1.6. Кристалічні тверді тіла

Оскільки в будівництві використовується багато твердих тіл, то перейдемо до більш загального розгляду кристалічних твердих тіл. Від рідин їх відрізняє в першу чергу наявність і ближнього, і дальнього порядку, тобто високий ступінь впорядкованості структури і в більшості випадків анізотропія макроскопічних властивостей.

Під макроскопічними розуміють такі властивості твердого тіла, за яких його можна розглядати як суцільне середовище без врахування конкретної структури.

За характером взаємодії між складовими кристалічні гратки поділяють на йонні, атомні,молекулярні та металічні.

Йонна ґратка кристалів (мал.4,а) характерна для оксиду кальцію, кухонної солі, хлориду кальцію і багатьох інших солей. В’яжучі, які входять до складу портландцементу, також мають ґратку, близьку до йонної. Міцність таких ґраток дуже велика і визначається головним чином електростатичними силами, які діють між різнойменно зарядженими йонами. Їх координаційне число залежить від співвідношення між розмірами аніонів і катіонів і від заряду йонів..

Мал. 4. Схема йонної (а), атомної (б), металічної (в) і молекулярної (г) ґраток

Атомна кристалічна ґратка (мал.4,б), наприклад гратка вуглецю і кремнію, утворюється в результаті вже відомого нам геополярного зв’язку між його складовими. Для кремнію (як і для алмазу) характерна щільна упаковка, за якої кожен атом кремнію розміщується в центрі тетраедра, маючи міцні зв’язки з чотирма сусідами, кількість яких можна визначити, знаючи валентні можливості атомів в гратці.

Металічну ґратку (мал. 4,в) в першому наближенні можна розглядати як перехідну між йоною і атомною. Це значить, що в вузлах кристалічної ґратки металів можуть одночасно знаходитись і атоми, і позитивно заряджені йони, а в міжвузлях — рухливі електрони.

Ця схема не відображає всієї картини. Зараз найбільш відповідною рахується «зонна» теорія металів, яка побудована на квантово-механічному принципі. Відповідно до цієї теорії, металічний зв'язок характеризується деякими різними підрівнями («зонами») енергії, кількість і ширина яких залежать від розміщення металу в періодичній системі елементів Д. І. Менделеєва. Деякі особливості металів, зумовлені характером зв’язку, будуть розглянуті в розділі, який присвячений корозії і захисту металоконструкцій.

Молекулярна ґратка (мал.4,г) відрізняється від йонної, атомної і металічної, в утворенні яких беруть участь хімічні сили, що мають високу енергію і малий радіус дії, тим, що вона побудована з крупних електронейтральних в цілому молекул, сили взаємодії між якими є слабшими, а протяжність більша.

До молекулярних кристалів, схематично зображених на мал.6,г, крім вже описаних кристалів льоду (що має структуру кварцу), а також деяких простих неорганічних речовин (сірки, фосфору і т. д.) відносяться багато органічних сполук. Особливості упаковки органічних молекул в кристалі зумовлено їх складною формою і великими розмірами. Звичайно, вони також упаковуються по можливості щільно. В молекулярних кристалах діють міжмолекулярні сили (орієнтаційні, дисперсійні і індукційні), а також в деяких випадках водневі зв’язки. Оскільки їх енергія менша, ніж енергія хімічних сил, то молекулярні кристалічні тіла менш міцні, ніж всі інші типи кристалічних граток, а тому вони плавляться за порівняно невисокої температури, мають низькі механічні показники.

До цього часу ми розглядали кристали як ідеальні, строго впорядковані бездефектні утворення. В таких ідеальних кристалах елементарні соти, що утворюють кристалічнуґратку, строго повторюються по своїх розмірах, а також точно витримується і ближній, і дальній порядок. В реальних кристалах можливі більші чи менші відхилення від ідеального порядку. Частково вони можуть бути викликані тим, що атоми чи молекули знаходяться у вузлах кристалічної ґратки, коливаються навколо положення рівноваги — тим більше, чим вища температура, причому і при кімнатній температурі ці коливання (до 0,1 -0,3Å) можуть складати декілька відсотків від відстані між самими частинками. Більш значні відхилення викликані появою в кристалах вакантних місць (дірок). Такі вакансії, як і лишні атоми, також викликають порушення в кристалах. До дефектів в кристалах відносяться і мозаїчний характер блоків з розмірами порядку 10-8 – 10-7м.

