Учебники 80277
.pdfσIIоi = |
(Кmд; σIоi ). |
(19) |
Фактор времени |
с развитием эксплуатационных воздействий среды и со- |
ответствующим накоплением дефектов в материале, то есть нарастанием неод-
нородности во времени, изменяет σоi , в результате чего имеем
σIIIоi = Θ[ Кэд ( ); σIIоi ] |
(20) |
Очевидно, что σIIIоi > σIIоi > σIоi > σоi , |
(21) |
поскольку формально вычисленное σоi в расчете на рабочее сечение в предпо-
ложении бесструктурности материала (модель сплошной среды) в реально структурированном материале преобразуется в более высокие по сравнению с
σоi внутренние напряжения.
Таким образом, еще до того как будет анализироваться формирование на-
пряженного состояния материала при учете влияния фактора мегаструктуры материала, то есть фактора конгруэнтности его макроструктуры характеристи-
ческому размеру конструкции (масштабный фактор), потребуется учесть дейст-
вие рассмотренных «атрибутов», то есть «появляющихся» у категории неодно-
родность новых ее признаков, если (и когда) рассматривается система «матери-
ал – конструкция – среда».
Учет фактора конгруэнтности дает
σIVоi = Z (Ккм; σIIIоi). |
(22) |
Ясно, что локальное максимальное напряжение в структурных связях ма- |
|
териала, работающего в строительной конструкции, |
|
σloc.max >> σIVоi , |
(23) |
так как величина σIVоi многократно возрастает при включении в действие кон-
центраторов напряжений К1 …. Кn на n-масштабных уровнях конгломератной структуры (внутренней структуры) композита.
Именно на основе рассмотренных положений и постулируется выражение
(17), которое вытекает из логического сочленения выражений (18-22). Выраже-
ние (17) объединяет в себе все возможные атрибуты категории неоднородность при рассмотрении проявления ее роли в системе «материал – конструкция – среда».
41
Важно, что выражение (17), интегрирующее концепции и подходы расчет-
чиков и материаловедов-технологов, позволяет одновременно разделить задачи и тех и других в проблеме повышения качества материала и конструкций по показателям эффективности их (материала в конструкции и конструкции из ма-
териала) работы, предопределяемой возможностями управления сопротивлени-
ем строительных композитов разрушению на основе оптимизируемых процедур конструирования их структур с учетом доминантного положения и системного расширенного толкования роли категории неоднородность строения в функ-
ционирующих системах «материал - конструкция – среда».
В этом смысле в составе задач для материаловедов-технологов выделим: 1) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твер-
дого тела в отвлеченности от структуры конструкции;
2)задачу идентификации технологической дефектности как атрибута структурной неоднородности композита в строительной конструкции;
3)задачу идентификации эксплуатационной дефектности, то есть «наве-
денной неоднородности» (по терминологии академика В.В.Петрова) при работе композита в конструкции;
4) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твер-
дого тела в структуре конструкции, то есть материала, характеризуемого по па-
раметрам мегаструктуры и критериям ее конгруэнтности структуре конструк-
ции, по параметрам технологической и эксплуатационной дефектности и соот-
ветствующей неоднородности; 5) задачу аналитического учета показателей, критериев структурной неод-
нородности в явлениях, процессах и параметрах формирования напряженного состояния материала в строительной конструкции.
Разрешение этих задач является необходимой предпосылкой для обосно-
вания материаловедческих и технологических условий управления сопротивле-
нием конгломератных строительных композитов разрушению, для обоснования процедур оптимизируемого конструирования их структур с целью повышения эксплуатационных качеств строительных конструкций.
42
7. ИДЕНТИФИКАЦИЯ СТРОЕНИЯ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ КОНГЛОМЕРАТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ
Исходные посылки идентификации. Распознавание и представление,
отождествление строения конгломератных по структуре композитов понимает-
ся как этап, предшествующий формализации структурно-неоднородных строи-
тельных композитов – формализации, необходимой для их физического моде-
лирования в целях соответствующих аналитических описаний напряженно-
деформированного состояния на основе постановки задач механики деформи-
руемого твердого тела для композитов этого рода. Такие постановки могут ка-
саться вопросов совместной работы системы «матрица – включение» из разно-
деформируемых компонент, локализации и концентрации напряжений в матри-
це от включений в нее твердых составляющих и пор, от трещин и т.д. и т.п.
