close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

303.Чернышов Е.М

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Российская академия
архитектуры и строительных
наук
Центральное региональное
отделение
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный
архитектурно-строительный университет
Академический научно-творческий центр «Архстройнаука»
Е.М.Чернышов, Е.И.Дьяченко, А.И.Макеев
НЕОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ
И СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ
КОНГЛОМЕРАТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ:
ВОПРОСЫ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКОГО ОБОБЩЕНИЯ
И РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ
Под общей редакцией
академика Чернышова Е.М.
Воронеж – 2012
УДК 691.3.004.63
ББК 38.31
Ч-497
Рецензенты:
В.П.Селяев, академик РААСН, доктор технических наук,
профессор, зав. кафедрой строительных конструкций
Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева
Ю.В.Пухаренко, член-корреспондент Российской академии
архитектуры и строительных наук, д-р техн. наук, проф.,
зав. кафедрой строительных материалов и технологий
С-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета
Чернышов, Е.М. Неоднородность структуры и сопротивление разруЧ-497 шению конгломератных строительных композитов: вопросы материаловедческого обобщения и развития теории: монография/Е.М.Чернышов, Е.И.Дьяченко, А.И.Макеев; под общ. ред. акад.
Чернышова Е.М.; Воронежский ГАСУ.- Воронеж, 2012 - 98 с.
В монографии конгломератные строительные композиты рассматриваются
как структурно-неоднородные системы, объективно предопределяющие формирование в них полей с локализацией и концентрацией напряжений в условиях механического нагружения в строительных конструкциях. Обсуждаются
возможности и условия аналитического учета механизмов влияния однородности-неоднородности структуры на сопротивление строительных композитов
разрушению. Предложены аналитические соотношения для величины локального максимального напряжения в конгломератном композите, формирующегося в связи с проявлением действия выделенных критериев и характеристик
неоднородности его структуры.
Предназначена для научных работников и специалистов в области строительного материаловедения и технологии, для преподавателей, аспирантов,
студентов по направлению «Строительство».
Ил. 28. Табл. 3. Библиогр.: 85 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Воронежского ГАСУ
УДК 691.3.004.63
ББК 38.31
ISBN 978-5-89040-406-0
с Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И.,
Макеев А.И., 2012
с ЦРО РААСН
с Воронежский ГАСУ, 2012
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Разработка материаловедческой проблемы неоднородности структуры и
прочности конгломератных строительных композитов занимает наше внимание
с начала 70-х годов прошлого века, а целенаправленно ведется последние тридцать лет [1-23]. Накопленное в результате выполненных исследований знание
определило актуальность разработки теоретических вопросов, связанных с рассмотрением возможностей и условий аналитического учета механизмов и закономерностей проявления общего для конгломератных строительных материалов признака «структурной неоднородности» в формировании их конструкционных свойств. Необходимость и целесообразность этого понимается нами в
контексте современных направлений и концепций развития теории синтеза и
конструирования структур с оптимальным по критериям сопротивления разрушению качеством в соотнесении его (качества) с задачами повышения эффективности функционирования строительных конструкций.
Представляемая монография по своей цели и содержанию рассматривается
с позиций как определенного обобщения по этой материаловедческой проблеме, так и необходимого дополнительного ее развития, в котором нами выделяются следующие логически взаимосвязанные разделы (этапы):
1) современная постановка проблемы «структурная неоднородность строения» как фундаментальной материаловедческой категории, как доминантного
признака структурированных систем (конструкционных материалов);
2) рассмотрение, уточнение и формирование понятийного аппарата, связанного с проблемой структурной неоднородности строения;
3) систематизация научных данных, накопленных по проблеме в предшествующие периоды развития материаловедения, в том числе строительного материаловедения; констатация однозначно установленных фактов и актуализация развивающих и по-новому раскрывающих проблему исследований;
4) обоснование «ядра», центра проблемы аналитического учета структурной неоднородности с точки зрения ее проявления в формировании и реализа3
ции показателей сопротивления материалов разрушению;
5) идентификация структур строительных композитов (в первую очередь
конгломератных) в контексте углубленной трактовки категории неоднородности их строения;
6) формализация и моделирование структур строительных композитов,
обладающих присущими им признаками однородности и признаками неоднородности;
7) обоснование факторного пространства для качественного аналитического учета значения и роли категории «неоднородность строения» в формировании прочностных свойств строительных композитов;
8) разработка аналитических соотношений, учитывающих механизмы и
факторы влияния неоднородности строения на формирование характеристик
материалов по показателям их сопротивления разрушению;
9) обоснование положений и алгоритмов управления структурой (синтез и
конструирование структур) конгломератных строительных композитов в задачах обеспечения задаваемого уровня качества по показателям сопротивления
разрушению.
Представляется, что такое программирование работ по проблеме, как раз, и
будет отвечать обозначенным целям обобщения и теоретического ее развития, а
выполнение работ и получение результатов может составить новую сумму знания в системно-структурном материаловедении строительных композитов, составить необходимую информационную базу для научно-обоснованного решения прикладных материаловедческих и технологических задач управления качеством строительных материалов по показателям их сопротивления разрушению.
Академик Чернышов Е.М.
