Физическая химия строительных материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

И. С. Семериков
Е. С. Герасимова

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ

Допущено Уральским отделением
Учебно-методического объединения вузов РФ
по образованию в области строительства
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлению подготовки
бакалавров 08.03.01 «Строительство»,
всех форм обучения

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 544:691(075.8) ББК 38.3-3я73
         C30

Рецензенты:
Главный технолог ООО «Машимпэкс-Урал» Кашутин А. С.;
завлабораторией химии соединений редкоземельных элементов 
Института химии твердого тела УрО РАН, канд. хим. наук 
Журавлев В. Д.

Семериков, И. С.
C30    Физическая химия строительных материалов 

[Электронный ресурс] : учеб. пособие / И. С. Семериков, 
Е. С. Герасимова. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Издво Урал. ун-та, 2017. —  204 с.

ISBN 978-5-9765-3237-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1453-9 (Изд-во Урал. ун-та)

Рассмотрено строение жидких, аморфных и кристаллических 
строительных материалов. Даны основы учения о фазовых равновесиях, 
термодинамика химических процессов, рассмотрены явления в
высокодисперсных веществах, физико-химические методы анализа 
строительных материалов.
Пособие предназначено для студентов бакалавриата и магистратуры, 
обучающихся по направлению «Строительство».

Библиогр.: 24 назв. Табл. 18. Рис. 90. Прил. 2.
УДК 544:691(075.8)
ББК 38.3-3я73

ISBN 978-5-9765-3237-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1453-9 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный 
     университет, 2015

ВВЕДЕНИЕ

Х

имическая технология строительных материалов базируется 
на фундаментальных закономерностях физической химии, поэтому инженер должен уметь применять законы кинетики, термодинамики к тепловым, массообменным, химическим процессам, 
фазовым переходам, которые совершаются при получении вяжущих 
материалов, стекла, керамики, композиционных материалов. Физическая химия строительных материалов позволяет определить оптимальные, энергетически выгодные условия ведения технологических 
процессов, предвидеть их результаты, овладеть теорией этих процессов, научиться ими управлять и находить перспективу развития новых строительных материалов.
В технологии строительных материалов используют различные 
процессы: механические, гидромеханические, тепловые и массообменные, химические и физико-химические, которые соответственно 
определяются законами физики, химии, механики, гидравлики, теплопередачи, химической термодинамики и кинетики.
Задача физической химии строительных материалов — детальное 
рассмотрение химических и физико-химических процессов и реакций в неорганических строительных материалах.
Каждый вид строительных материалов представляет собой систему — тело или группу тел, мысленно обособленных от окружающей среды. Система имеет определенные границы и характеризуется 
параметрами или свойствами, например, температурой, давлением, 
объемом, концентрацией вещества и т. д. Если в системе изменяется 
хотя бы один параметр, то считают, что в системе происходит термодинамический процесс, изменения химического состава системы являются результатом химической реакции, а изменение какого-либо физического параметра обусловлено протеканием физического процесса. 

ВВЕДЕНИЕ

Чаще всего в реальных материалах одновременно происходит изменение химического состава и физических свойств системы. Элементами физико-химического процесса являются его отдельные стадии. 
Простые процессы происходят в одну, сложные — в несколько стадий. 
Физико-химические процессы делятся на периодические и непрерывные. Последовательность основных переделов в производстве строительных материалов можно представить в виде следующей схемы: 
подготовка исходных компонентов сырья, измельчение и смешивание 
сырья, формирование смеси и полуфабриката, тепловая обработка.
Инженер в области строительного материаловедения должен уметь 
на основании теоретических положений физической химии проводить расчет состава и физико-химических свойств материалов, расчет материального и теплового балансов процессов, определить выход продуктов и оптимальные условия термообработки.
Термин «физическая химия» введен М. В. Ломоносовым в 1741 г. 
при чтении курса «Введение в истинную физическую химию». Физическая химия, как впервые подчеркивал М. В. Ломоносов, есть «наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что 
происходит в смешанных телах при химических операциях». Исключительно велик вклад М. В. Ломоносова в науку и технологию такого 
важнейшего строительного материала, как стекло. Он является основоположником научного стеклоделия в России.
Только через сто лет, в 1865 г., Н. Н. Бекетов в Харьковском университете возобновил преподавание курса физической химии. Особое место в физической химии занимают работы Д. И. Менделеева, 
который обосновал гидратную теорию растворов, кинетическую теорию газов, внес вклад в теорию строения стекла. Исключительная заслуга Д. И. Менделеева — открытие в 1869 г. Периодической системы 
элементов. В работах «О химическом составе и строении кремнеземистых соединений» и «Основы химии» он высказал ряд принципиально новых положений о строении силикатных соединений, указал 
на возможность замещения в алюмосиликатах кремнезема глиноземом, внес вклад в теорию твердения цемента.
Геохимик и минералог В. И. Вернадский создал теорию комплексных алюмосиликатных кислот и ангидритов, внеся вклад в развитие 
химии силикатов. Для изучения силикатов Н. С. Курнаковым был разработан метод дифференциального термического анализа, Е. С. Федо



