Учебники 80277
.pdfкреплена научными данными о закономерностях и возможностях влияния на сопротивление материала разрушению, заложенных в видоизменении и опти-
мизации параметров однородности - неоднородности его состава и структуры.
Для обоснования таких возможностей недостаточно только общего анализа процесса формирования напряженного состояния материала, необходимым представлялось рассмотрение механизма и взаимосвязи особенностей концен-
трации и локализации напряжений с системой критериев однородности - неод-
нородности структуры получаемого материала.
21
4.ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ОДНОРОДНОСТИ-
НЕОДНОРОДНОСТИ СТРОЕНИЯ КОНГЛОМЕРАТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ
Структура композиционных строительных материалов формируется из n-
исходных компонентов (фаз) различного химического, минералогического,
морфологического, дисперсного и агрегатного состава и состояний. Свойства этих компонентов, вид и сила физико-химических связей в субстанции каждого из них отличаются друг от друга. Это отличие обусловливает появление и обра-
зование границ раздела, когда принимаемые для получения материала компо-
ненты (фазы) сводятся в систему («смешиваются») и вступают в механическое,
физическое и физико-химическое взаимодействие между собой и «рождают» новые фазы.
На основании указанного можно считать, что неоднородность материала обусловливается наличием и характеристиками так называемых межкомпо-
нентных (межфазовых) границ раздела в поле вещества и поле энергии про-
странства, занимаемого объемом создаваемого, синтезируемого и конструи-
руемого материала.
Наличие межкомпонентных границ раздела в материале соответствует признакам дискретности, гетерогенности и многофазности его состава и струк-
туры. Наряду с этим состав и структура материалов как композиций из n -
компонентов (фаз) обладают и признаком иерархичности. Они (материалы)
создаются и существуют в форме совокупности многоуровневых, разномас-
штабных, последовательно включенных друг в друга двухкомпонентных сис-
тем, состоящих из фактически непрерывной, или условно считаемой непрерыв-
ной, матрицы и распределенных в ней включений (теория полиструктурности).
Система «матрица – включение» любого масштабного уровня обладает своей границей раздела, и это, можно сказать, предопределяет многоуровневую неод-
нородность строения получаемого композита.
Таким образом, понятие границы раздела оказывается ключевым, отправ-
22
ным моментом в содержании категории «неоднородность строения» компози-
ционных строительных материалов.
Сущностно граница раздела реализуется в скачке значений параметров S
поля вещества и поля энергии в объеме материала. Как физико-химическая или механическая субстанциональная характеристика, скачок на границе раздела соответствует переходу состава, состояния, свойства в i-той точке пространства
материала к другому составу, состоянию, свойству в j-той его точке (рисунок 4).
Первичной характеристикой скачка является субстанциональная разнород-
ность, которая отражается совокупностью оценок: |
|
|||
градиента разнородности – |
S = Sкi - Sкj |
и |
S = Sм - Sв, |
(2) |
коэффициента разнородности – Кs = Sкi/Sкj |
и |
Кs = Sм/Sв, |
(3) |
|
индикатора разнородности – |
Is = S/Sкi,j; |
S/Sм; S/Sв, |
(4) |
где Sкi, Sкj - оцениваемый параметр или свойство i-го и j-го компонентов (фаз)
материала;
Sм, Sв - оцениваемый параметр или свойство соответственно матрицы и включения рассматриваемого масштабного уровня структуры
композита.
В связи с предлагаемой совокупностью оценок (2-4) обратим внимание на имеющее место практическое
S |
|
Граница |
|
|
|
||||
|
раздела фаз |
|
использование в бетоноведе- |
||||||
|
|
|
|||||||
Skj |
|
|
фаза j |
|
нии, например, коэффициен- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
та разнородности Кs |
в виде |
||
|
|
|
|
S |
|
|
|||
|
|
|
|
Скачок |
|
|
отношения модулей |
дефор- |
|
|
|
|
|
|
|
мативности цементного кам- |
|||
Ski |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
фаза i |
|
ня (матрица) и различных за- |
||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
|
|
|
|
l |
полнителей (включение). Та- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
кое соотношение учитывает- |
||
Рисунок 4. - Скачок субстанциональных характеристик |
ся в задачах описания воз- |
||||||||
на межкомпонентной (межфазовой) границе раздела |
|||||||||
|
|
можной картины концентрации напряжений на границе их раздела и развития
23
процесса разрушения различных бетонов при механическом нагружении [44-46].