4
1. ОБЩИЕ ИСХОДНЫЕ ПОСЫЛКИ
Структурная неоднородность строительных композитов является общим
объективно-субъективным их признаком и должна квалифицироваться в качестве фундаментальной категории [10] материаловедения и технологии, расчета
и проектирования композитов и конструкций.
В материаловедении, как науке о свойствах композитов, эта категория занимает центральное положение при раскрытии закономерных связей в системе
«состав – структура – состояние - свойства», что предопределяется приоритетным значением признаков неоднородности при реализации функций композитов, при управлении их качеством материалов в задачах синтеза и конструирования оптимальных структур.
В технологии, как науке о принципах и способах управления процессами
структурообразования материалов, эта категория в ее соответствующих характеристиках состава, структуры, состояния оказывается мерилом, критерием оптимальности рецептурно-технологических решений при получении композитов
требуемого и задаваемого качества.
В механике композиционных материалов, каковыми являются и строительные материалы, структурная неоднородность принимается как их общий
признак, требующий соответствующего учета при идентификации материалов
как деформируемых твердых тел, при математическом моделировании определяющих для них соотношений. Это делается в рамках процедур введения так
называемых эффективных (эквивалентных) характеристик материала, наделяемого признаками сплошной среды, континуума, то есть в рамках принципа «осреднения структурированной среды материала».
В теории расчета строительных конструкций структурная неоднородность
материала, будучи учтенной введением осредненных эффективных (эквивалентных) его характеристик для соответствующей принятой модели сплошной
среды, оказывается, наряду с другими, одной из причин необходимости вероятностного подхода при формализации и математическом моделировании на5
пряженно-деформированного состояния, статистической идентификации и интерпретации технических свойств материала.
Таким образом, структурная неоднородность оказывается центральной категорией материаловедения, технологии, механики композитов, теории и практики расчета строительных конструкций. И это является фактором, объединяющим интересы специалистов по механике материалов и теории расчета
строительных конструкций, с одной стороны, по материаловедению и технологии композитов, с другой.
Вместе с этим, при общности интересов есть и их различие: для расчетчиков-конструкторов материал выступает «объектом и предметом потребления»,
а для материаловедов-технологов – «объектом и предметом системноструктурного управления его свойствами». Расчетчикам-конструкторам в этом
«потреблении» материала как неоднородной системы требуется «приспособить» его к расчетному аппарату проектирования конструкций, для чего и осуществляется осреднение характеристик его субстанционального состояния,
структуры и функций, а соответственно и представление материала в виде воображаемой сплошной однородной среды. Материаловеды-технологи, понимая
«структурно-физическую природу» проявления функций (свойств) композита,
синтезируют и конструируют структуру, формируют ее технологическими
средствами, то есть управляют процессами структурообразования в целях достижения требуемого, любого задаваемого (разумеется, в пределах современных
возможностей) необходимого уровня свойств. И в этом определяющее место,
как раз, занимает проблема неоднородности строения материала. Именно поэтому важным является понимание ее проявления, значения и существа влияния, что и предопределяет цели и основное содержание исследований по теоретическому, а далее и прикладному учету этого.
Неоднородность строения как материаловедческая категория объективно
соотносится с категориями пространство и время. Связь с фундаментальной
категорией «пространство» отражается необходимостью оценки неоднородности объема материала в критериях субстанциональности (вещественности),
6
размерно-геометрических и энергетических (термодинамических) критериях;
связь с фундаментальной категорией «время» усматривается в синергетической
изменяемости этих критериев во времени как следствия самоорганизации систем, как следствия принудительной их реорганизации в результате внешних
воздействий [24-26].
Таким образом, неоднородность строения материалов должна восприниматься как динамическая характеристика с вероятным изменением во времени
соотношения меры порядка и беспорядка в материальной системе.
Неоднородность как материаловедческая категория должна рассматриваться в системе «материал - конструкция - среда» И в этом отношении, анализируя и характеризуя динамику неоднородности по ее критериям и показателям, необходимо иметь в виду возможность существования а) замкнутой системы «материал-конструкция-среда», когда гипотетически исключается обмен
материала веществом и энергией со средой, б) закрытой системы, в которой материал имеет обмен энергией, но не имеет обмена веществом со средой, наконец, в) открытой системы, в которой материал обменивается со средой и веществом и энергией. Отсюда, неоднородность строения материала должна анализироваться в понятиях термодинамики и синергетики, в связи с чем уместным
оказывается рассмотрение однородности - неоднородности в параметрах самоорганизации и принудительной реорганизации, стремления к равновесию, к
достижению метастабильности вещественного, размерно-геометрического,
энергетического состояния, или, напротив, движения к состоянию динамического хаоса через этапы бифуркаций.
Во всех термодинамических и синергетических вариантах системы «материал-конструкция-среда» (замкнутая, закрытая, открытая) необходимо иметь в
виду конкуренцию процессов созидания материала, когда преобладают конструктивные, улучшающие его качество процессы, и явлений противоположных,
деструктивных, когда имеют место процессы «расходования и исчерпания» качества и функциональных возможностей материала. Последнее, как ни странно,
может быть следствием не только разрушающего действия агрессивных факто7
ров среды, но и следствием процессов созидания структуры, когда таковое созидание начинает превращаться в свою противоположность и когда самоорганизация структуры увеличивает ее дефектность и меру неоднородности (к примеру, это может выражаться в зонировании, кластеризации структуры при кристаллизации и нарастании негативного действия кристаллизационного давления). Показатели структурной неоднородности материала имеют вследствие
всего указанного дрейф во времени и представляют, по-существу, функции во
времени.
