Испытания минеральных вяжущих (цемент, гипсовые вяжущие, строительная известь)

Взаимосвязь строения и свойств материалов. Кристаллическое, аморфное и аморфно-кристаллическое строение веществ. Типы кристаллических решеток. Особенности строения внешнего и внутреннего слоев стройматериалов.

Свойства материалов определяются химическим составом и структурой, которые являются результатом получения материала и его дальнейшей обработки. Для разработки материалов и технологий необходимо знание физических и химических явлений и процессов, протекающих в материале на различных стадиях его получения, обработки и эксплуатации, их предсказания, описания и управления ими.

Физико – химические свойства вещества определяются электронным строением его атомов. Взаимодействие атомов связано с взаимодействием их электронных оболочек. Под структурой материала понимается совокупность устойчивых связей тела, обеспечивающих его целостность (кристаллическая структура, стеклообразная, аморфно-кристаллическая)

При рассмотрении материалов употребляют термины плотная или пористая структура. Различают макроструктуру, микроструктуру, ультрамикроструктуру. При изучении макроструктуры материалов используют термин структура (волокнистая, зернистая, чешуйчатая).

Текстура материала – преимущественно ориентированное расположение элементов, составляющих материал, характеризующих рисунок его внутренних слоев или поверхности. Текстура в отличие от структуры не имеет логической связи с составом, химическими связями и свойствами.

В зависимости от агрегатного состояния и устойчивости твердые вещества могут иметь строго упорядоченное строение – кристаллическое и неупорядоченное – аморфное.

Природа частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки и преобладающей силы взаимодействия определяют характер кристаллической решетки: атомный с ковалентными связями, молекулярный с ван-дер-ваальсовыми и водородными связями, ионной с ионными связями, металлической с металлическими связями.

Атомная решетка состоит из нейтральных атомов связанных между собой ковалентными связями. У веществ с такой решеткой высокая твердость, тугоплавкость, не растворяются в воде и др. орг. растворителях. Энергия ков. связей составляет 600-1000 кДж/моль

Молекулярная решетка построена из молекул, связанных друг с другом межмолекулярными или водородными связями. Межмолекулярные связи имеют энергию 10 кДж/моль; водородные – 20-80 кДж/моль. У таких веществ невысокая прочность, низкая t плавления, высокая летучесть. Такие вещества не проводят ток.

Ионная решетка образуется атомами сильно отличающимися по электроотрицательности. Она характерна для соединений щелочных и щелочноземельных металлов с галогенами. Вещества с ионный решеткой характеризуются высокой температурой плавления, малой летучестью, высокой прочностью и значит. энергией кристаллической решетки.

Металлические решетки образуют металлы. В узлах решеток находятся ионы металлов, а валентные электроны распределены по всему кристаллу. Т.к. энергия связи, связывающей и разрыхляющей орбитали диска электроны легко переходят в зону проводимости и перемещаются в пределах кристалла.

Кристаллическая структура. Такой структуре свойственно упорядоченное расположение частиц в строго определенных точках пространства, которое образуют кристаллическую решетку. Эта упорядоченность позволяет экспериментально и теоретически полностью изучить структуру твердого состояния и явления, связанные с природой сил взаимодействия в кристаллических телах. Для каждого кристалла характерна анизотропность и резко выраженная температура перехода в жидкое состояние. Кристаллы характеризуются внешней симметрией в расположении частиц, которое выражается наличием 3х элементов симметрии – центра, оси и плоскости симметрии. Многим веществам в кристаллическом состоянии характерны полиморфизм, т.е. способность вещества существовать в виде нескольких кристаллических структур с различными свойствами. Если два разных вещества имеют одинаковую кристаллическую структуру, похожую химическую формулу и практически не отличаются по размеру составляющих его частиц, то они могут образовывать смешанные кристаллы, такие вещества называются изоморфными, а способность образовывать смешанные кристаллы – изоморфизм.

Реальные кристаллы отличаются от идеальных, нарушения кристаллической решетки образуются в результате изменения равновесных условий роста кристаллов, захвата примесей при кристаллизации и др. Наличие дислокаций значительно уменьшает прочность кристаллов. Дислокации влияют на электрические, оптические, магнитные и др. свойства материалов. Однако замечено что при определенных условиях дислокации и др. дефекты увеличивают прочность кристаллов.

Аморфная структура. Особенности таких тел: они изотропны, т.е. свойства таких веществ при обычных условиях не зависят от выбранного направления; что при увеличении температуры происходит размягчение аморфного вещества и постепенный переход в жидкое состояние. Твердые вещества в аморфном состоянии можно получить двумя путями:

-быстрое охлаждение расплавов кристаллических веществ, преимущественно ионного и ковалентного строения;

-диспергация кристаллических структур в результате чего образуются дисперсии в виде коллоидов и растворов. Разрушаясь или конденсируясь дисперсии изменяют свое агрегатное состояние.

Аморфные вещества подразделяют на ветроиды (стекла), дисперсные системы и полимеры.

Аморфно-кристаллическая структура. Многие природные и искусственные каменные материалы в своем составе содержат и кристаллические и аморфные фазы. Соотношение между объемами кристаллических и аморфных фаз, а так же их расположение оказывают огромное влияние на свойства материалов.

