Учебники 80277

им антонимами беспорядок, разобщенность, рассогласованность, дезорганизо-

ванность, бесплановость, стохастичность, случайность, бессистемность, раз-

рывность, дискретность, дефектность, конгломератность, несовершенство, дис-

гармония.

Состав приводимых лексик, образующих, своего рода, «терминологиче-

скую матрицу» проблемы свидетельствует о том, насколько многоплановым и глубоким оказывается содержание категории неоднородность и насколько не-

простым оказывается вопрос качественно-количественного раскрытия этой ка-

тегории как объекта исследования в интересах использования результатов этого в задачах управляемого синтеза и конструирования структур строительных композитов.

Из приведенного, вероятно, не исчерпывающего перечня пар-антонимов,

очевидна необходимость осознания применимости их в терминологии теории структурного материаловедения, поскольку все эти «пары», так или иначе, мо-

гут соотноситься с категориями состав, структура, состояние, свойство, качест-

во и имеют непосредственное отношение к идентификации строения строи-

тельных композитов как неоднородно – однородных систем (сред), к решению задач конструирования и оптимизации их структур.

В процедуры такой идентификации и конструирования в терминологиче-

ский арсенал («терминологическую матрицу») войдут и применяемые извест-

ные материаловедческие термины (или, как говорят, ключевые слова): фаза

(твердая, газовая, жидкая), субстанция, компонент, кристалл, кристаллит, агре-

гат, агломерат, кластер, зона, матрица, включение, граница раздела фаз, мас-

штабные уровни, иерархия структуры – макро-, мезо-, микро-, субмикро-, нано,

гомогенность, гетерогенность, изотропия, анизотропия, вариатропия, конгру-

энтность, масштабный фактор, масштабный эффект и др. Именно с привлече-

нием этих терминов и в отношении этих терминов должно осуществляться ка-

чественно - количественное раскрытие значения категории структурная неод-

нородность строительных композитов для их свойств.

11

3. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ДАННЫХ ПО ПРОБЛЕМЕ

НЕОДНОРОДНОСТИ СТРОЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ЗАДАЧИ

РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ

Представляемая ниже укрупненная и краткая систематизация научных данных по проблеме неоднородности строения материалов и их приложений имеет целью обозначить достигнутое в разработке проблемы, выделить одно-

значно установленные факты, показать необходимость и актуальность развития дальнейших исследований.

Начнем анализ и систематизацию с того, что отметим основные, затраги-

вавшиеся в исследованиях предшественников и наших исследованиях, направ-

ления разработок по проблеме. Они касались задач:

1) выявления и идентификации признаков структурной однородности и неоднородности в строении природных неорганических и органических компо-

зиционных материалов;

2)идентификации строения искусственных композиционных материалов как структурно неоднородно-однородных систем;

3)осреднения свойств материалов при формализации их строения и наде-

лении признаками однородности, изотропности, сплошной среды, континуума; 4) рассмотрения и обеспечения условий квазиоднородности структуры ма-

териалов в рабочих сечениях конструкций; 5) рассмотрения и обеспечения возможностей получения достоверных

оценок механических и других свойств структурно – неоднородных материалов по результатам выборочных контрольных испытаний их образцов, соответст-

вующего нормирования и стандартизации испытаний; 6) оценки и учета вероятности присутствия дефектов в соотнесении с объ-

емом массива материала как статистического отражения неоднородности его структуры;

7) контроля, учета, технологического регулирования и управления харак-

теристиками меры неоднородности - однородности структуры материалов в

12

массиве при производстве изделий из них.

При этом рассмотрение неоднородности строения включало субстанцио-

нально-вещественные, размерно-геометрические, вероятностно-статистические характеристики и оценки состава, структуры, состояния, свойств материалов в их системной взаимосвязи и взаимообусловленности. Отметим специально, что такое рассмотрение затрагивало области материаловедения, механики материа-

лов, метрологии, механики конструкций, их расчета и проектирования, техно-

логии производства материалов и изделий. И это показывает всеобщность и комплексность значимости категории «структурная неоднородность», содержа-

тельную ее многоплановость (многоаспектность) в науке, технологии и техни-

ке.