Интегральная характеристика неоднородности оказывается и, как отмечалось, является величиной переменной. Такая переменность во времени субъективно связана с начальным состоянием структуры материала: чем неорганизованнее (термодинамически неустойчивее) будет принимаемая начальная структура материала, вступающего в реальную работу в конструкции, тем по причине этого выше будет относительная интенсивность последствий воздействия
среды на материал в конструкции и тем более изменяемой окажется неоднородность его структуры. Следствием изменения во времени неоднородности
структуры материала в системе «материал-конструкция-среда» будет формирование нового качества материала как результата указанных процессов. Итогом
же этого может явиться как позитивный, конструктивный для качества, или,
напротив, деструктивный, деградирующий материал эффект. Ясно, что это будет иметь определяющее для работы конструкций значение.
Отметим, что все эти общие посылки могут обрести полезность, если найдут приложение при качественной и количественной оценке показателей и критериев, раскрывающих существо категории неоднородность в конкретном их
(показателей и критериев) применении к управлению строением и свойствами
строительных композитов.
8
2. О ПОНЯТИЯХ И ТРАКТОВКАХ, СВЯЗАННЫХ С КАТЕГОРИЕЙ
СТРУКТУРНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ
(О ТЕРМИНОЛОГИИ)
В лексике русского языка есть слово однородность. Оно означает относящееся к одному и тому же роду, к тому же разряду. Но однородность как категориальное понятие, связываемое со строением тел, представляет собой лишь
часть понятия неоднородность, поскольку структурно однородных тел в природе нет. Неоднородность – всеобщий, фундаментальный признак существования
материи: и материя, и энергия в природе дифференцированы, квантованы в
пространстве и во времени, неоднородны.
Слово неоднородность по ощущениям несет в себе негативный оттенок.
Поэтому есть интуитивное стремление к использованию слова однородность,
как к чему-то явно позитивному. Тем не менее, применительно к характеристике
общего строения материалов уместнее кажется применение слова и понятия
именно неоднородность, хотя, вместе с этим, строение обладает и признаками
однородности. Действительно, как гласит древняя китайская философская мудрость, «все содержит в себе свою противоположность», и неоднородность непременно в системном единстве и одновременно противоречивости сочетается с
однородностью. Поэтому, по-видимому, строение материала следует считать и
принимать неоднородно – однородным (или однородно – неоднородным). И исходя из этого строение материалов может быть и должно являться предметом
анализа, оценки и управления с точки зрения нахождения оптимальности меры
однородности в структурной неоднородности по соответствующему целевому
критерию качества материала.
Оптимальность меры однородности в неоднородности может квалифицироваться, как своего рода, структурная гармония в материале, то есть соответствующая оптимизированная согласованность по признакам, критериям, измерителям неоднородности – однородности. И, может быть, именно «формула
гармонии» должна приниматься в качестве концептуального мотива, целевой
9
установки решения задач синтеза и конструирования структур строительных
материалов с задаваемыми свойствами.
Этимология слова неоднородность (однородность), его смысловое определение, содержательная глубина раскрываются в соотнесении с такими «парами
– антонимами» как
1) порядок – беспорядок,
2) целостность – разобщенность,
3) согласованность – рассогласованность,
4) организованность – дезорганизованность,
5) планомерность – бесплановость,
6) детерминированность – стохастичность,
7) закономерность – случайность,
8) системность – бессистемность,
9) сплошность – разрывность,
10) непрерывность – дискретность,
11) бездефектность - дефектность,
12) композиционность – конгломератность,
13) совершенство – несовершенство,
14) гармония – дисгармония.
Все эти лексики не являются синонимами по отношению к категории неоднородность - однородность, но несомненно связаны с ней. Эти лексики, взятые в форме прилагательных, обозначают и отражают качественную сторону
объекта, и именно в смысловом, содержательном раскрытии категории однородность – неоднородность строения как комплексного, интегрального понятия.
Действительно, однородность в неоднородном материале в целом выражается понятиями порядок, целостность, согласованность, организованность, планомерность, детерминированность, закономерность, системность, сплошность,
непрерывность, бездефектность, композиционность, совершенство, гармония. С
другой стороны, неоднородность строения характеризуется соответствующими
10
им антонимами беспорядок, разобщенность, рассогласованность, дезорганизованность, бесплановость, стохастичность, случайность, бессистемность, разрывность, дискретность, дефектность, конгломератность, несовершенство, дисгармония.
Состав приводимых лексик, образующих, своего рода, «терминологическую матрицу» проблемы свидетельствует о том, насколько многоплановым и
глубоким оказывается содержание категории неоднородность и насколько непростым оказывается вопрос качественно-количественного раскрытия этой категории 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, могут соотноситься с категориями состав, структура, состояние, свойство, качество и имеют непосредственное отношение к идентификации строения строительных композитов как неоднородно – однородных систем (сред), к решению
задач конструирования и оптимизации их структур.