Отметим специально, что вводимая совокупность критериальных оценок неоднородности строения (2-4) применима к характеристике таковой и по дру-
гим показателям деформаций механических, влажностных или температур-
ных, коэффициентов тепло- и массопереноса и т. п., что важно для анализа ра-
а) |
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
боты материалов и конструкций из них |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при воздействии различных факторов экс- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
К |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
плуатационной среды. |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кj |
|
|
|
|
|
|
|
Понятие скачка значений субстанцио- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ts = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нальных характеристик на границе раздела |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
б) |
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
следует рассматривать в контексте с ши- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
tS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
роко применяемым понятием «контактной |
|||||||||
|
|
|
|
|
К |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зоны» («контактного слоя»), в содержание |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кj |
|
|
|
|
|
|
которого требуется вкладывать и геомет- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рический аспект. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
в) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры скачка и параметры кон- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тактного слоя при том, что они связаны с |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
К |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отличием |
анализируемых |
характеристик |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
поля вещества и поля энергии у исходных |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кj |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
компонентов (фаз) получаемого материала, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
г) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
предопределяются и развивающимся во |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
времени механическим, физическим и фи- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
К |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зико-химическим взаимодействием между |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
этими компонентами (фазами). Такое |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кj |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
взаимодействие вызывает изменения ис- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
lf |
0 |
|
|
|
|
|
|
lf |
ходных характеристик состава, структуры, |
||||||||||||||||||
Рисунок 5. - Реализация скачка и |
состояния |
и |
свойств (рисунок 5). При |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
формирование контактной зоны ts на |
фронтальном |
удалении lf |
от |
начальной |
||||||||||||||||||||||||||
границе раздела компонентов, фаз, |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
матрицы и включений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(исходной) |
границы раздела |
распростра- |
ненность взаимовлияния во внутренние объемы компонентов (фаз) ослабевает,
24
а состав, структура, состояние и свойства компонентов (фаз) обнаруживают ис-
ходные, «доконтактные» значения.
Проходящие при взаимодействии компонентов (фаз) превращения форми-
руют «диффузную» по своей природе контактную зону или слой [47]. Его тол-
щина ts и размещение преимущественно в одном (рис. 5, б, в) или и в другом
(рис. 5, г) компонентах (фазах) связаны с их индивидуальным термодинамиче-
ским состоянием, с метастабильностью, неравновесностью химического, мине-
ралогического и морфологического составов исходных компонентов (фаз), чем и определяется степень участия каждого (каждой) из них в механическом, фи-
зическом, физико-химическом взаимодействии.
Как субстанционально-геометрическая характеристика, скачок на межком-
понентной (межфазовой) границе раздела может быть, таким образом, относи-
тельно протяженным и плавно проявляющимся, или, напротив, импульсным,
резко проявляющимся (рис. 5, а). Исходя из этого, скачок необходимо характе-
ризовать величинами
фронтальной протяженности – ts = t(lf, ), |
(5) |
фронтальной градиентности или импульсности – gs = S/t(lf, ) |
(6) |
фронтальной диффузности – Gs = dS/d[t(lf, )], |
(7) |
соотнося их и с фактором продолжительности контактирования |
рассматри- |
ваемых исходных компонентов или фаз.
Критериальные оценки (5-7) переменны во времени, и это соответствует сущности неоднородности как динамической характеристики строения и со-
стояния материала.
Наряду с введенными оценками градиента, коэффициента, индикатора разнородности (2-4) фронтальная протяженность, импульсность и диффузность скачка (5-7) являются, таким образом, самостоятельными важнейшими показа-
телями оценки неоднородности строения материалов. И, безусловно, обосно-
ванным следует считать анализ их влияния на свойства материалов. Наиболее очевидным представляется это в отношении сопротивления материалов меха-
25
ническому разрушению, прямо зависящего от особенностей концентрации и локализации напряжений на границе раздела, которая при постоянстве исход-
ных значений S, Ks и Is может меняться во времени и становиться существен-
но различной по фронтальной протяженности ts, импульсности gs и диффузности Gs.
Характеризуя особенности скачка, стоит специально остановиться на си-
туации, когда структура материала складывается, формируется из элементов
(частиц) одного по составу и свойствам рода. При объединении однородных элементов в гипотетическую систему без
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
межэлементных, межчастичных зазоров и |
||
|
|
|
SКп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пустот (континуально непрерывное запол- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нение объема) образуется, на первый взгляд, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
SКо |
|
|
|
|
|
t( |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
SКо |
однородный материал. И кажется, что ска- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чок на границе контакта элементов (частиц) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в таком материале отсутствует, градиент и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
индикаторы разнородности равны 0, а ко- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эффициент разнородности - 1. На самом же |
||
|
|
|
|
t( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
SКо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SКо |
деле рассматриваемая система обладает суб- |
||||
|
SКп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
станциональным скачком |
S на границе |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
раздела, поскольку объемные и поверхност- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ные характеристики состояния субстанции в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отдельно взятом элементе (частице) разли- |
|
|
|
|
SКп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
t( ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чаются. Вследствие этого |
данная система |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
SКо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SКо |
также является неоднородной по строению |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(рисунок 6), и может быть численно охарак- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|||||||
lf |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
теризована соответствующими значениями |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lf |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
критериев (2-7). |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рисунок 6.- Реализация скачка в од- |
Представленная группа критериальных |
||||||||||||||||||||
нокомпонентном по составу мате- |
оценок неоднородности строения (2-7), от- |
||||||||||||||||||||
риале |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ражающая ее как производную скачка субстанциональных характеристик на
26
границе раздела компонентов (фаз), должна применяться в совокупности с кри-
терием удельной площади межкомпонентной (межфазовой) поверхности гра-
ницы раздела FSуд в композите.
