирантов и инженерно-технических работников предприятий и строительных организаций.

                                            УДК 691(075.8)
                                            ББК 30.3




ISBN 978-5-9729-0496-9

   © Дворкин Л. И., 2020
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ................................... 20
     PREFACE....................................... 21
     СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 1 STRUCTURE AND PROPERTIES OF BUILDING
     MATERIALS..................................... 22
1.1  Структура материалов. Общие сведения Structure of materials. Overview................... 22
1.2  Кристаллическаяструктура Cristalline structure.............................. 24
1.3  Аморфнаяструктура Amorphous structure................................ 29
1.4  Рентгеновскиеметоды X -ray methods..................................... 31
1.5  Спектроскопические методы Spectroscopic methods.............................. 32
1.6  Электронно-графический анализ и электронная
     микроскопия
     Electron-diffraction analysis and electron microscopy. 32
1.7  Дисперсные системы Disperse systems................................... 33
1.8  Коллоидные системы Colloid systems.................................... 35
1.9  Адсорбция Adsorption......................................... 37
1.10 Поверхностно-активные вещества Surface-active substances.......................... 39
1.11 Коагуляционные структуры Coagulation structures............................. 40
1.12 Мицеллярнаяструктура Micellar structure................................. 43
1.13 Порошки Powders............................................ 44

3

1.14 Суспензии и эмульсии Suspensions and emulsions................................. 45
1.15 Пены Foams..................................................... 48
1.16 Наполнители Fillers................................................... 49
1.17 Виды пор Types of pores............................................ 50
1.18 Макроструктура Macrostructure............................................ 52
1.19 Трещины Cracks.................................................... 53
1.20 Состав материалов Composition of materials.................................. 55
1.21 Растворение и гидратация Dissolution and hydration................................. 56
1.22 Полимеризация Polymerization............................................ 59
1.23 Поликонденсация Polycondensation.......................................... 61
1.24 Кристаллизация Crustallization........................................... 62
1.25 Спекание Sintering................................................. 66
1.26 Упругость Elasticity................................................ 68
1.27 Релаксация Relaxation................................................ 72
1.28 Пластичность Plasticity................................................ 73
1.29 Реологическиесвойства Reological properties..................................... 75

4

1.30 Ползучесть Creep................................................. 77
1.31 Усадка Shrinkage............................................. 78
1.32 Прочность Strength.............................................. 79
1.33 Твердость Hardness.............................................. 83
1.34 Истираемость Abrasion.............................................. 85
1.35 Ударнаяпрочность Impact strength....................................... 85
1.36 Адгезия Adhesion.............................................. 86
1.37 Плотность Density............................................... 87
1.38 Удельная поверхность и поверхностная энергия Specific surface and surface energy................... 89
1.39 Пористость Porosity.............................................. 91
1.40 Гидрофильность и гидрофобность Hydrophilicity and hydrophobicity..................... 93
1.41 Гигроскопичность Hygroscopicity........................................ 94
1.42 Капиллярноевсасывание Capillary suction..................................... 95
1.43 Водопоглощение ивлажность Water absorption and humidity......................... 96
1.44 Водопроницаемость Water permeability.................................... 98
1.45 Водостойкость Water resistance...................................... 99
1.46 Морозостойкость Frost resistance..................................... 100

5

1.47 Теплоемкость Heat capacity........................................ 103
1.48 Теплопроводность Heat conductance..................................... 104
1.49 Тепловоерасширение Thermal expansion.................................... 107
1.50 Термостойкость Thermal shock resistance............................. 108
1.51 Огнеупорность Refractoriness....................................... 109
1.52 Огнестойкость Fire resistance...................................... 110
1.53 Газопроницаемость Gas permeability..................................... 111
1.54 Оптические свойства (цвет, блеск, прозрачность) Optical properties (color, glitter, transparency).... 113
1.55 Звукопоглощение Sound absorption..................................... 115
1.56 Электропроводность Conductivity......................................... 116
1.57 Радиоактивность Radioactivity........................................ 118
I.58 Радиационная стойкость Radiation resistance................................. 120
1.59 Коррозионная стойкость Corrosion resistance................................. 121
1.60 Усталость Fatigue.............................................. 126
2    ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ MAIN TECHNOLOGICAL PROCESSES......................... ₁₂₈
2.1  Классификация технологических процессов Classification of the technological processes........ 128
2.2  Измельчение Grinding............................................. 129