В процедуры такой идентификации и конструирования в терминологический арсенал («терминологическую матрицу») войдут и применяемые известные материаловедческие термины (или, как говорят, ключевые слова): фаза
(твердая, газовая, жидкая), субстанция, компонент, кристалл, кристаллит, агрегат, агломерат, кластер, зона, матрица, включение, граница раздела фаз, масштабные уровни, иерархия структуры – макро-, мезо-, микро-, субмикро-, нано,
гомогенность, гетерогенность, изотропия, анизотропия, вариатропия, конгруэнтность, масштабный фактор, масштабный эффект и др. Именно с привлечением этих терминов и в отношении этих терминов должно осуществляться качественно - количественное раскрытие значения категории структурная неоднородность 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 однозначно установленные факты, показать необходимость и актуальность развития
дальнейших исследований.
Начнем анализ и систематизацию с того, что отметим основные, затрагивавшиеся в исследованиях предшественников и наших исследованиях, направления разработок по проблеме. Они касались задач:
1) выявления и идентификации признаков структурной однородности и
неоднородности в строении природных неорганических и органических композиционных материалов;
2) идентификации строения искусственных композиционных материалов
как структурно неоднородно-однородных систем;
3) осреднения свойств материалов при формализации их строения и наделении признаками однородности, изотропности, сплошной среды, континуума;
4) рассмотрения и обеспечения условий квазиоднородности структуры материалов 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, соответствующего нормирования и стандартизации испытаний;
6) оценки и учета вероятности присутствия дефектов в соотнесении с объемом массива материала как статистического отражения неоднородности его
структуры;
7) контроля, учета, технологического регулирования и управления характеристиками меры неоднородности - однородности структуры материалов в
12
массиве при производстве изделий из них.
При этом рассмотрение неоднородности строения включало субстанционально-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 материалов, метрологии, механики конструкций, их расчета и проектирования, технологии производства материалов и изделий. И это показывает всеобщность и
комплексность значимости категории «структурная неоднородность», содержательную ее многоплановость (многоаспектность) в науке, технологии и технике.
В исследованиях проблемы неоднородности строения материалов постепенно складывался и формировался понятийный аппарат. В его арсенале появились термины изотропия, вариатропия, иерархичность, регулярность, детерминизм 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 понятий масштабного фактора стало его приложение в статистической теории прочности 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 явились предметом и итогом работ многих ученых. Побудительными мотивами
постановки этих работ было, во-первых, стремление сформировать определенную логику отражения особенностей строения неоднородных материалов, и,
13
во-вторых, раскрыть, опираясь на это, механизмы проявления конструкционных свойств материалов, механизмы их разрушения как функцию специфического неоднородного строения. В этом стремлении соединились интересы специалистов по материаловедению и технологии, специалистов по теории расчета
строительных конструкций. Отражением этого для последних явилось привлечение 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 механики композитов» в качестве альтернативы выдвигался второй путь построения
теории деформирования и разрушения композитов, базирующийся «на структурных соображениях» и предполагающий рассмотрение композитов на нескольких, 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 материалов [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. Такое развитие было подготовлено и стимулировано предшествующими достижениями в области теоретического и прикладного материаловедения, теории разрушения 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 статистически вероятно существование его микрообъемов, имеющих дефекты и потому наиболее напряженных и опасных с точки зрения возможного развития в
них процесса разрушения. Согласно статистической теории прочности возрастание вероятности такого разрушения связывалось с увеличением объема материала и статистической вероятности наличия в этом объеме структурных не14
однородностей, дефектов, способных выполнить инициирующую роль в развитии магистральной трещины. Данная трактовка прямым образом связывалась с
понятиями «масштабный фактор» и «масштабный эффект» - центральными понятиями для отражения механизма проявления неоднородности - однородности
структуры материалов.
Одно из первых объяснений масштабного эффекта, выражающегося в зависимости результатов механических испытаний материалов от формы и размера (объема) испытываемых образцов, дал, по-видимому, один из основоположников механики разрушения А. Гриффитс в 1920 году. Наблюдаемое им и
параллельно Ф. Андереггом увеличение прочности стеклянных нитей с уменьшением их диаметра А. Гриффитс связывал с уменьшением вероятности обнаружения в нитях микродефектов. Именно этот вывод послужил основой для
формирования статистической теории разрушения В. Вейбулла (1939 г.), базирующейся на концепции слабого звена. Согласно этой теории прочность образца убывает с увеличением его объема в соответствии с предложенной в последующем Я.И. Френкелем (1959 г.) зависимостью
где
0
0
е
nV
,
– напряжение разрушения бездефектного образца, n – число дефектов в
единице объема образца, V – объем образца.
Положения статистической теории разрушения и прочности получили развитие в работах А. Аргона, Н.Н. Афанасьева, В.В. Болотина, С.Д. Волкова [42],
И.И. Кандаурова, Т.А. Конторовой, В.А. Ломакина, В.З. Партона, П.О. Пашкова, Г.С. Писаренко, Ю.Н. Работнова, Н.С. Стрелецкого, Я.И. Френкеля, Я.Б.