Критерий FSуд, то есть площадь поверхности границы раздела в единице объема композита, является функцией размера частиц компонентов (фаз) Dк
или их дисперсности Dк-1, объемного содержания Vк в материале и связанного с этим межчастичного расстояния к:
|
FSуд=f (Vк, Dк)=f (Vк, к)=f [ к (Vк, Dк)] |
|
(8) |
||||
|
|
|
Критерий FSуд, по существу, является функци- |
||||
i–тый компонент |
|
ей структурной дробности (фрактальности) объема |
|||||
|
|
|
|||||
1 |
|
|
композита. |
|
|
|
|
|
|
раздела |
Следует полагать, что |
с FSуд соотносится |
|||
|
|
возможная мера внутреннего рассеяния, диссипа- |
|||||
|
|
|
|||||
j–тый компонент |
Граница |
ствия по структурным (межкомпонентным, меж- |
|||||
2 |
|
||||||
|
|
|
ции, рассредоточения энергии внешнего воздей- |
||||
|
|
|
фазовым) границам и связям материала. Действи- |
||||
|
|
|
тельно, с повышением величины FSуд, то есть |
||||
|
|
|
дробности |
(фрактальности) |
структуры, |
вероят- |
|
3 |
|
|
ность рассеяния и фрактализации приложенной |
||||
|
|
Dk |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
внешней энергии в ней будет возрастать, а уро- |
||||
|
|
|
вень внутренних напряжений и деформаций по- |
||||
4 |
|
|
нижаться. Таким образом, система композита с бо- |
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
lf |
|
лее высоким значением FSуд |
должна при прочих |
|||
|
|
|
равных условиях проявлять себя относительно ме- |
||||
|
|
|
нее неоднородной (рисунок 7). |
|
|
||
FSуд1 FSуд2 |
FSуд3 FSуд4 |
|
С площадью поверхности FSуд связан еще один |
||||
FS1 FS2 |
FS3 FS4 |
|
|||||
|
показатель неоднородности строения композита – |
||||||
Рисунок 7.- |
Взаимосвязь удель- |
||||||
|
|
|
|
||||
ной площади границы раздела и |
объем, занимаемый в композите контактной зоной. |
||||||
дробности (фрактальности) |
|
|
|
|
|||
структуры |
|
|
Этот объем в удельном измерении |
|
V(ts) = FSуд t(lf, ). |
(9) |
27
Показатель V(ts) учитывает взаимовлияние структурных компонентов, от-
ражает изменение первоначальной (при = 0) структуры к моменту времени i.
Этим критерием учитывается динамический (в технологических и в эксплуата-
ционных процессах) характер формирования неоднородности строения строи-
тельных композитов, что важно для задач прогнозирования и управления их свойствами.
Предложенные критериальные характеристики неоднородности строения
(2-9) рассматривались вне связи с фактором размера тела Lx, получаемого из строительного композита. Учет этой связи предполагает введение в рассмотре-
ние признака (критерия) структурной конгруэнтности, то есть размерной, мас-
штабной соответственности. При этом следует говорить не об одном, а о не-
скольких относительно самостоятельных его (признака) реализациях и, соот-
ветственно, о нескольких его следствиях и эффектах в работе композита. В их числе, во-первых, это фактор соотношения размера, масштаба изделия из ком-
позита и максимального размера структурного элемента материала, а во-
вторых, - фактор размерной соответственности (соразмерности) структурных элементов смежных масштабных уровней в многоуровневой структуре компо-
зита. В такой постановке фактор размера (объема) тела, связываемый с положе-
ниями статистической теории прочности и принципом слабого звена, дополня-
ется факторами, которые могут целенаправленно регулироваться.