6

2.3  Классификация материалов по крупности Grain-size classification........................... 133
2.4  Очистка газов от пыли Cleaning of gases from dust......................... 136
2.5  Смешивание
     Mixing......................................... 140
2.6  Прессование Pressing............................................ 142
2.7  Формование литьем Shaping by casting.................................. 145
2.8  Вибрирование Vibration........................................... 147
2.9  Сушка Drying.............................................. 151
2.10 Обжиг
     Burning........................................ 154
2.11 Плавление
     Melting........................................ 157
2.12 Тепловлажностнаяобработка Thermomoist treatment............................... 159
3    ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. КЕРАМИКА. СТЕКЛО
     NATURAL STONE MATERIALS. CERAMIC.GLASS 164
3.1  Природные каменные материалы. Общие сведения Natural stone materials. Overview................... 164
3.2  Изверженные (магматические) горные породы Igneous (magmatic) rocks............................ 166
3.3  Осадочныегорныепороды Sedimentary rocks................................... 168
3.4  Метаморфические горные породы Metamorphic rocks................................... 170
3.5  Основные виды горных пород как сырья для производства природных каменных материалов Main types of rocks as a raw for producing of natural stone materials........................................... 172

7

3.6  Свойствагорныхпород Rocks properties...................................... 176
3.7  Повышение долговечности природных каменных материалов
     Increased durability of natural stone materials.. 181
3.8  Грунты как природные материалы Soils as natural materials............................ 183
3.9  Бутовыйкамень Rubble stone.......................................... 186
3.10 Облицовочные каменные изделия Facing stone products................................. 188
3.11 Стеновые каменные изделия Walling stone products................................ 189
3.12 Природный камень в дорожном и гидротехническом строительстве
     Natural stone in road and hydraulic construction. 191
3.13 Производство природных каменных материалов Production of natural stone materials................. 194
3.14 Керамические материалы. Общие сведения Ceramic materials. Overview........................... 197
3.15 Глины как сырье для керамических материалов Clays as raw materials for ceramic.................... 199
3.16 Составы керамических масс Compositions of ceramic mixtures...................... 203
3.17 Основные способы производства керамических изделий Main methods of ceramic products manufacture.......... 205
3.18 Стеновые керамические материалы Masonry ceramic materials............................. 207
3.19 Керамическая черепица Ceramics roof tile.................................... 211
3.20 Облицовочные керамические изделия Facings ceramics products............................. 212
3. 21 Керамические трубы Ceramic pipes......................................... 215

8

3.22 Огнеупорная и кислотоупорная керамика Refractory and acid-proof ceramics................... 216
3.23 Стекло и стеклокристаллические материалы.
      Общие сведения Glass and glass-ceramic materials. Overview..... 218
3.24 Стеклообразное состояние Glass state.......................................... 221
3.25 Состав строительного стекла Composition of building glass........................ 223
3.26 Свойства стекла Properties of glass.................................. 225
3.27 Технология изготовления стекла Technology of glass manufacture....................... 227
3.28 Листовоестеклоистеклопакеты Sheet glass and glass packs........................... 230
3.29 Специальные виды листового стекла Special types of sheet glass......................... 232
3.30 Стеклоблоки, стеклопрофилит, стеклянные трубы Glass blocks, structural glass, glass pipes.......... 236
3.31 Облицовочные стеклянные изделия Facing glass products................................. 239
3.32 Стекловолокнистыематериалы Glass-fibre materials................................ 241
3.33 Стеклокристаллические материалы Glass crystalline materials........................... 242
3.34 Шлакоситаллы Slagceramics......................................... 244
3.35 Каменное и шлаковое литье Stone and slag casting............................... 247
4    МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ METALLIC MATERIALS                                     249
4.1  Металлические материалы в строительстве.
      Общие сведения Metallic materials in construction. Overview.... 249