Фридмана, Г.П. Черепанова и нашли свое отражение в принципах расчета на
прочность и методиках проектирования конструкций и механизмов.
В исходных посылках статистической теории прочности материалов усматривается некоторый «фатум» ситуации структурной неоднородности, принятие ее как неизбежности. Безусловно, это так, и с этим следует согласиться.
Однако при этом нельзя не иметь в виду возможности управления масштабным
фактором и соответственно масштабным эффектом – управления, осуществляемого при регулировании показателей конгруэнтности структурно - неодно15
родных материалов. Возможности такого управления, достигаемого при синтезе и конструировании структур и технологическом получении материалов, требуют соответствующего научного (теоретического и прикладного) обоснования
– выработки концепций, определения подходов, разработки принципов, постулирования 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 формировании и реализации конструкционных свойств материалов является вопрос
соотнесения структуры и ее сопротивления разрушению, понимаемому нами в
самом широком смысле - и в отношении внешних эксплуатационных воздействий (нагрузок), и в отношении работоспособности и долговечности.
Условия, энергетика процесса разрушения «нагружаемого» материала находятся 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 особенностей ослабления материала его структурными элементами (частицами
твердой фазы, порами, дефектами) как концентраторами напряжений (механика
прочности). Результат возможного «технологического» управления показателями сопротивления разрушению определяется тем, насколько предпринимаемые
при конструировании и изготовлении материала изменения его состава, структуры и состояния способны влиять на характеристики его физических и физикохимических связей, на повышение однородности поля напряжений и снижение
величины концентрации напряжений при действии внешних нагрузок, на изменение мест зарождения, траектории движения, длины фронта, энергии роста магистральной трещины. Исходя из сказанного, оптимальность параметров принимаемого состава и целенаправленно формируемой (конструируемой) структуры материала по критерию максимума потенциала его сопротивления
16
разрушению рассматривается на основе введенных нами [1] трех концептов управления сопротивлением
разрушению (рисунок 1).
Первый из этих концептов отражает влияние меры однородности
(неоднородности)
конгломератной
структуры на формирование в материале поля внутренних напряжений,
характеризуемого
однородностью
Рисунок 1. – Концепты управления прочно- (неоднородностью) по локализации
стью и трещиностойкостью строительных
композитов [1]
и концентрации, величине таких
внутренних напряжений. Второй концепт учитывает, что потенциал сопротивления 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 связями частиц самого омоноличивающего вещества и самих наполняющих частиц.
Третий концепт отражает возможности торможения трещин за счет действия
структурных элементов материала как фактора изменения параметров энергетического баланса в зоне фронта развивающихся трещин при хрупком разрушении 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, химическом 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
Вследствие структурной «много-
а
уровневости», гетерогенности и анизотропии, дефектности, а в целом неоднородности строения, трансформация внешней нагрузки в напряжения в
объеме конгломератных строитель2
ных материалов (например, бетона
как типичного их представителя) объ1
ективно сопровождается формированием неоднородного поля напряже-
б
ний (рисунок 2) с их локализацией
под действием всех структурных элементов и дефектов, проявляющих себя в качестве концентраторов напряжений последовательно на масштабных уровнях структуры материала
(мега-, макро-, мезо-, микро-, субмикро-, нано) и соотносимых с размером
Рисунок 2 - Действительные (1) и осредненные (2) эпюры напряжений в бетоне: а) по
И.М. Грушко [31]; б) по Н.И. Карпенко [43]
и характеристиками включений в
матричной субстанции того или иного
из этих уровней (рисунок 3). Соответственно этому максимальная величина локального напряжения σloc.max представляется как
σlok.max = f[(k1, k2, …, kn)·σo],
(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 соответствующих концентраторов напряжения на n-масштабных уровнях структуры (например, крупно- и мелкозернистого бетона, микробетона, цементирующего вещества, кристаллического сростка, индивидуального кристалла).