Идентификация как этап формализации структуры должна отвечать усло-
вию адекватного отображения реального строения неоднородного композита в его моделях механики деформируемого твердого тела, в соответствующих ана-
литических описаниях закономерностей формирования напряженно-
деформированного состояния, знание которых рассматривается в качестве фун-
даментального основания для решения вопросов управления сопротивлением конгломератных строительных композитов разрушению через конструирование
иоптимизацию их структур, работающих в строительных конструкциях.
Вконтексте такого понимания места проблемы идентификации строения структурно-неоднородных конгломератных строительных композитов обосно-
ванной следует считать логику ниже представляемой схемы (рисунок 14). В ло-
гике данной схемы отражается важнейшее концептуальное положение и разви-
вающаяся тенденция сближения и интегрирования интересов и подходов спе-
циалистов по механике деформируемого твердого тела [27, 43, 51], механике материалов (композитов), механике конструкций [52-56], с одной стороны, ма-
териаловедов-технологов, - с другой [57-61].
43
1.Идентификация, отождествление строения структурно-неоднородного композита
2.Формализация строения структурно-неоднородного композита
3.Обоснование моделей механики композита как деформируемого твердого тела
4.Разработка аналитических соотношений для явлений формирования (диссипация, локализация, концентрация) напряженно-деформированного состояния
структурно-неоднородного композита с учетом факторов строения
5.Обоснование направлений, принципов конструирования структур структурнонеоднородных композитов с повышенным уровнем качества по потенциалу
сопротивления разрушению
6.Алгоритмизация процедур конструирования структур
7.Экспериментальные исследования по конструированию структурно-
неоднородных систем и их оптимизации
8. Обоснование и выбор технологических решений по получению композитов и конструкций задаваемого качества
Рисунок 14.- Место идентификации в логике решения задачи оптимизации строения структурно-неоднородных конгломератных строительных композитов
Действительно, реализуя позиции 1, 2 представленной схемы, материало-
веды дают материаловедческую информацию для специалистов по строитель-
ной механике, механике деформируемого твердого тела, механике композитов,
разрабатывающих позиции 3, 4; затем материаловеды, опираясь на эти разра-
ботки, аналитически раскрывающие существо влияния характеристик и крите-
риев структурной неоднородности на свойства композитов, решают вопросы конструирования структур композитов (позиции 5,6), а далее технологи выби-
рают и реализуют рецептурнотехнологические решения по получению компо-
зитов и конструкций задаваемого качества (позиция 7, 8).
Методология идентификации структуры опирается на концепцию систем-
но-структурного подхода в строительном материаловедении [1], предусматри-
вающем комплексность постановки задачи идентификации, системность пред-
ставления строения композита, качественную и количественную характеристи-
44
ку структуры, выполнение требования адекватности ее отображения, достовер-
ности оценки [62-65].
В соответствии с этим идентификация структуры должна осуществляться с учетом следующих исходных посылок:
1) структурные элементы необходимо выделять по масштабным уров-
ням материала, располагаемым в определенной иерархической последователь-
ности, отражающей, во-первых, функциональную роль каждого масштабного уровня структуры в материале и, во-вторых, характеристический размер его структурного элемента. Эта первая посылка связывается с рассмотрением воз-
можностей и условий управления качеством материала через регулирование параметров структуры на всех доступных технологическому влиянию мас-
штабных уровнях;
2) структурные элементы масштабных уровней следует вычленять на основе значимых признаков, которые, с одной стороны, связаны с особенностя-
ми возникновения и формирования соответствующего структурного элемента
(технологически значимые признаки), а с другой, - с действием этого элемента на эксплуатационные свойства материала (функционально значимые признаки).