ров разработал теорию кристаллического состояния вещества, предсказал все возможные типы структур. Плодотворные исследования 
этих структур провел Н. В. Белов. В изучение физической химии силикатов, их расплавов внесли большой вклад О. А. Есин и К. С. Евстропьев, обширные работы по химии силикатов проведены Н. А. Тороповым. Физико-химические основы теории твердения вяжущих 
материалов разработаны А.Ле Шателье (1887), В. Михаэлисом (1902), 
А. А. Байковым (1923–1931).
В советское время существенный вклад в физическую химию силикатов внесли П. А. Ребиндер, В. Н. Юнг, В. Ф. Журавлев, 
О. П. Мчедлов-Петросян, А. Ф. Поляк, И. В. Кравченко, В. В. Тимашев, М. М. Сычев, Л. Г. Шпынова. Авторами учебников и учебных 
пособий по физической химии силикатов были А. И. Августиник 
(1947), Д. С. Белянкин, В. В. Лапин, Н. А. Торопов (1954), Д. К. Ботвинкин (1955), Г. В. Куколев (1966), В. Эйтель (1962), К. С. Евстропьев 
и Н. А. Торопов (1956), В. И. Бабушкин, Т. М. Матвеев и О. П. Мчедлов-Петросян (1962), Н. М. Бобкова (1977), В. С. Горшков, В. Г. Савельев, Н. Ф. Федоров (1988), А. А. Пащенко (1986), О. П. Мчедлов-Петросян (1971,1988), Т. В. Кузнецова, И. В. Кудряшов, В. В. Тимашев 
(1989), Н. М. Бобкова, Л. М. Силич и И. М. Терещенко (1990).
Производство строительных материалов, изделий и конструкций 
включает добычу и переработку нерудного сырья в качестве мелкого и крупного заполнителей для строительных растворов и бетонов, 
производство всех видов строительных материалов, таких как вяжущие вещества (известь, гипс, цемент), как керамические материалы 
(строительная керамика, фарфор, фаянс, химически стойкая керамика, огнеупоры, техническая керамика), изделия и материалы из расплавленных силикатов (стекло и стеклокристаллические материалы, 
глазури, эмали).
Физическая химия строительных материалов закладывает фундамент к изучению технологических особенностей изготовления строительных материалов, изделий и конструкций на их основе.

1.КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКОЕСТРОЕНИЕ
МАТЕРИАЛОВВТВЕРДОМСОСТОЯНИИ

1.1.Распространениехимическихэлементоввземнойкоре
иагрегатноесостояниевеществ
В

земной коре три наиболее распространенных элемента (О, Si, 
A1) составляют по массе 82,58 %, а 12 элементов (О, Si, Al, Fe, 
Ca, Na, Mg, К, Н, С1, С, Ti) — 99,29 %, на долю всех остальных 
элементов приходится меньше 1 %. По предложению А. Е. Ферсмана, 
частоту распределения химических элементов в земной коре принято называть «кларками». Кларки ряда элементов, по А. А. Виноградову, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Распространенность ряда химических элементов в земной коре

Элемент
 % (по массе)
Элемент
 % (по массе)
Кислород
47,20
Магний
2,24
Кремний
27,60
Калий
2,28
Алюминий
8,80
Титан
0,37
Железо
5,10
Водород
0,95
Кальций
3,60
Углерод
0,19
Натрий
2,43
Хлор
0,21

В земной коре элементы чаще всего находятся в виде минералов — 
природных соединений определенного состава и свойств, слагающих 
горные породы. В земной коре наиболее распространены следующие 
минералы, мас. %:
полевые шпаты — 55;
кремнезем (кварц и др.) — 12;

1.1.Распространениехимическихэлементоввземнойкореиагрегатноесостояниевеществ

вода — 9;
оксиды железа — 3;
слюды — 3.
Около одной четверти минералов относится к группе силикатов, 
которые составляют девять десятых земной коры.
Агрегатное состояние веществ. Известно три агрегатных состояния 
вещества: твердое, жидкое, газообразное. Вещество в твердом состоянии сохраняет свою форму и объем, в жидком — только объем при 
отсутствии упругости форм, в газообразном — отсутствует упругость 
формы, а упругость объема имеет односторонний характер (лишь сопротивление сжатию). Твердое состояние имеет две формы: кристаллическую и аморфную. В кристаллах расположение ионов, атомов 
и молекул упорядоченное, т. е. имеет вид кристаллической решетки. Вещества в форме кристаллов обладают меньшей поверхностной 
и внутренней энергией, чем в аморфном состоянии, и поэтому более 
устойчивы. Физические свойства кристаллов в связи с анизотропией строения неодинаковы в разных направлениях. В аморфном веществе расположение частиц неупорядочено, и его физические свойства 
одинаковы в любых направлениях (изотропность). Аморфная форма 
вещества при определенных условиях переходит в кристаллическую.
Системы, состоящие из твердых, жидких веществ или того 
и другого одновременно, называют конденсированными.
Переход расплава в кристаллическое или аморфное стеклообразное состояние изучают по кривым 
нагревания и охлаждения (рис. 1). 
При охлаждении расплава или жидкости в случае (а) на кривой появляется горизонтальная площадка. 
Эта остановка обусловлена повышенным выделением тепла в результате структурных превращений, сопровождающих переход 
жидкости в кристаллы, имеющие 
меньший запас энергии. Если ско
а