18
масштабные
уровни структуры
рост напряжений по
масштабным уровням
структуры
разрушаемая двухкомпонентная система
матрица
включения
4 стадия
поры крикристалсталлилический ческого сросросток
стка
2 стадия
направление развития деформаций и напряжений по стадиям
1
2
3
контакт
кристаллов
3 стадия
5 стадия
0
1= k1
1
2= k2
2
3= k3
3
пора
1 стадия
4
5= k5
5 уровень
отдельный
кристалл
поверхностная трещина
микробетон
зерна заполнителя, поры
воздухововлечения,
ячеистые
поры
зерна микроцементинаполнирующее теля, капилвещество лярные поры
4
кристаллический
сросток
остаточное зерно кварца
4= k4
цементирующее
вещество
зерно заполнителя
(пора)
направление роста напряжений по масштабным уровням
микробетон
4 уровень
2 уровень
бетон
(плотный,
поризованный, ячеистый)
3 уровень
1 уровень
0
кристаллы
контакты
кристаллов
дефекты кристалла: варешетка кансии, закристалмещения,
дислокации,
ла
поверхностные трещины
0
Рисунок 3. -Схема процесса роста напряжений, развития деформаций и разрушения бетонов при механическом нагружении [1]
Таким образом, концентрация и локализация напряжений, являясь неотъемлемыми чертами энергетического состояния нагружаемого композита, определяются 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, приводящих к образованию «структур твердого состояния», с другой стороны, зависит
от особенностей ослабления материала его структурными элементами и дефектами, одновременно являющимися признаками и носителями неоднородности и выступающими в роли концентратов напряжений;
2) параметры возникающего в материале поля деформаций и напряжений
обусловлены особенностями состава и структуры материала, поэтому целенаправленное формирование состава и структуры определяет существо управления напряженно-деформированным состоянием материала, возникающим при
силовых и других воздействиях на него;
3) повышение потенциала сопротивления материала разрушению обусловлено возможностями снижения величины локальных концентраций напряжений
в нем, то есть снижения неоднородности поля деформаций и напряжений;
4) понижение неоднородности поля деформаций и напряжений, связанное
с изменением субстанциональных, пространственно-геометрических и статистических характеристик неоднородности материала в пределах каждого масштабного уровня его структуры, может способствовать вовлечению в работу
сопротивления действующим внешним силам бóльшего объема материала и
бóльшего числа структурных связей. Чем бóльшее число «статистически равнопрочных» связей в бóльшем объеме материала на соответствующем масштабном уровне одновременно включится в сопротивление внешним силовым
воздействиям, тем меньшим окажется уровень напряжения связей, тем при более 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 положением 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 под20
креплена научными данными о закономерностях и возможностях влияния на
сопротивление материала разрушению, заложенных в видоизменении и оптимизации 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 концентрации и локализации напряжений с системой критериев однородности - неоднородности структуры получаемого материала.
21
4. ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ОДНОРОДНОСТИНЕОДНОРОДНОСТИ СТРОЕНИЯ КОНГЛОМЕРАТНЫХ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ
Структура композиционных строительных материалов формируется из nисходных 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 образование границ раздела, когда принимаемые для получения материала компоненты (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 межкомпонентных (межфазовых) границ раздела в поле вещества и поле энергии пространства, занимаемого объемом создаваемого, синтезируемого и конструируемого материала.
Наличие межкомпонентных границ раздела в материале соответствует
признакам дискретности, гетерогенности и многофазности его состава и структуры. 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, разномасштабных, последовательно включенных друг в друга двухкомпонентных систем, состоящих из фактически непрерывной, или условно считаемой непрерывной, матрицы и распределенных в ней включений (теория полиструктурности).
Система «матрица – включение» любого масштабного уровня обладает своей
границей раздела, и это, можно сказать, предопределяет многоуровневую неоднородность строения получаемого композита.
Таким образом, понятие границы раздела оказывается ключевым, отправ22
ным моментом в содержании категории «неоднородность строения» композиционных 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 разнородность, которая отражается совокупностью оценок:
градиента разнородности –
S = Sкi - Sкj и
коэффициента разнородности – Кs = Sкi/Sкj и
индикатора разнородности –
Is = S/Sкi,j;
S = Sм - Sв,
Кs = Sм/Sв,
S/Sм;
S/Sв,
(2)
(3)
(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
Граница
раздела фаз
S
использование в бетоноведении, например, коэффициен-
фаза j
Skj
Скачок S
та разнородности Кs в виде
Ski
отношения модулей деформативности цементного кам-
фаза i
0
ня (матрица) и различных заполнителей (включение). Та-
l
кое соотношение учитываетРисунок 4. - Скачок субстанциональных характеристик
ся в задачах описания возна 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 другим показателям деформаций
механических, влажностных или температур-
ных, коэффициентов тепло- и массопереноса и т. п., что важно для анализа раа)
боты материалов и конструкций из них
S
при воздействии различных факторов эксКi
S
плуатационной среды.
Понятие скачка значений субстанцио-
Кj
ts = 0
нальных характеристик на границе раздела
S
следует рассматривать в контексте с ши-
б)
роко применяемым понятием «контактной
tS
Кi
зоны» («контактного слоя»), в содержание
S
Кj
которого требуется вкладывать и геометрический аспект.
в)
Параметры скачка и параметры кон-
S
tS
тактного слоя при том, что они связаны с
Кi
S
отличием анализируемых характеристик
поля вещества и поля энергии у исходных
Кj
компонентов (фаз) получаемого материала,
предопределяются и развивающимся во
г)
S
времени механическим, физическим и фи-
tS
Кi
S
зико-химическим взаимодействием между
этими
Кj
компонентами
(фазами).
Такое
взаимодействие вызывает изменения исlf
0
lf
ходных характеристик состава, структуры,
состояния и свойств (рисунок 5). При
Рисунок 5. - Реализация скачка и
формирование контактной зоны ts на фронтальном удалении l от начальной
f
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 исходные, «доконтактные» значения.
Проходящие при взаимодействии компонентов (фаз) превращения формируют «диффузную» по своей природе контактную зону или слой [47]. Его толщина ts и размещение преимущественно в одном (рис. 5, б, в) или и в другом
(рис. 5, г) компонентах (фазах) связаны с их индивидуальным термодинамическим состоянием, с метастабильностью, неравновесностью химического, минералогического и морфологического составов исходных компонентов (фаз), чем
и определяется степень участия каждого (каждой) из них в механическом, физическом, физико-химическом взаимодействии.