9

4.2  Чугуны Cast irons............................................. 251
4.3  Специальные виды чугунов Special types of cast irons............................ 253
4.4  Состав стали Steel composition...................................... 255
4.5  Углеродистые стали Carbon steels.......................................... 257
4.6  Легированные стали Alloy steels........................................... 261
4.7  . Сплавы из цветных металлов Nonferrous metals alloys............................... 263
4.8  Структурные компоненты сплавов железа с углеродом Structure components of alloys of iron with carbon..... 265
4.9  Диаграмма железо-цементит
      Diagram of iron-cementite........................ 267
4.10 Доменный процесс Blast-furnace process.................................. 269
4.11 Мартеновский и конвертерный способы выплавки стали Open-hearth and converter methods of steel smelting.... 271
4.12 Электроплавильный способ. Электрошлаковый, плазменно-дуговой и электронно-лучевой переплав Electro-smelting method, electroslag, plasma-arc and electron-beam remelting................................ 273
4.13 Термическая обработка металлов Heat treatment of metals............................... 275
4.14 Термомеханическая и химико-термическая обработка металлов
      The thermomechanical and chemical thermal treatment of metals........................................... 278
4.15 Обработка металлов давлением Metal forming.......................................... 280
4.16 Сортовая и листовая сталь Steel shape and sheet steel............................ 283

10

4.17 Арматурный прокат Reinforcing bar..................................... 285
4.18 Металлические трубы The metal pipes...................................... 287
4.19 Коррозия металлов Corrosion of metals................................. 288
4.20 Защита металлов от коррозии Protection of metals against corrosion.............. 291
5    МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА BINDERS.............................................. 295
5.1  Минеральные вяжущие вещества. Общие сведения Mineral binders. Overview............................ 295
5.2  Основные виды гипсовых вяжущих Main types of gypsum binders........................ 297
5.3  Основные свойства гипсовых вяжущих Main properties of gypsum binders.................... 300
5.4  Воздушная известь Air-setting lime.................................... 302
5.5  Гашениеизвести Slaking of lime..................................... 307
5.6  Твердение извести Lime hardening...................................... 308
5.7  Растворимоеижидкоестекло Soluble and liguid glass............................ 310
5.8  Кислотоупорныецементы Acid-proof cements.................................. 312
5.9  Магнезиальныевяжущие Magnesia binders..................................... 314
5.10 Гидравлическая известь Hydraulic lime....................................... 315
5.11 Гидравлические известесодержащие вяжущие Hydraulic lime containing binders................... 317
5.12 Типы портландцементов общестроительного назначения Portland cement types of the common designation...... 318

11

5.13 Портландцементный клинкер. Способы производства Portland cement clinker. Methods of clinker production. 320
5.14 Обжиг цементного клинкера Burning of cement clinker.......................... 323
5.15 Помол цемента Milling of cement.................................. 325
5.16 Минералогический состав портландцементного
     клинкера
     Mineralogical composition of portland cement clinker. 327
5.17 Нормальная густота и сроки схватывания цемента Normal consistency and time of cement setting...... 330
5.18 Прочность цемента Strength of cement................................. 332
5.19 Гидратация и твердение портландцемента Hydration and hardening of portland cement......... 335
5.20 Быстротвердеющие и высокопрочные цементы Rapig hardening and high-strength cements.......... 338
5.21 Сульфатостойкие портландцементы Sulfate-resistant portland cements................. 342
5.22 Шлакопортландцементы Blastfurnace cements............................... 343
5.23 Пуццолановыйпортландцемент Pozzolanic portland cement......................... 345
5.24 Цементы с добавками ПАВ Cements with admixtures of SAS..................... 347
5.25 Расширяющиеся и напрягающие цементы Extended and straining cements..................... 350
5.26 Глиноземистыйцемент Alumina cement..................................... 351
6    МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ
     ВЯЖУЩИХ MATERIALS BASED ON MINERAL BINDERS............ 354
6.1  Цементные бетоны. Общие сведения Cement - based concrete. Overview.................. 354