Особливу увагу дослідників займають такі дефекти в кристалах, які мають назву дислокацій (заціпок, зміщень). Уявлення про дислокації дали змогу пояснити причини пластичних деформацій, повзучості, наклепу, зміцнення, росту кристалів і деяких інших явищ в металах. Теорія дислокацій зараз інтенсивно розвивається і починає успішно застосовуватись при поясненні ряду процесів, які відбуваються в будівельних матеріалах.

Дислокації можуть бути двох основних видів: гвинтові і лінійні. І ті, і інші виникають в тому випадку, якщо, наприклад, вакансії об’єднуються чи блоки кристалів зростаються один з одним при деякому відхиленні від ідеального порядку, тобто під деяким кутом дезорієнтації. Така неідеальність поступово приводить до зміщення площини на один період гратки. За лінійної дислокації це виглядає так, наче в ідеальну кристалічну площину встановлена ще одна додаткова площина, перпендикулярна кресленню (мал. 5). Центр її зображають літерою Т (від’ємна дислокація) чи перевернутої літери Т (додатна дислокація). Довжина дислокації може складати декілька тисяч періодів ґратки, тобто мати довжину порядку 10-6 м, причому вони можуть згинатись в спіраль, петлі.

Мал.5. Схема утворення лінійної дислокації.

Гвинтовадислокація. Вона відрізняється від лінійної тим, що при її утворенні відбувається зміщення на один період ґратки половини правої частини кристала, яка виявляється надрізаною по площині АВС. Це приводить до згину горизонтальних атомних площин таким чином, як це показано на схемі, де лінія дислокації паралельна площині зсуву.

Дислокації, які мають підвищену рухливість, самі здатні стати джерелом нових дислокацій. Переміщуються дислокації двома шляхами — ковзанням чи дифузією. Переміщенням дислокацій можна пояснити ті порівняно невисокі зусилля, які викликають зсув кристалів в процесах пластичної деформації. Теорія дислокацій дозволяє пояснити також, чому міцність кристалів і полікристалічного зростку приблизно в 100 разів менша теоретичної. Саме дислокації, що розміщені по межах блоків, і служать тими дефектами, знищення яких збільшує міцність матеріалу. В тонких монокристалічних нитках ця міцність наближується до теоретичної. До числа неметалічних матеріалів, в яких були виявлені дислокації, відносяться кальцит і гіпс, що використовують в будівництві. Теорія дислокацій відіграє важливу роль при розгляді фізичних і фізико-хімічних явищ в твердому тілі.

На відміну від цього міцність полікристалічних капілярно–пористих будівельних матеріалів, до яких відносяться бетони, дуже залежить від їх пористості; руйнування таких капілярно–пористих неоднорідних матеріалів, відбувається як правило попереднім накопиченням дефектів в вигляді мікротріщин, які зливаючись одна з одною утворюють магістральні макротріщини. При цьому пори з розмірами порядку декількох мікрон і більш крупні складним чином впливають на кінетику розвитку макротріщин і міцність матеріалу; з одного боку , вони понижують його механічні показники, з другого — на них нерідко відбуваються обриви росту макротріщин, що приводить до підвищення довговічності виробу і покращує відношення міцності при стиску до міцності при розтягу матеріалів. Ще більш складним чином впливають на тріщиностійкість і механічні показники бетону дрібний і крупний заповнювачі.

До цього часу ми говорили про тверді кристалічні тіла. Але тверде тіло, яке має власний об’єм і форму, може бути і аморфним, причому в будівництві застосовується багато таких матеріалів (наприклад, скло, деякі пластмаси, окремі види заповнювачів).

Мал.6. Схема будови аморфного (а) і кристалічного (б) кремнезему

Дещо спрощено аморфні тіла можна розглядати як дуже в’язкі «твердоподібні» рідини, у яких, як і в звичайних рідинах, нема дальнього порядку. Можна провести аналогію і з кристалами, уявивши, що в останніх «зіпсований» дальній порядок. Така схема (мал.6) дозволяє пояснити особливості аморфних тіл: відсутність у них строго визначеної температури плавлення, підвищену хімічну активність і деякі інші.

Велика реакційна здатність аморфного кремнезему, як буде показано нижче, може викликати тривогу у будівельників (в разі корозії в лужному середовищі) і використовуватись для отримання позитивного ефекту, наприклад, у випадку застосування трепелу і гіпсоцементо-нуціоланових в’яжучих.

Завдання для самоконтролю

1. Які типи кристалічних граток вам відомі?

2. Чим відрізняються реальні кристали від ідеальних?

3. Яке значення дислокацій у кристалах?

4. Яка відмінність між кристалічними і аморфними тілами?

5. Від чого залежить міцність капілярно-пористих матеріалів?