Такое выделение структурных элементов позволяет обеспечить предпосылки как для оценки механизма действия структурного элемента на свойства мате-
риала, так и для обоснования позиций по направлениям регулирования пара-
метров этого элемента с помощью технологических факторов управления структурообразованием;
3) структурные элементы должны рассматриваться во взаимной обу-
словленности. Это положение вытекает из того, что изменение параметров лю-
бого структурного элемента материала оказывает системное влияние на усло-
вия формирования в параметры других из них. Например, величина объема по-
рового пространства влияет на условия кристаллизации новой фазы и ее харак-
теристики; с другой стороны, изменение вследствие этого режима кристаллиза-
ции отражается на морфологии и функции распределения по размерам частиц образующейся твердой фазы, что приводит к изменению распределения пор по
45
размерам в объеме порового пространства;
4) выделяемые структурные элементы должны быть измеряемыми, что является необходимым условием их количественной оценки, установления ко-
личественных соотношений (зависимостей) между рецептурно-
технологическими факторами, параметрами состава, структуры, состояния и свойствами получаемого материала;
5) выделяемые структурные элементы должны приниматься с присущей им неоднозначностью - двойственностью в смысле их роли в материале: с од-
ной стороны, они являются его необходимыми конструктивными частями,
обеспечивающими получение требуемых, задаваемых свойств, а с другой, вы-
ступают как своеобразные «дефекты» структуры, способные ухудшать другие свойства. Например, введение в материал дополнительного объема пор повы-
шает термическое сопротивление материала, но одновременно вызывает сни-
жение его прочности.
Идентификация структуры конгломератного строительного компо-
зитов (на примере бетонов). Бетоны как строительные конгломератные мате-
риалы с полным основанием относятся к классу композитов. Общими призна-
ками структуры строительных конгломератов являются их многокомпонент-
ность, многофазность, полидисперсность, гетерогенность, полиструктурность,
детерминированность, стохастичность, дефектность, однородность - неодно-
родность. Строительные конгломератные композиты постулируются как одно-
родно-неоднородные системы с многоуровневой иерархически организованной
структурой, каждый масштабный уровень которой представляет собой двух-
компонентное образование из пространственно непрерывной матрицы и де-
терминированно-стохастически распределенных в ней дискретных твердофазо-
вых и газофазовых включений.
Объективной характеристикой двухкомпонентных образований «матрица-
включение» каждого масштабного уровня является граница раздела, имеющая
контактную поверхность и приграничный объем, то есть контактную зону, со свойствами, предопределяемыми механо – физико - химическим взаимодейст-
46
вием субстанции матрицы и субстанции включения.
В рамках решения задачи идентификации строения бетона как структурно-
неоднородного твердого тела предложена соответствующая систематизация со-
ставляющих его элементов, дана их иерархия (таблица 1) и охарактеризованы двухкомпонентные системы «матрица – включение» по масштабным уровням структуры (таблица 2).
Опираясь на эти предложения, остановимся на вопросах идентификации матриц, включений, контактной их зоны и границ раздела.
Касаясь матриц, прежде всего, отметим, что их субстанция явно неодно-
родна. Поскольку речь идет о матрицах разномасштабного структурного уров-
ня, она (субстанция) оказывается различной по составу, плотности, пористости,
механическим свойствам и т.п. При формализации, физическом и математиче-
ском моделировании структурно-неоднородным матрицам «будут присваивать-
ся» признаки сплошной среды, основанием к чему может являться принятие и обеспечение условия квазиоднородности структуры матричной субстанции в межчастичных, межзерновых и межпоровых зазорах включений структуры бо-
лее крупного масштаба, в которой эта субстанция выполняет роль матрицы.
В бетоне в качестве матричной субстанции последовательно по масштабным уровням структуры будут выступать (см. таблицу 1) цементно-песчаный камень,
цементный камень (микробетон), цементирующее вещество, новообразования це-
ментирующего вещества, твердая фаза новообразований, субстанция единичного структурного элемента новообразования. И это будет соответствовать масштабно-
му порядку от макроструктурного до наноструктурного уровня.