В исследованиях проблемы неоднородности строения материалов посте-

пенно складывался и формировался понятийный аппарат. В его арсенале поя-

вились термины изотропия, вариатропия, иерархичность, регулярность, детер-

минизм строения. Они отражали признаки, своего рода, упорядоченности и, в

известном смысле, определенной однородности строения. С другой стороны,

стали привлекаться понятия конгломератности, хаотичности, стохастичности строения, статистической вероятности, что явно соответствовало признакам структурной неоднородности. Особым моментом явилось введение понятий конгруэнтность (соразмерность), масштабный фактор и масштабный эффект,

которые обрели количественную интерпретацию. Одним из реализаций поня-

тий масштабного фактора стало его приложение в статистической теории проч-

ности и разрушения материалов; другое его приложение отразилось в задачах,

связанных с условиями обеспечения принципа квазиоднородности материала, а

также конгруэнтности его строения, в том числе с учетом характеристического размера конструкций.

Указанные выше задачи и их рассмотрение, полученные результаты яви-

лись предметом и итогом работ многих ученых. Побудительными мотивами постановки этих работ было, во-первых, стремление сформировать определен-

ную логику отражения особенностей строения неоднородных материалов, и,

13

во-вторых, раскрыть, опираясь на это, механизмы проявления конструкцион-

ных свойств материалов, механизмы их разрушения как функцию специфиче-

ского неоднородного строения. В этом стремлении соединились интересы спе-

циалистов по материаловедению и технологии, специалистов по теории расчета строительных конструкций. Отражением этого для последних явилось привле-

чение методологии структурного подхода в механике композитных материалов и конструкций из них, с чем связывались перспективы развития строительной механики, обсуждавшиеся В.В.Болотиным с коллегами в монографии 1972 г.

издания [27]. При этом «чисто феноменологическому пути построения механи-

ки композитов» в качестве альтернативы выдвигался второй путь построения теории деформирования и разрушения композитов, базирующийся «на струк-

турных соображениях» и предполагающий рассмотрение композитов на не-

скольких, отличающихся масштабом длины, уровнях описания их структуры,

уровнях структурной неоднородности [27, с.68]. Этот второй путь [28-30], и по смыслу и по времени актуализации, совпадал со становлением основ теории полиструктурности, масштабной многоуровневости строения строительных ма-

териалов [31-41]. То есть фактически происходило параллельное развитие в одном направлении идей сопротивления материалов, строительной механики конструкций и идей системно-структурного материаловедения строительных композитов, объединяемых проблемой учета структурной неоднородности. Та-

кое развитие было подготовлено и стимулировано предшествующими достиже-

ниями в области теоретического и прикладного материаловедения, теории раз-

рушения и прочности материалов и конструкций. Важным в этом отношении стало формирование статистической теории прочности. В соответствии с этой теорией полагалось, что в структурно-неоднородном материале всегда стати-

стически вероятно существование его микрообъемов, имеющих дефекты и по-

тому наиболее напряженных и опасных с точки зрения возможного развития в них процесса разрушения. Согласно статистической теории прочности возрас-

тание вероятности такого разрушения связывалось с увеличением объема ма-

териала и статистической вероятности наличия в этом объеме структурных не-

14

родных материалов. Возможности такого управления, достигаемого при синте-

зе и конструировании структур и технологическом получении материалов, тре-

буют соответствующего научного (теоретического и прикладного) обоснования

– выработки концепций, определения подходов, разработки принципов, посту-

лирования положений и доказательства решений.

Остановимся на этом в форме систематизации и краткого анализа наших разработок, имея в виду определенное их место в совокупности накапливаемого для такого научного обоснования знания.

Прежде всего укажем, что «ядром», центром проблемы учета структурной неоднородности материалов с точки зрения существа ее проявления в форми-

ровании и реализации конструкционных свойств материалов является вопрос соотнесения структуры и ее сопротивления разрушению, понимаемому нами в самом широком смысле - и в отношении внешних эксплуатационных воздейст-

вий (нагрузок), и в отношении работоспособности и долговечности.

Условия, энергетика процесса разрушения «нагружаемого» материала нахо-

дятся в прямой зависимости от природы физико-химических связей структурных элементов твердой фазы, «создающих» потенциал сопротивления материала действующим напряжениям (физика прочности), а с другой стороны, - от осо-

бенностей ослабления материала его структурными элементами (частицами твердой фазы, порами, дефектами) как концентраторами напряжений (механика прочности). Результат возможного «технологического» управления показателя-

ми сопротивления разрушению определяется тем, насколько предпринимаемые при конструировании и изготовлении материала изменения его состава, структу-

ры и состояния способны влиять на характеристики его физических и физико-

химических связей, на повышение однородности поля напряжений и снижение величины концентрации напряжений при действии внешних нагрузок, на изме-

нение мест зарождения, траектории движения, длины фронта, энергии роста ма-

гистральной трещины. Исходя из сказанного, оптимальность параметров при-

нимаемого состава и целенаправленно формируемой (конструируемой) струк-

туры материала по критерию максимума потенциала его сопротивления

16

разрушению рассматривается на ос-

нове введенных нами [1] трех кон-

цептов управления сопротивлением разрушению (рисунок 1).