12

6.2  Мелкий заполнитель бетонов Fine aggregate of concrete............................. 356
6.3  Крупный заполнитель бетона Coarse aggregate of concrete........................... 361
6.4  Пористые заполнители Porous aggregates...................................... 364
6.5  Добавки к бетонам. Классификация
     Additives for concrete. Classification........... 366
6.6  Химические добавки в бетоны Chemical additives for concrete........................ 369
6.7  Дисперсные минеральные добавки Dispersible mineral additives.......................... 371
6.8  Технология бетонных смесей Concrete mixtures technology........................... 374
6.9  Удобоукладываемость бетонных смесей Workability of concrete mixtures....................... 378
6.10 Водосодержание бетонной смеси Water content of concrete mixtures..................... 381
6.11 Уплотнение и формование бетонных изделий вибрационными методами Compacting and forming of concrete products by vibration methods................................................ 384
6.12 Безвибрационные методы уплотнения бетонных смесей Vibration-free methods of concrete mixtures compaction.... 387
6.13 Структура бетона Structure of concrete.................................. 389
6.14 Прочность бетона Concrete strength...................................... 392
6.15 Неразрушающие методы определения прочности бетона Non-destructive methods for control of concrete strength. 395
6.16 Закон водоцементного отношения Law of water-cement ratio.............................. 397
6.17 Твердения бетона и влияние температурного фактора Hardening of concrete and influence of temperature factor. 400

13

6.18 Экзотрмия бетона Exotherm of concrete.................................. 402
6.19 Способы зимнего бетонирования Methods of winter concreting.......................... 404
6.20 Морозостойкость бетона Frost resistance of concrete.......................... 407
6.21 Водонепроницаемость бетона Water impermeability of concrete...................... 409
6.22 Деформативные свойства бетона Deformation properties of concrete.................... 411
6.23 Коррозия бетона Corrosion of concrete................................. 413
6.24 Проектирование составов бетона.
     Основные задачи и методы Design of concrete mixtures. Main tasks.......... 415
6.25 Определение цементно-водного (Ц/В) или водоцементного (В/Ц) отношения Determination of the cement-water (C/W) or the watercement (W/C) ratio.................................... 417
6.26 Расчет расхода основных компонентов бетонной смеси Calculation of main components content in the concrete mixture............................................... 420
6.27 Мелкозернистые и крупнопористые бетоны Fine grain and macroporous concretes.................. 424
6.28 Легкие бетоны на пористых заполнителях Lightweight concretes on porous aggregates............ 426
6.29 Ячеистые бетоны Cellular concretes.................................... 428
6.30 Гидротехнический бетон Hydraulic concrete.................................... 432
6.31 Дорожныйбетон Road concrete......................................... 435
6.32 Литые и самоуплотняющиеся бетоны Cast and self-compacting concretes.................... 437

14

6.33 Высокопрочные бетоны High strength concretes.............................. 439
6.34 Жаростойкие бетоны Heat-resistant concrete.............................. 442
6.35 Декоративные бетоны Decorative concretes................................. 444
6.36 Электротехнические бетоны Electrotechnical concretes........................... 446
6.37 Особо тяжелые и гидратные бетоны Extra-heavy-weight and hydrated concretes............ 449
6.38 Радиационностойкие бетоны Radiation resistant concretes........................ 450
6.39 Фибробетоны Fiber reinforced concretes........................... 452
6.40 Бетоны на безклинкерных вяжущих материалах Concretes based on non-clinker binders............... 454
6.41 Строительные растворы и сухие смеси Building mortars and dry mixtures. Overview.......... 457
6.42 Приготовление строительных растворов Technology of building mortars....................... 459
6.43 Свойства растворных смесей Properties of mortar mixtures........................ 461
6.44 Прочность растворов Strength of mortars.................................. 463
6.45 Кладочные растворы Masonry mortars...................................... 466
6.46 Штукатурные растворы Plaster mortars...................................... 468
6.47 Декоративные растворы Decorative mortars................................... 471
6.48 Специальные растворы Special mortars...................................... 473
6.49 Вяжущие и наполнители сухих строительных смесей Binders and fillers for dry building mixtures........ 476