Идентификация включения должна касаться их субстанции и соответст-
венно свойств, а также размера и формы. Очевидно, что соответственно струк-
турному масштабу включения будут различаться по виду и своим характери-
стикам. В этом отношении, прежде всего, следует говорить о твердофазовых и газофазовых включениях (порах). В принципе к включениям следует отно-
сить разновидности армирующих элементов дисперсного типа; к включениям должны относиться и несовершенства (дефекты) структуры, трещины.
47
Таблица 1 - Многоуровневая организация структуры конгломератных строительных компо-
зитов (иерархия структуры) на примере плотных, макро- и микропористых бето-
нов [1]
Масштабные уровни структуры |
Идентификация уровня структуры |
||||
|
|
||||
Мегакомпозиционный (структура материала |
Строительная конструкция |
||||
в структуре конструкции) |
|
Характеристические размеры – наи- |
|||
|
|
||||
|
|
меньший размер рабочего сечения; |
|||
|
|
Матричный материал – бетоны (плот- |
|||
|
|
ные, макропористые; тяжелые, легкие; |
|||
|
|
крупно-, мелко-, микрозернистые и т.п.) |
|||
|
|
Включения: зерна крупного заполните- |
|||
|
|
ля, упорядоченно размещенные в объеме |
|||
|
|
конструкции арматурные элементы, кон- |
|||
|
|
структивные пустоты и отверстия, функ- |
|||
|
|
циональные слои d 5·10-3 м; |
|||
|
|
Контактная зона – слой бетона вблизи |
|||
|
|
арматуры t |
|
= 10-2 м; |
|
|
|
Неоднородности и дефекты в струк- |
|||
|
|
туре конструкции: геометрическая неод- |
|||
|
|
нородность конструкции, макроструктур- |
|||
|
|
ная неоднородность материала, макротре- |
|||
|
|
щины, |
обнажение арматуры, каверны и |
||
|
|
т.д. d |
10-3 м. |
||
|
|
|
|||
Макрокомпозиционный |
|
Материал конструкции (бетон) |
|||
(0,2 0,5)·101 |
|
Характеристический размер - наи- |
|||
|
|
меньший размер сечения конструкции t |
|||
|
|
3·10-2 м; |
|
|
|
|
|
Матрица - цементно-песчаный камень; |
|||
|
|
Включения – зерна крупного заполни- |
|||
|
|
теля d = 5·10-3…1,5·10-1м в плотных бето- |
|||
|
|
нах; разноразмерные макропоры d=5·10-5 |
|||
|
|
…5·10-3 м в макропористых бетонах; |
|||
|
|
Контактная зона: |
|||
|
|
1) «заполнитель – цементно-песчаный |
|||
|
|
камень» t = (2…5)·10-5 м; |
|||
|
|
2) поверхность раздела твердой и газо- |
|||
|
|
вой фаз; |
|
|
|
|
|
Неоднородности и дефекты в струк- |
|||
|
|
туре материала конструкции: макромас- |
|||
|
|
штабная анизотропия, макромасштабная |
|||
|
|
структурная неоднородность, макротре- |
|||
|
|
щины, разрывы межпоровых перегородок |
|||
плотный |
пористый |
и т.д. d |
10 |
-4 |
м; |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
48
|
Продолжение таблицы 1 |
|
Мезокомпозиционный |
Цементно-песчаный камень (матрица) |
|
(2 5)·101 |
бетона |
|
Характеристический размер – тол- |
||
|
||
|
щина межзернового слоя или межпоро- |
|
|
вой перегородки бетона; |
|
|
Матрица - цементный камень (мик- |
|
|
робетон); |
|
|
Включения – зерна мелкого заполни- |
|
|
теля d = 1,4·10-4…1,5·10-1 м; |
|
|
Контактная зона: «заполнитель – |
|
|
цементный камень» t = (2…5)·10-5 м |
