Понятия о вяжущих материалах, керамике, стекле и стеклообразном состоянии

Жизнь людей тесно связана с силикатными материалами, не удивительно, так как в их основе лежит самое распространённое в природе сырьё. Содержание в земной коре кремнезёма составляет 12% и плюс к этому ещё 75% SiO входит в состав алюмосиликатов. В природе семейство силикатов насчитывает более 500 видов минералов. К этому перечню человек добавил существенное количество новых искусственно синтезированных минералов.

Общие свойства силикатных материалов

- высокая механическая прочность;

- огнестойкость;

- химическая стойкость и т.д.

При всём своём многообразии силикатные материалы могут быть разделены на три большие группы:

- минеральные вяжущие;

- керамика;

- стекло.

Минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластичную удобоукладываемую массу, застывающую со временем в прочное камнеподобное тело.

По существу, вяжущее вещество – это полуфабрикат. Главная его ценность в том, что тесто на его основе способно со временем «склеивать» в монолит рыхлый заполнитель. На этом основано получение бетонов и строительных растворов.

Керамика – это искусственный камень, получаемый обжигом до спекания минерального (в основном глинистого) сырья, прошедшего специальную технологическую подготовку. Высокие физико-технические свойства керамики обеспечиваются значительной плотностью камня, в котором стекловидная фаза склеивает кристаллы силикатов, алюминатов, алюмосиликатов кальция, магния и других соединений.

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие механическими свойствами твердых тел в результате постепенного увеличения вязкости; при этом процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное состояние обратим.

Таким образом, стекло – это аморфное вещество, обладающее механическими свойствами твердого тела.

Получают стекла в основном из расплавов путем их переохлаждения и затвердевания.

Расплавы стекол затвердевают, не кристаллизуясь, без выделения скрытой теплоты кристаллизации. Их температура понижается непрерывно (смотри рисунок), а вязкость постепенно нарастает до такой величины, при которой стекла приобретают механические свойства твердых тел, оставаясь при этом аморфными. При нагревании стекловидного вещества постепенно размягчаются, становятся пластичными, а затем переходят в расплав. Переход из жидкого состояния в стеклообразное состояние обратим.

1 – кривая охлаждения расплава кристаллического вещества,

2 – кривая охлаждения расплава стекловидного вещества.

В отличие от кристаллических веществ, стекло не обладает строго упорядоченной, характеристически симметричной структурой – кристаллической решеткой.

Все стеклообразные вещества обладают рядом общих свойств:

1) Изотропия – т.е. свойства стекла одинаково изменяются во всех направлениях.

Легко убедится в различии свойств изотропных и анизотропных тел, проделав следующий опыт. Возьмем пластинку стекла и кристалл кварца. Покроем поверхность стекла и одну из граней кварца тонким слоем парафина или воска. Прикоснемся к поверхностям, покрытым парафином, нагретой стеклянной палочкой. Теплота, распространяясь по стеклянной пластине и кристаллу, растопит парафин и приведет к образованию фигур таяния: на стекле в форме круга, на кварце в виде эллипса (смотри рисунок). Этот пример показывает, что в стекле, представляющем собой аморфное изотропное тело, тепло распространяется равномерно во все стороны, а в кварце – кристаллическом анизотропном минерале – распространение тепла вдоль кристалла идет быстрее, чем поперек.

а) б) а) Изотропия теплопроводности в пластине стекла, фигура таяния парафинового слоя на поверхности стекла.

б) Анизотропия теплопроводности в пластине стекла, фигура таяния парафинового слоя на поверхности стекла.

2) Избыточный запас внутренней энергии по сравнению с запасом внутренней энергии соответственного вещества в кристаллическом состоянии (т.к. стекло метастабильная неравновесная система), т.е. часть энергии в кристаллическом теле затрачивается на построение кристаллической решетки.

3) Способность к постепенному и обратимому твердению. Твердение обратимо, т.к. при нагревании наблюдается обратный процесс непрерывного понижения вязкости, плавный переход от хрупкого к высоковязкому и затем жидкому, текучему состоянию. Поэтому у стекол нет определенной температуры плавления, они имеют температурный интервал размягчения.

4) Наличие интервала стекловарения. Он характеризуется резким изменением физико-химических свойств стеклообразного вещества и ограничен температурами начала размягчения при нагревании и стекловарении.