15

6.50 Добавки-модификаторы сухих смесей Additives-modifiers of dry mixtures.................. 477
6.51 Железобетон. Общие сведения Reinforced concrete. Overview........................ 481
6.52 Виды арматуры Types of reinforcement............................... 483
6.53 Способы армирования железобетона Reinforcing methods.................................. 486
6.54 Способы предварительного напряжения арматуры Methods of reinforcement prestressing................ 489
6.55 Способы производства железобетонных изделий Methods of production reinforced concrete products.... 491
6.56 Пути экономии цемента Ways of cement saving................................ 494
6.57 Пути экономии топлива Ways of fuel saving.................................. 496
6.58 Асбестоцементные изделия Asbesos-cement products.............................. 498
6.59 Материалы автоклавного твердения Materials of autoclave hardening..................... 502
6.60 Гипсовыеизделия Gypsum products...................................... 505
7    ОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ORGANIC MATERIALS.................................... 508
7.1  Строительные материалы из древесины.
     Общие сведения Building materials from wood. Overview.......... 508
7.2  Состав древесины Composition of wood.................................. 510
7.3  Структура древесины Structure of wood.................................... 512
7.4  Пороки древесины Defects of wood...................................... 515

16

7.5  Влажность и влажностные деформации древесины Humidity and moisture deformations of wood............. 518
7.6  Тепловые свойства и плотность древесины Thermal properties and density of wood................. 523
7.7  Механические свойства древесины Mechanical properties of wood.......................... 525
7.8  Стойкость древесины Resistance of wood..................................... 528
7.9  Лесо- и пиломатериалы Timbers and sawn timber................................ 531
7.10 Изделия из древесины Wooden products........................................ 535
7.11 Клееная древесина Glued wood............................................. 537
7.12 Древесноволокнистые и древесностружечные плиты Cane fiber boards and resin bonded chipboards.......... 540
7.13 Материалы на основе древесины и минеральных вяжущих
      Materials based on wood and mineral binders...... 542
7.14 Битумные и дегтевые вяжущие. Состав и структура
      Bitumen and tar binders. Composition and structure. 545
7.15 Качественные показатели битумов и дегтей Qualitative parameters bitumen and tars................ 547
7.16 Водо- и коррозионная стойкость битумов и дегтей Water- and corrosion resistance of bitumens and tars... 549
7.17 Виды нефтяных битумов Types of oil bitumen................................... 551
7.18 Виды дегтей
      Types of tar..................................... 554
7.19 Битумные и дегтевые эмульсии и пасты Bitumen and tar emulsions and pastes................... 556
7.20 Композиционные битумные и дегтевые вяжущие Composite bitumen and tar binders...................... 558

17

7.21 Асфальтовые мастики Asphalt mastics....................................... 560
7.22 Асфальтовые бетоны. Общие сведения Asphalt concrete. Overview............................ 563
7.23 Состав асфальтобетонной смеси The composition of asphalt concret mixture............ 565
7.24 Свойства асфальтобетона и его производство Properties and producing of asphalt concrete.......... 568
7.25 Рулонные материалы Roll materials........................................ 572
7.26 Полимерные материалы. Общие сведения Polymer materials. Overview........................... 576
7.27 Синтетические полимеры Synthetic polymers.................................... 578
7.28 Свойства синтетических полимеров Properties of synthetic polymers...................... 581
7.29 Наполнители, пластификаторы и стабилизаторы пластмасс
     Fillers, plasticizers, stabilizers of plastics... 584
7.30 Физические свойства пластмасс Physical properties of plastics....................... 586
7.31 Механические свойства пластмасс, их деформативность Mechanical properties and deformability of plastics.... 588
7.32 Стойкость и деструкция пластмасс Resistance and destruction of plastics................ 591
7.33 Конструкционные пластмассы Structural plastics................................... 594
7.34 Пластмассы для покрытия пола Floor plastics........................................ 598
7.35 Пластмассы для отделки стен Plastics for wall facing.............................. 601
7.36 Полимерные пленки Polymer films......................................... 602