|
|
(2…5)·104 нм); |
|
|
Неоднородности и дефекты в струк- |
|
|
туре цементно-песчаного камня: мезо- |
|
|
структурная неоднородность, макро- и |
|
|
мезотрещины d 10-4 м (105 нм) |
|
|
|
|
Микрокомпозиционный |
Цементный камень (микробетон) це- |
|
(2 5)·102 |
ментно-песчаного бетона |
|
|
Характеристический размер – тол- |
|
|
щина межзернового слоя цементно- |
|
|
песчаного камня или межпоровая пере- |
|
|
городка макропористого бетона; |
|
|
Матрица – цементирующее вещество; |
|
|
Включения – зерна инертного микро- |
|
|
наполнителя, остаточные зерна химиче- |
|
|
ски активного микронаполнителя, негид- |
|
|
ратированные зерна клинкера |
|
|
d = 10-5…2·10-4 м (104…2·105 нм), капил- |
|
|
лярные поры d = 1·10-6…2·10-4 м |
|
|
(1·103…5·104 нм); |
|
|
Контактная зона в системе «зерно |
|
|
включения – цементирующее вещество», |
|
|
поверхность раздела твердой фазы и га- |
|
|
зовой фазы; |
|
|
Неоднородности и дефекты в струк- |
|
|
туре цементного камня: микрокомпози- |
|
|
ционные неоднородности, микротрещи- |
|
|
ны |
|
|
|
49
|
|
|
Продолжение таблицы 1 |
|||
Субмикрокомпозиционный |
Цементирующее вещество (матрица) |
|||||
(5 7)·103 |
микробетона |
|
|
|
|
|
|
Характеристический размер – тол- |
|||||
|
щина межзерновой прослойки в микро- |
|||||
|
бетоне; |
|
|
|
|
|
|
Матрица – новообразования цемен- |
|||||
|
тирующего вещества; |
|
|
|
||
|
Включения: капиллярные поры |
|
||||
|
d = 1·10-6…2·10-4 м (1·103…5·104 нм); |
|
||||
|
Контактная |
зона: |
межансамблевые |
|||
|
контакты, поверхность раздела твердой и |
|||||
|
газовой фаз; |
|
|
|
|
|
|
Неоднородности и дефекты в струк- |
|||||
|
туре цементирующего вещества: ан- |
|||||
|
самбли (кластеры) кристаллитов, скры- |
|||||
|
токристаллическая и аморфная фазы но- |
|||||
|
вообразований, микротрещины |
|
||||
|
|
|
||||
Ультрамикрокомпозиционный |
Совокупности новообразований – |
|
||||
(1 1,5)·104 |
ансамбли, кластеры кристаллитов, |
|||||
|
скрытокристаллических и аморфных |
|||||
|
фаз в цементирующем веществе |
|
||||
|
Характеристический размер: размер |
|||||
|
ансамблей, кластеров, кристаллитов, зон, |
|||||
|
скрытокристаллических и аморфных фаз; |
|||||
|
расстояние между ансамблями, класте- |
|||||
|
рами, кристаллитами, зонами скрытокри- |
|||||
|
сталлических и аморфных фаз; |
|
||||
|
Матрица: твердая фаза новообразо- |
|||||
|
ваний; |
|
|
|
|
|
|
Включения: |
поры |
кристаллического |
|||
|
сростка, |
скрытокристаллических |
и |
|||
|
аморфных образований; межансамбле- |
|||||
|
вые и межкластерные поры |
|
|
|||
|
d = 1·10-8…5·10-6 м (10…1000 нм); |
|
||||
|
Контактная зона: поверхность раз- |
|||||
|
дела твердофазовой |
и |
газообразной |
|||
|
(поровой) составляющих новообразова- |
|||||
|
ний цементирующего вещества; |
|
||||
|
Неоднородности и |
дефекты |
в |
|||
|
ансамблевой, кластерной структуре це- |
|||||
|
ментирующего вещества: нарушения в |
|||||
|
местах |
контактирования |
кристалличе- |
|||
|
ских, скрытокристаллических и аморф- |
|||||
|
ных образований, ансамблей и кластеров. |
50