Как субстанционально-геометрическая характеристика, скачок на межкомпонентной (межфазовой) границе раздела может быть, таким образом, относительно протяженным и плавно проявляющимся, или, напротив, импульсным,
резко проявляющимся (рис. 5, а). Исходя из этого, скачок необходимо характеризовать 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 состояния материала.
Наряду с введенными оценками градиента, коэффициента, индикатора
разнородности (2-4) фронтальная протяженность, импульсность и диффузность
скачка (5-7) являются, таким образом, самостоятельными важнейшими показателями оценки неоднородности строения материалов. И, безусловно, обоснованным следует считать анализ их влияния на свойства материалов. Наиболее
очевидным представляется это в отношении сопротивления материалов меха25
ническому разрушению, прямо зависящего от особенностей концентрации и
локализации напряжений на границе раздела, которая при постоянстве исходных значений S, Ks и Is может меняться во времени и становиться существенно различной по фронтальной протяженности ts, импульсности gs и диффузности Gs.
Характеризуя особенности скачка, стоит специально остановиться на ситуации, 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 заполS
нение объема) образуется, на первый взгляд,
SКо
SКо
однородный материал. И кажется, что скачок на границе контакта элементов (частиц)
t( )
в таком материале отсутствует, градиент и
индикаторы разнородности равны 0, а коэффициент разнородности - 1. На самом же
t( )
SКо
SКо
деле рассматриваемая система обладает субстанциональным скачком
S
SКп
S на границе
раздела, поскольку объемные и поверхностные характеристики состояния субстанции в
отдельно взятом элементе (частице) разли-
SКп
чаются. Вследствие этого данная система
t( )
SКо
SКо
(рисунок 6), и может быть численно охарак-
S
lf
также является неоднородной по строению
lf
0
Рисунок 6.- Реализация скачка в однокомпонентном по составу материале
теризована соответствующими значениями
критериев (2-7).
Представленная группа критериальных
оценок неоднородности строения (2-7), от-
ражающая ее как производную скачка субстанциональных характеристик на
26
границе раздела компонентов (фаз), должна применяться в совокупности с критерием удельной площади межкомпонентной (межфазовой) поверхности границы 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 функциi–тый компонент
ей структурной дробности (фрактальности) объема
композита.
Граница раздела
1
j–тый компонент
2
Следует полагать, что с FSуд соотносится
возможная мера внутреннего рассеяния, диссипации, рассредоточения энергии внешнего воздействия по структурным (межкомпонентным, межфазовым) границам и связям материала. Действительно, с повышением величины FSуд, то есть
дробности (фрактальности) структуры, вероят-
3
Dk
ность рассеяния и фрактализации приложенной
внешней энергии в ней будет возрастать, а уровень внутренних напряжений и деформаций понижаться. Таким образом, система композита с бо-
4
lf
лее высоким значением FSуд должна при прочих
равных условиях проявлять себя относительно менее неоднородной (рисунок 7).
FSуд1 FSуд2 FSуд3 FSуд4
FS1 FS2 FS3 FS4
Рисунок 7.- Взаимосвязь удельной площади границы раздела и
дробности (фрактальности)
структуры
С площадью поверхности FSуд связан еще один
показатель неоднородности строения композита –
объем, занимаемый в композите контактной зоной.
Этот объем в удельном измерении
V(ts) = FSуд t(lf, ).
27
(9)
Показатель V(ts) учитывает взаимовлияние структурных компонентов, отражает изменение первоначальной (при
= 0) структуры к моменту времени i.
Этим критерием учитывается динамический (в технологических и в эксплуатационных процессах) характер формирования неоднородности строения строительных 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 рассмотрение признака (критерия) структурной конгруэнтности, то есть размерной, масштабной соответственности. При этом следует говорить не об одном, а о нескольких относительно самостоятельных его (признака) реализациях и, соответственно, о нескольких его следствиях и эффектах в работе композита. В их
числе, во-первых, это фактор соотношения размера, масштаба изделия из композита и максимального размера структурного элемента материала,
а во-
вторых, - фактор размерной соответственности (соразмерности) структурных
элементов смежных масштабных уровней в многоуровневой структуре композита. В такой постановке фактор размера (объема) тела, связываемый с положениями статистической теории прочности и принципом слабого звена, дополняется 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 масштабного соотношения (соответствия) характеристического размера конструкции и структурного компонента материала. Попутно отметим, что по Н.И. Карпенко [43] и др., этот фактор имеет отношение к вопросу допустимости стати28
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 структурно-неоднородных материалов методов механики сплошной среды.