18

7.37 Клеи и мастики Glues and mastics.............................. 605
7.38 Герметики Sealants....................................... 607
7.39 Пластмассовые трубы Plastic pipes.................................. 610
7.40 Полимербетоны Polymer concrete............................... 612
7.41 Ячеистыепластмассы Cellular plastics.............................. 614
7.42 Лакокрасочные материалы Varnishes and paints........................... 618
     ЛИТЕРАТУРА REFERENCES................................ 621
     ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ...................... 623
     INDEX..................................... 637

19

ПРЕДИСЛОВИЕ


    В этом учебно-справочном пособии максимально лаконично на русском и английском языках приводятся ответы на основные вопросы, входящие в курс "Строительное материаловедение", который преподается студентам строительных специальностей. Для получения более развернутой информации по рассмотренным вопросам необходимо обратиться к соответствующей учебной и справочной литературе.

   Приводя материал пособия на двух языках, автор исходил из важности для будущих специалистов-строителей знания профессионального английского языка. Данное пособие может быть использовано также англоязычными студентами, обучающихся по строительным специальностям в высших учебных заведениях.
   При составлении пособия автор учитывал свой многолетний опыт преподавания предмета "Строительное материаловедение" в Национальном университете водного хозяйства и природопользования. Автор понимает, что данное пособие может быть в дальнейшем существенно усовершенствовано и будет благодарен всем его пользователям за замечания и предложения в этом направлении.
   Автор выражает благодарность рецензентам пособия д.т.н., проф. Е.К. Пушкарьовой, д.т.н., проф. Л.А. Шейничу, д.т.н., проф. С.Д. Лаповской за ценные замечания, а также инженерам Л.И. Нихаевой и А.В. Киц за техническую помощь при подготовке книги к изданию.


            Л.И. Дворкин Заслуженный деятель науки и техники Украины, академик Международной инженерной Академии и Академии строительства Украины, доктор технических наук, профессор

20

PREFACE


   This training and reference manual provides the most concise in Russian and English answers to basic questions of the course “Construction Materials”, which is taught to students of building specialties of universities.
   More detailed information on the relevant issues can be found in the additional educational and reference literature.
   The resulting material of manual bilingual, author proceeds from the importance for specialists basic knowledge of professional English. This manual can be used also English-speaking students studying on building, specialties in Russian higher educational institutions.
   In the preparation of manual, author used his experience of teaching the course “Construction Materials” at the National University of the water management (Ukraine). The author realizes that this manual may be further significantly improved and will be grateful to all its users for comments and suggestions in this regard. The author thanks the reviewers of the manual Doct.techn.sc, prof L.A. Sheinich, K.K. Pushkareva and S.D. Lapovska for valuable comments and engineers L.I. Nihaeva and A.V. Kyts for technical assistance in the preparing the book for publication.








L.I. Dvorkin
            Honored Scientist of Ukraine, Academician of the International Engineering Academy and the Construction Academy of Ukraine, Doct.techn.sc, professor

21

1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ STRUCTURE AND PROPERTIES OF BUILDING MATERIALS

1.1. Структура материалов. Общие сведения Structure of materials. Overview

   Под структурой материалов понимают их строение, которое определяется взаимным расположением, формой, размерами структурных элементов. Структурными элементами могут быть атомы, ионы, молекулы, твердые частицы различных размеров (дисперсности), агрегаты частиц, поры, то есть пустоты между частицами, заполненные жидкой или газообразной фазой.
   Структуру материалов, их общие признаки и особенности можно рассматривать на различных уровнях в зависимости от размеров структурных элементов (1). Выделяют четыре уровня структуры строительных материалов: атомно-молекулярный (1<10⁻⁹м) субмикроскопический (1 =10⁻⁹...10⁻⁷м) микроскопический (1 = 10⁻⁷...10⁻⁴ м) макроскопический (1 > 10⁻⁴ м).
   Структура строительных материалов со временем изменяется под влиянием процессов, обусловленных как внутренней их природой, так и окружающей средой. Эти процессы могут быть конструктивными, улучшающими структуру и свойства материала, и деструктивными, которые вызывают обратное действие. Так, развитие новообразований в процессе гидратации повышает прочность бетонов, улучшает ряд других свойств, но в то же время под воздействием агрессивных факторов окружающей среды происходят коррозионные процессы, имеющие разрушительный характер. Желаемая долговечность материала достигается при формировании такой его структуры, при которой влияние деструктивных процессов становится минимальным. Характерным примером направленного формирования такой структуры является образование в бетоне с помощью добавок ПАВ воздушных пор, равномерно распределенных по всему объему. Такие поры предотвращают рост давления воды, возникающего при ее замерзании, а также

