2.2. Залежність властивостей будівельних матеріалів від їх структури, складу
■ Властивості будівельного матеріалу визначаються його структурою. Для отримання матеріалу заданих властивостей слід створити його внутрішню структуру, яка забезпечує необхідні технічні характеристики. В кінцевому результаті знання властивостей матеріалів необхідне для найбільш ефективного його використання в конкретних умовах експлуатації.
■ Структуру будівельного матеріалу вивчають на трьох рівнях: макроструктура – будова матеріалу, яку видно неозброєним оком; мікроструктура – будова, яку видно через мікроскоп; внутрішню будову речовини, яку вивчають на молекулярно-іонному рівні (фізико-хімічні методи дослідження – електронна мікроскопія, термографія, рентгеноструктурний аналіз та інше).
Макроструктуру твердих будівельних матеріалів (виключаючи гірські породи, які мають свою геологічну класифікацію) поділяють на наступні групи: конгломератна, ніздрювата, дрібнопориста, волокниста, шарувата і пухкозерниста (порошкоподібна). Штучні конгломерати являють собою велику групу; це різного виду бетони, керамічні та інші матеріали. Ніздрювата структура матеріалу відрізняється наявністю мікропор; вона властива газо- і пінобетонам, газосилікатам та іншим. Дрібнопориста структура характерна, наприклад, для керамічних матеріалів, отриманих в результаті вигорання введених органічних речовин. Волокниста структура притаманна деревині, виробам з мінеральної вати та інших. Шарувата структура характерна для листових, плитних і рулонних матеріалів. Пухкозернисті матеріали – це заповнювачі для бетонів, розчинів, різного виду засипка для теплоізоляції та іншого.
Мікроструктура будівельних матеріалів може бути кристалічна та аморфна. Ці форми нерідко є лише різними станами однієї та тієї ж речовини, наприклад кварц і різні форми кремнезему. Кристалічна форма завжди стійка. Щоб викликати хімічну взаємодію між кварцовим піском та вапном у виробництві силікатної цегли, застосовують автоклавну обробку сирцю насиченим водяною парою з температурою 175ºС і тиском 0,8 МПа, водночас трепел (аморфна форма діоксиду кремнезему) з вапном при замішуванні водою утворює гідросилікат кальцію при нормальній температурі 15-25ºС. Аморфна форма речовини може перейти в більш стійку кристалічну.
Для кам’яних матеріалів практичне значення має явище поліморфізму, коли одна і та ж речовини здатна існувати в різних кристалічних формах, які називають модифікаціями. Поліморфні перетворення кварцу супроводжується зміною об’єму. Для кристалічної речовини характерні визначена температура плавлення і геометрична форма кристалів кожної модифікації. Властивості монокристалів в різних напрямах неоднакові. Теплопровідність, міцність, електропровідність, швидкість розчинення і явище анізотропії є наслідком особливостей внутрішньої будови кристалів. В будівництві застосовують полікристалічні камінні матеріали, в яких різні кристали орієнтовані хаотично. Ці матеріали за своїми властивостям відносяться до ізотропних, виключення складають шаруваті камінні матеріали (гнейси, сланці та інші).
Внутрішня структура матеріалу визначає його механічну міцність, твердість, теплопровідність і інші важливі властивості.
Кристалічні речовини, які входять до складу будівельного матеріалу, розрізняють за характером зв’язку між частинками, які утворюють кристалічну ґратку. Вона може бути утворена: нейтральними атомами (одного і того ж елементу, як в алмазі, або різних елементів, як в SiО2); різнойменно зарядженими, як в кальциті СаСО3, або однойменними, як в металах); цілими молекулами (кристали льоду).
Ковалентний зв’язок, який зазвичай здійснюється електронною парою, утворюється в кристалах простих речовин (алмазі, графіті) або в кристалах, які складаються з двох елементів (кварці, карборунді). Такі матеріали відрізняються високою міцністю і твердістю, вони досить тугоплавкі.
Іонні зв’язки утворюються в кристалах матеріалів, де зв’язок має в основному іонний характер, наприклад, гіпс, ангідрид. Вони мають невисоку міцність, не водостійкі.
У відносно складних кристалах (кальциті, польових шпатах) має місце і ковалентний і іонний зв’язки. Кальцит СаСО3 має високу міцність, але малу твердість, польові шпати мають високі міцність і твердість.
Молекулярні зв’язки утворюються в кристалах тих речовин, в молекулах яких зв’язки є ковалентними. Кристал цих речовин побудований з цілих молекул, які утримуються одна біля одної відносно слабкими ван-дер-ваальсовими силами міжмолекулярного притягнення (кристали льоду), які мають низьку температуру плавлення.
Силікати мають складну структуру. Волокнисті мінерали (азбест) складаються з паралельних силікатних ланцюгів, зв’язаних між собою позитивними іонами, розташованими між ланцюгами. Іонні сили слабші ковалентних зв’язків всередині кожного ланцюга, тому механічні сили, недостатні для розриву ланцюгів, розчленовують такий матеріал на волокна.
Пластинчасті мінерали (слюда, каолініт) складаються з силікатних груп, зв’язаних в плоскі сітки. Складні силікатні структури побудовані з тетраедрів SiО4, зв’язаних між собою спільними вершинами (атомами кисню) і, які утворюють об'ємну решітку, тому їх розглядають як неорганічні полімери.
Будівельний матеріал характеризується хімічним, мінеральним і фазовим складом. Хімічний склад будівельних матеріалів дозволяє судити про ряд властивостей матеріалу – механічних, вогнестійкості, біостійкості, а також інших технічних характеристиках. Хімічний склад неорганічних в’яжучих матеріалів (вапна, цементу та інших) і природних кам’яних матеріалів зручно виражати вмістом в них оксидів (%). Основні та кислотні оксиди хімічно зв’язані та утворюють мінерали, які характеризують багато властивостей матеріалу. Мінеральний склад показує, яких мінералів і в якій кількості є в даному матеріалі, наприклад в портландцементі вміст трьохкальцієвого силікату (3СаО∙SiО2) складає 45-60%, причому при більшому вмісті цього мінералу пришвидшується процес твердіння і підвищується міцність. Фазовий склад і фазові переходи води, яка знаходиться в його порах, чинить великий вплив на властивості матеріалу. В матеріалі виділяють тверді речовини, які утворюють стінки пор, тобто каркас і пори, наповнені повітрям або водою. Зміна вмісту води і її стану міняє властивості матеріалу.