б

Т

t

Рис. 1. Кривые «температура- 
время» при охлаждении расплава 
или жидкости:

а — кристаллического вещества;  
б — аморфного и стекловидного

1.КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКОЕСТРОЕНИЕМАТЕРИАЛОВВТВЕРДОМСОСТОЯНИИ

рость внутренних превращений мала, то наступает постепенное охлаждение (переохлаждение) жидкости, происходит постепенное превращение жидкости в стекло (случай б). Стеклообразное состояние 
вещества термодинамически неустойчивое. Стекло может самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние, что сопровождается скачкообразным изменением свойств с выделением избыточной 
энергии. Кристаллическое вещество можно перевести в стеклообразное только через расплав и резкое переохлаждение.
В газообразное состояние твердые вещества переходят в основном 
путем термической диссоциации по цепочке: твердое — жидкое (расплав) — газообразное (испарение).

1.2.Кристаллическоестроениематериалов

1.2.1. Типы кристаллических решеток, их свойства

Изучением зависимости между внутренним строением твердых тел 
и их физическими и химическими свойствами занимается кристаллохимия. Основной закон этой науки был сформулирован В. Гольдшмидтом: «Структура кристалла определяется числом его структурных единиц, соотношением их размеров и их поляризационными 
свойствами».
Элементы строения (ионы, атомы, молекулы) кристаллических 
тел имеют в пространстве правильное дискретное и периодическое 
расположение, называемое пространственной решеткой. Теория 
строения кристаллических решеток (теория пространственных 
групп) была создана Е. С. Федоровым в 1875 г.
Схема пространственной 
трехмерной решетки приведена 
на рис. 2. Отрезки а, b, c между 
ближайшими узлами решетки называют периодами решетки. Зная 

а

c

b
C1

A 1

B1

Рис. 2. Пространственная решетка

1.2.Кристаллическоестроениематериалов

период решетки, можно определить ионный или атомный радиус элемента: он равен половине 
наименьшего расстояния между 
частицами в решетке.
Второй характеристикой кристаллической решетки являются три угла между отрезками: a, 
b, g. Ячейку с ребрами, равными а, b, с, и углами a, b, g называют элементарной (рис. 3, 4). Элементарная ячейка представляет 
собой наименьший объем, который можно выделить из кристалла. Ячейка полностью характеризует решетку, т. к. последняя 
может быть получена путем последовательных трансляций (перемещений) элементарных ячеек 
по всем трем направлениям периодов идентичности. Типы примитивных элементарных ячеек приведены в табл. 2 и на рис. 5.

Всего примитивных элементарных ячеек семь, а вместе 
со сложными, называемыми решетками Браве, насчитывают четырнадцать. Дополнением ряда являются объемно-центрированные и гранецентрированные решетки.
К основным свойствам кристаллов в связи с их строением относят:
1. Анизотропность — зависимость свойств кристалла от направления. Механические, термические, электрические, оптические и др. 
свойства в анизотропных кристаллах зависят от выбранного среза 
кристалла.

2. Способность самоогранения, т. е. способность образовывать выпуклые многогранники. Положение плоскостей элементарной ячейки и многогранника в пространстве по осям X, Y, Z определяется индексами плоскостей h, k, 1, обратными отрезками ребер ячейки а, b, с. 

B1
b

а A 1 A 2 A 3 A 4
An

n

A 0

B2

B3

B4

B

...

...

C

B

A

a
b

g

с

b

a

o

Рис. 3. Плоская сетка пространственной решетки

Рис. 4. Элементарная ячейка

1.КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКОЕСТРОЕНИЕМАТЕРИАЛОВВТВЕРДОМСОСТОЯНИИ

1                        2

b

a

c

90о

a

b

a1

c

a2

c

b

a

a1

a2
a3

90о
90о 90о

90о

a

a

a
a

a1

a3

b

g
a
b

c

a

3
4             5

6
7
8
9
10

11
12
13
14

Рис. 5. Трансляционные простые и сложные элементарные ячейки

А. С. Федоровым в 1890 г. было установлено 230 пространственных 
групп (форм) кристаллов. На рис. 6 приведены некоторые примеры 
кристаллов магнетита, граната и кварца.

3. Симметрия кристаллов — такое свойство, при котором кристаллическая решетка совмещается сама с собой или является своим зер