22

уменьшают капиллярное всасывание воды в результате гид-рофобизации поверхности капилляров.
   Критериями эффективности структуры являются показатели структурно-чувствительных свойств материалов - прочности, теплопроводности, морозостойкости, непроницаемости и др. Для достижения наилучших значений показателей конкретного свойства материала требуется организация для него соответствующей структуры. Так, оптимизация структуры бетона с позиции прочности требует минимизации объема открытых и замкнутых пор, а с позиций морозостойкости решающее значение имеет обеспечение нужного соотношения объема замкнутых и условно-замкнутых пор к объему открытых пор, которые насыщаются водой.
   К параметрам структуры относятся содержание дисперсной фазы и дисперсионной среды, фазовые соотношения, степень однородности распределения частиц дисперсной фазы в массе среды и т.п. Оптимизация структуры материалов требует учета взаимосвязей типа свойство - структура, которые формируются на разных уровнях (полиструктурной подход).

   The structure of materials determines the mutual location, form and sizes of structural elements. Atoms, ions, molecules, solid particles, aggregates of particles, pores (i.e. voids between particles, filled with liquid or gaseous phase) can be structural elements.
   The general signs and features of structural materials, can be considered at different levels depending on the sizes of the structural elements (l). There are four main structural levels which may be defined for construction materials: i.e., atom-molecule (l <10⁻⁹m); submicroscopic (l = 10⁻⁹...10⁻⁷m); microscopic (l = 10⁻⁷...10-4m); macroscopic (l > 10⁻⁴ m).
   The structure of construction materials changes with time under the influences of processes, predefined both by their internal nature and environment. The development of new formations during hydration process increases concrete strength, improves a series of other properties, but at the same time under the influence of aggressive environmental conditions processes like corrosion may occur with destructive character. The desired durability of material is achieved by formation of such structure which minimizes destructive

23

processes. The typical example of the directed formation of such structure is formation in concrete air voids by SAS admixtures application uniformly distributed in all the volume. Such pores prevent growth of water pressure which increases as its freezing, and also diminish capillary water suction as a result of hydrophobization of capillaries surface.
   The criteria of structure efficiency are the parameters of the main properties of materials, such as strength, thermal conductivity, frost resistance, impermeability, etc. For best performance values of f particular material property is required organization for him an appropriate structure.
   Thus, the optimization of concrete structure from the strength point of view requires minimization of the volume of opened and closed pores, and from the point of view of frost-resistance, it is important to provide appropriate ratio between volume of closed and the volume of opened pores to be saturated with water.
   The structure parameters are the:- dispersed phase content and dispersion medium, phase relationships, degree of homogeneity of dispersed phase particles distribution in the medium, etc. Optimization of materials structure requires the polystructural approach (taking into consideration of interrelations of property -structure type, formed at all the levels considered).

1.2. Кристаллическая структура Cristalline structure

   Кристаллическая структура характеризует особенности расположения и взаимосвязи атомов, ионов и молекул в кристаллических материалах.
    Кристаллическое состояние тела является наиболее устойчивым, поскольку энергия материала при этом минимальная. Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом, под которым понимают количество атомов, которое находится ближе всего к данному атому. Половину наименьшего расстояния между атомами или ионами в кристаллической решетке называют атомным (ионным) радиусом. С ростом координационного числа атомный радиус

24

уменьшается, поскольку увеличивается расстояние между атомами.
   Наиболее стабильное состояние кристаллической структуры вещества достигается тогда, когда катион контактирует со всеми анионами, окружающими его (рис. 1.1).


Рис.1.1. Кристаллические решетки металлов: а- объемно-центрированная кубическая; b - гранецентрированная кубическая; c - гексагональная.
Fig. 1.1. Crystal lattices of metals:
а - volume centered cubic; b - face-centered cubic; c - hexagonal.