Если в металлах – материалах изначально микрогетерогенных – размер структурного элемента (зерна) относительно мал по сравнению с масштабом изделия, то в бетонах, например, этот размер уже может быть сопоставим с толщиной строительной конструкции. Поэтому при учете значения размера
(объема) изделия в первом случае доминирующую роль будет играть фактор вероятности нахождения опасных дефектов и слабых мест (слабого звена) в
объеме тела, то во втором совместно с ним будет «работать» и фактор мас-
штабного соотношения (соответствия) характеристического размера конструк-
ции и структурного компонента материала. Попутно отметим, что по Н.И. Кар-
пенко [43] и др., этот фактор имеет отношение к вопросу допустимости стати-
28
стического осреднения, в результате которого структурно–неоднородное тело можно рассматривать как имеющее условно однородную (квазиоднородную)
среду с так называемыми «эффективными» (эквивалентными) прочностными и деформативными характеристиками. Именно выполнение этого условия дает основания для применения в расчетах и проектировании конструкций из струк-
турно-неоднородных материалов методов механики сплошной среды.
Прикладные вопросы масштабной совместимости в работе бетонов с пози-
ций квазиоднородности исследовались И.Н. Ахвердовым, Ю.М. Баженовым,
О.Я. Бергом, В.В. Болотиным, Р.И. Будештским, А.А. Гвоздевым, С.С. Гордо-
ном, А.Е. Десовым, Ю.В. Зайцевым, И.А. Ивановым, С.М. Ицковичем, Н.И.
Карпенко, В.И. Кондращенко, Л.В.Куксой, Н.И. Макридиным, В.И. Морозо-
вым, Л.С. Морозом, В.П.Селяевым, М.М. Холмянским, В.И. Шевченко и дру-
гими и нашли, как уже указывалось, практическую реализацию в виде требова-
ний к допускаемой наибольшей крупности заполнителей в соответствии с раз-
мерами рабочих сечений бетонных и железобетонных изделий и «густотой» их армирования, а также при нормировании размера контрольных образцов бето-
нов для механических испытаний в зависимости от крупности заполнителя. Та-
кие требования и нормирование включают в себя, с одной стороны, назначение минимально допустимого размера образца, обеспечивающего выполнение ус-
ловия квазиоднородности в нем структуры бетона с данной крупностью запол-
нителя; с другой стороны, при оценке прочности материала вводятся поправоч-
ные коэффициенты, учитывающие меру статистической вероятности появления дефектов в образце при изменении базового регламентированного размера.
Отметим, что эти, в общем-то, известные положения относятся только к макромасштабному уровню. Однако, если принимать композит как многоуров-
невый по структуре конгломератный материал и, как своего рода, иерархически организованную «конструкцию» с ее разномасштабными структурными харак-
теристическими размерами, то следует полагать, что фактор конгруэнтности фактически реализуется на каждом масштабном уровне структуры, и для опти-
мизации структуры по критериям сопротивления разрушению учет его необхо-
29
дим на каждом из уровней. В этом случае роль «размерного мерила» квазиод-
нородности структуры может выполнять специально вводимый показатель
(критерий) структурной соразмерности (конгруэнтности) Nki структурных эле-
ментов i-того масштабного уровня структуры композита характеристическому размеру Lxi для этого уровня:
Nki = Lxi/Dвi, |
( 10) |
где Dвi - размер включения i-того масштабного уровня композита.
Если на макроструктурном (мегаструктурном) уровне за характеристиче-
ский принимается наименьший габаритный размер изделия, то на мезо-,
микро-, субмикроуровнях структуры – толщина слоя матрицы δм(i-1) (расстояние между соседними твердоили газофазовыми включениями) более крупного масштабного уровня структуры. Таким образом, в общем случае речь может
идти о системе показателей конгруэнтности: |
|
|
а) размеров включений – |
Nк(Dk) = Lx/Dв, |
(11) |
б) толщины межчастичного слоя матричного материала – Nк(dk) = Lx/dм, |
(12) |
|
в) единичной ячейки из включения и матричного слоя – Nк(Dв, dм) = Lx/(Dв + dм) |
(13) |
Существует ограничение на значения критериев (11, 12), заключающееся в условии Lx/Dв > 1; Lx/dм > 1. В случае, когда это условие не выполняется, в «по-
ле зрения» оказывается не композит, а субстанция одного из его компонентов.
Вопрос об учете конгруэнтности при конструировании структур потребу-
ет особого решения, и именно в связи с иерархичностью масштабных уровней структуры строительных композитов, формируемых по принципу «структура в структуре», каждая из которых представляет собой относительно самостоя-
тельную систему «матрица – включение» и может квалифицироваться как, сво-
его рода, «тело», «изделие». Последовательно на мезо-, микро-, субмикроуров-
нях структуры композита в качестве характеристического размера потребуется иметь в виду расстояние между соседними включениями (частицами, порами)
соответствующего структурного уровня, а для оценки неоднородности строе-
ния как иерархически обусловленной категории потребуется вводить показате-
ли конгруэнтности на каждом из этих уровней (рисунок 8). Принципиально
30