Первый из этих концептов от-

ражает влияние меры однородности

(неоднородности) конгломератной структуры на формирование в мате-

риале поля внутренних напряжений,

характеризуемого однородностью

(неоднородностью) по локализации и концентрации, величине таких внутренних напряжений. Второй концепт учитывает, что потенциал сопротив-

ления разрушению, помимо условий трансформации внешней нагрузки во внутренние напряжения, определяется количеством и качеством физических и физико-химических связей между омоноличивающим веществом (матрица) и

наполняющими материал частицами (включения), а также внутренними связя-

ми частиц самого омоноличивающего вещества и самих наполняющих частиц.

Третий концепт отражает возможности торможения трещин за счет действия структурных элементов материала как фактора изменения параметров энерге-

тического баланса в зоне фронта развивающихся трещин при хрупком разру-

шении конгломератного материала.

Указанные три концепта, интегрирующие положения и принципы физики и механики прочности, имеют непосредственное отношение к обоснованию системы «структурных факторов управления» сопротивлением разрушению при силовом, а также при любом другом (термическом, влажностном, химиче-

ском и т.п.) нагружении.

Обратимся к рассмотрению доминантного концепта о существе роли структурной неоднородности в формировании параметров поля напряжений в материале при его эксплуатационном нагружении.

17

И.М. Грушко [31]; б) по Н.И. Карпенко [43] матричной субстанции того или иного из этих уровней (рисунок 3). Соответственно этому максимальная величина ло-

кального напряжения σloc.max представляется как

(1)

где σо = P/F – величина среднего макроскопического напряжения в расчете на все сечение F, воспринимающее внешнюю нагрузку P;

k1, k2, …, kn – коэффициенты усиления напряжения от действия соответствую-

щих концентраторов напряжения на n-масштабных уровнях структуры (напри-

мер, крупно- и мелкозернистого бетона, микробетона, цементирующего веще-

ства, кристаллического сростка, индивидуального кристалла).

18

Рисунок 3. -Схема процесса роста напряжений, развития деформаций и разрушения бетонов при механическом нагружении [1]

Таким образом, концентрация и локализация напряжений, являясь неотъ-

емлемыми чертами энергетического состояния нагружаемого композита, опре-

деляются характеристиками неоднородности его состава и структуры.

В этой связи целесообразно отметить следующие, возможно очевидные,

но, безусловно, важные для конструирования структуры материала положения:

1) потенциал сопротивления материала разрушению, предопределяемый, с

19

одной стороны, природой физических и физико-химических связей, приводя-

щих к образованию «структур твердого состояния», с другой стороны, зависит от особенностей ослабления материала его структурными элементами и де-

фектами, одновременно являющимися признаками и носителями неоднородно-

сти и выступающими в роли концентратов напряжений;

2) параметры возникающего в материале поля деформаций и напряжений обусловлены особенностями состава и структуры материала, поэтому целена-

правленное формирование состава и структуры определяет существо управле-

ния напряженно-деформированным состоянием материала, возникающим при силовых и других воздействиях на него;

3) повышение потенциала сопротивления материала разрушению обуслов-

лено возможностями снижения величины локальных концентраций напряжений

внем, то есть снижения неоднородности поля деформаций и напряжений;

4)понижение неоднородности поля деформаций и напряжений, связанное с изменением субстанциональных, пространственно-геометрических и стати-

стических характеристик неоднородности материала в пределах каждого мас-

штабного уровня его структуры, может способствовать вовлечению в работу сопротивления действующим внешним силам бóльшего объема материала и бóльшего числа структурных связей. Чем бóльшее число «статистически рав-

нопрочных» связей в бóльшем объеме материала на соответствующем мас-

штабном уровне одновременно включится в сопротивление внешним силовым воздействиям, тем меньшим окажется уровень напряжения связей, тем при бо-

лее высоких напряжениях и с большей затратой энергии станет происходить разрушение композита [9].

Данные выводы отражают известное и важнейшее в материаловедении и технологии композитов положение о необходимости обеспечения возможно наименьшей неоднородности состава и структуры материала. Этим положени-

ем диктуются определенные требования к выбору исходного сырья, способам его подготовки, условиям перемешивания и формования и др. Реализация всего этого комплекса рецептурно-технологических требований должна быть под-

20