   Нестабильные структуры с низким координационным числом имеют при этом большую химическую активность. Например, в метакаолине, образующемся в процессе обезвоживания каолинита - глинистого минерала, координация иона А1³ ⁺ составляет 4, а у исходного каолинита - 6. В отличие от каолинита, метакаолин может химически взаимодействовать в нормальных условиях, а также в процессе автоклавной обработки с гидроксидами кальция и магния.
   Вследствие неодинаковой плотности ионов или атомов в различных плоскостях и направлениях свойства кристаллов в зависимости от направления неодинаковы. Эта особенность кристаллических тел называется анизотропией. Она не характерна для аморфных тел (стекло, полимеры и т.д.).


25

Наиболее ярко анизотропия проявляется в цепных и слоистых структурах.
   Строительные материалы минерального происхождения и металлы большей частью находятся в состоянии поликристаллов, в состав которых входит значительное количество нечетко ориентированных кристаллов, что уменьшает анизотропию.
   В зависимости от типа химической связи между структурными элементами различают кристаллы с ионной, атомной (ковалентные), металлической, молекулярной связями и кристаллы с водородной связью (рис.1.2).





                0®0® ®0®0 е®0®




   а


b

c

           Рис.1.2. Схемы химических связей кристаллических решеток:
           а - ионные; b - атомные; c - металлические.
           Fig.1.2. Schemes of chemical links of crystalline lattices: а - ionic; b - atomic; c - metallic.


   Ионная связь характерна для кристаллов, которые значительно отличаются по электроотрицательности их структурных элементов.
   Большинство катионов имеет меньший размер, чем анионы, и кристаллическая решетка ионных соединений образуется за счет размещения катионов в пустотах между анионами. Характерные свойства ионных кристаллов - низкая электропроводность, теплопроводность, хрупкость и высокая температура плавления.
   В узлах атомных кристаллических решеток размещаются нейтральные атомы, обьединенные ковалентной связью. Эти связи достаточно прочные. Вещества, которые имеют такие решетки, твердые, тугоплавкие и практически нерастворимые (алмаз, кремний, соедине

26

ния некоторых элементов с углеродом и кремнием - карбиды и силициды). Ковалентные кристаллы получаются из атомов, имеющих близкие значения электроотрицательности. Если увеличивается разность в электроотрицательности элементов, то возрастает степень перехода ковалентной связи в ионную.
   В металлических кристаллах определяющая роль принадлежит электронам. Они свободно перемещаются между атомами. В узлах таких кристаллов колеблются положительные ионы металла, а валентные электроны могут передвигаться в разных направлениях. Совокупность свободных электронов иногда называется электронным газом. Такое строение решетки предопределяет высокие тепло- и электропроводность и пластические свойства металлов. Механическое деформирование кристаллической решетки в определенных пределах не вызывает разрушения кристаллов, поскольку ионы, которые входят в их состав, будто плавают в облаке электронного газа.
   В узлах молекулярных кристаллических решеток размещены группы атомов или молекулы, связанные между собою Ван-дер-Ваальсовскими силами и дипольными взаимодействиями. Силы Ван-дер-Ваальса возрастают, если увеличивается количество атомов в молекуле и их полярность. Молекулярные силы сравнительно слабые, поэтому молекулярные кристаллы, характерные для ряда органических веществ, легкоплавкие, летучие и имеют низкую твердость. Например, кристаллы парафина с молекулярной решеткой очень мягкие, хотя ковалентные связи С - С между атомами углеводородных молекул довольно прочные.
   Распространенный тип связи в кристаллах неорганических веществ - связь через ион водорода, который размещен между двумя анионами и крепко связывает их. Образование водородной связи, имеет большое значение в структурах воды и многих других соединений, в состав которых входят водород и кислород. Образованием водородной связи объясняется наличие в воде ассоциированных молекул (Н₂О)П. Наибольшую стойкость имеют удвоенные молекулы (Н₂О)₂, образование которых сопровождается возникновением двух водородных связей.

27