Особенности структуры поверхностного слоя. Структуры поверхностного слоя отличается от структуры внутренних слоев по двум основным причинам:

1)Атомы и молекулы, расположенные на поверхности имеют избыточную энергию по сравнении. с частицами, расположенными внутри материала;

2)Поверхностный слой постоянно взаимодействует с окружающей средой, из-за этого он претерпевает постоянные изменения как в процессе изготовления изделий, так в процессе их эксплуатации.

Избыточная энергия поверхностного слоя возникает вследствие того, что каждая частица на поверхности твердого тела и жидкости имеет некомпенсированные химические связи, которые образуют на поверхности несиммтеричное силовое поле. Это силовое поле втягивает поверхностные частицы во внутрь материала, создавая на поверхности натяжение сжатия. Поверхностный слой таким образом постоянно находится в упруго напряженном состоянии, а его частицы обладают значительно большим запасом потенциальной энергии, чем частицы внутреннего слоя. Благодаря этому частицы поверхностного слоя более активно реагируют с окружающей средой и более активно вступают в химические реакции.

Большое влияние на строение поверхностных и внутренних слоев материала оказывают примеси, смачивание поверхности активными жидкостями и диффузионные процессы.

Примеси оказывают неоднозначное влияние на свойства внешних и внутренних слоев. Если примеси имеют меньшую поверхностную энергию, чем материал, то они равномерно распределяются по поверхности, уменьшая его энергию. Если большую, то концентрируются на отдельных участках поверхности или перемещаются во внутренние слои материала, где могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на его свойства.

Смачивание имеет большое значение при формировании композиционных материалов и искусственных строительных материалов. Смачивание компонентов искусственных смесей необходимо для уменьшения энергии поверхности твердых составляющих, что позволяет получать более плотной их упаковки к искусственных наполнителях.

Диффузия представляет собой самопроизвольное перемещение частиц вещества, в результате которого устанавливается равновесное распределение концентрации этих частиц в объеме газа, жидкости или твердого тела.

Особенности структуры внутреннего слоя. Макростурктура внутреннего слоя строительных материалов хорошо просматривается на срезе невооруженным глазом или через лупу. В состав структуры входят отдельные твердые тела или зерна различной крупности, поры и матрица, зерна объединены в единый монолит.

Единая и монолитная структура строительного материала может быть оптимальной и неоптимальной. Оптимальная структура характеризуется равномерным распределением компонентов системы, отсутствием или минимальным количеством дефектов, наличием непрерывной пространственной сетки (матрицы) и наибольшей плотностью упаковки зерен твердой дискретной составляющей как на микро так и на макро уровне. Неоптимальными являются структуры в которых не соблюдается хотя бы одно из перечисленных условий.

Испытания минеральных вяжущих (цемент, гипсовые вяжущие, строительная известь).

Минеральные вяжущие – тонкодисперсные порошкообразные материалы, которые при смешивании с водой (реже с водными растворами солей) образуют пластичную легко формирующуюся массу (вяжущее тесто), постепенно переходящую в камневидное состояние. Вяжущие материалы обычно используются как основной компонент бетонов и растворов. Поэтому некоторые испытания вяжущих проводят с заполнителями, имитируя их работу в бетоне (растворе).
Основным качественным показателем вяжущих служит их отношение к воде. Вяжущие, способные твердеть и сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде, называют гидравлическими. К ним относятся портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, гидравлическая известь. Вяжущие, способные твердеть и сохранять свою прочность только на воздухе, называют воздушными. К ним относятся гипсовые вяжущие, воздушная известь и магнезиальные вяжущие.

При оценке качества минеральных вяжущих определяют следующие технические показатели.

Прочность — основной показатель качества вяжущих веществ. Так как прочность вяжущих изменяется во времени, то их качество оценивается по прочности, достигнутой за определенное время твердения и в условиях, установленных стандартом. Этот показатель называют маркой вяжущего.

Скорость твердения — другая не менее важная характеристика вяжущих. Наибольшей быстротой твердения обладают гипсовые вяжущие — они полностью затвердевают за несколько часов. Очень медленно твердеет известь: процесс ее твердения длится годы.

Сроки схватывания характеризуют, сколько времени вяжущее тесто сохраняет пластичность. Схватыванием называют процесс потери пластичности вяжущим тестом: при этом оно становится жестким и приобретает начальную прочность.

Тонкость помола влияет на скорость твердения и прочность вяжущего: чем тоньше оно размолото, тем больше суммарная поверхность его частиц и тем активнее оно взаимодействует с водой, быстрее набирая прочность. Кроме того, более тонкий помол увеличивает пластичность вяжущего теста и соответственно бетонных и растворных смесей на его основе.

Необходимое количество воды для каждого вида вяжущего определяется не из расчета полного химического взаимодействия вяжущего с водой, а из условия получения вяжущего теста (или растворной смеси) стандартной консистенции {нормальной густоты). Для разных вяжущих стандартную консистенцию определяют различными методами, что объясняется неодинаковыми способами укладки смесей, например на основе гипса — заливкой, а на основе цемента — с применением механического уплотнения. Определение нормальной густоты вяжущего теста или растворной смеси предшествует определению сроков схватывания, прочности и некоторых других свойств и служит для установления стандартного водовяжущего (водоцементного, водогипсового и т.п.) отношения.

Для некоторых вяжущих, кроме того, выполняют специальные испытания, характерные для данного вяжущего, например у извести определяют скорость гашения.