Прикладные вопросы масштабной совместимости в работе бетонов с позиций квазиоднородности исследовались И.Н. Ахвердовым, Ю.М. Баженовым,
О.Я. Бергом, В.В. Болотиным, Р.И. Будештским, А.А. Гвоздевым, С.С. Гордоном, 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. Морозовым, Л.С. Морозом, В.П.Селяевым, М.М. Холмянским, В.И. Шевченко и другими и нашли, как уже указывалось, практическую реализацию в виде требований к допускаемой наибольшей крупности заполнителей в соответствии с размерами рабочих сечений бетонных и железобетонных изделий и «густотой» их
армирования, а также при нормировании размера контрольных образцов бетонов для механических испытаний в зависимости от крупности заполнителя. Такие требования и нормирование включают в себя, с одной стороны, назначение
минимально допустимого размера образца, обеспечивающего выполнение условия квазиоднородности в нем структуры бетона с данной крупностью заполнителя; с другой стороны, при оценке прочности материала вводятся поправочные 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 многоуровневый по структуре конгломератный материал и, как своего рода, иерархически
организованную «конструкцию» с ее разномасштабными структурными характеристическими размерами, то следует полагать, что фактор конгруэнтности
фактически реализуется на каждом масштабном уровне структуры, и для оптимизации структуры по критериям сопротивления разрушению учет его необхо29
дим на каждом из уровней. В этом случае роль «размерного мерила» квазиоднородности структуры может выполнять специально вводимый показатель
(критерий) структурной соразмерности (конгруэнтности) Nki структурных элементов 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 характеристический принимается наименьший габаритный размер изделия, то на мезо-,
микро-, субмикроуровнях структуры – толщина слоя матрицы δм(i-1) (расстояние
между соседними твердо- или 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 «поле зрения» оказывается не композит, а субстанция одного из его компонентов.
Вопрос об учете конгруэнтности при конструировании структур потребует 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 самостоятельную систему «матрица – включение» и может квалифицироваться как, своего рода, «тело», «изделие». Последовательно на мезо-, микро-, субмикроуровнях структуры композита в качестве характеристического размера потребуется
иметь в виду расстояние между соседними включениями (частицами, порами)
соответствующего структурного уровня, а для оценки неоднородности строения как иерархически обусловленной категории потребуется вводить показатели конгруэнтности на каждом из этих уровней (рисунок 8). Принципиально
30
важным в такой постановке является предложение о последовательной каскадной оптимизации значений критериев конгруэнтности по всем масштабным
уровням структуры конструируемого композита с целью обеспечения минимально возможной, а скорее допустимой ее неоднородности в целом (интегрально). Процедура такой оптимизации может опираться на использование
DВ1
DВ2
DВ3
М3
L3 =
L2 =
М2
М1
L1
Рисунок 8.- Иерархическая организация структуры строительных композитов (линейная
фрактальная модель трехуровневой структуры; 1,2, 3 – макро-, мезо-, микроуровни
экспоненциального закона зависимости масштабного эффекта Мэ от масштабного фактора, то есть, фактически от числа включений Nki c размером Dki по характеристическому размеру Lxi:
Mэ = M0 e-mэ(Lxi/Dki) = M0 е- mэ Nki,
(14)
где M0 - максимальный масштабный эффект при числе включений Nk = 1 в матрице рассматриваемого i-го масштабного уровня структуры композита;
mэ - показатель интенсивности влияния масштабного фактора Lxi/Dki = Nki
на свойства композита.
На основе этого закона может определяться значение показателя конгруэнтности Nk, при котором дальнейшее его увеличение, достигаемое за счет дробности (фрактальности) структуры композита, например, повышения дисперсности
включений Dk-1, перестанет давать сколь-нибудь существенное изменение масштабного эффекта (рисунок 9). Это будет означать, что структура соответствующего масштабного уровня начнет проявлять себя как квазиоднородная.
Совместный анализ соотношений (8-13) показывает, что проявление мас31
штабного эффекта Мэ удобно соотнести и с критерием удельной площади поверхности границы раздела FSуд, на основании чего
M0 е
Mэ
m э F s уд
(15)
МЭ
Из соотношения (15) следует,
МО
Mэ
что при оптимизации параметров
M 0 е mэ Nk
структуры может быть найдена величина FSуд, значение которой обесМmin
1
печит поведение материала как кваNk
зиоднородного (с точки зрения осо-
Рисунок 9 - Экспоненциальный закон проявления масштабного эффекта (зависимость бенностей проявления масштабного
масштабного эффекта от критерия конгруэффекта в его структуре).
энтности)
Таким образом, пользуясь предложенной процедурой, можно решить задачу обеспечения условия квазиоднородности строения [6, 7, 13] и минимума
проявления масштабного эффекта на каждом отдельном масштабном уровне
структуры композита и в целом по всей его многоуровневой структуре.
Введенные оценки неоднородности строения (2-11) образуют группу субстанциональных и геометрических критериев, являющихся детерминированными по своему смыслу и содержанию, но вероятностно-статистическими по
реализации в любом конкретном композите. Значения субстанциональных характеристик компонентов (фаз), размеры и форма их частиц (элементарных
объемов фаз) могут иметь меньшую или большую статистическую изменчивость (рисунок 10). Такая изменчивость будет вносить соответствующий дополнительный вклад в неоднородность строения. Из этого следует, что предложенные субстанциональные и геометрические критерии неоднородности должны приниматься и оцениваться как вероятностные величины. Значение фактора
статистической изменчивости в неоднородности не ограничивается указанным.
В реальных композитах всегда возможны также вариации пространственного
размещения и содержания компонентов (фаз) в объеме тела композита, и этим
обусловливается стохастическая составляющая неоднородности его структуры.
32
Критериями
а)
1
2
3
неоднородности
строения, связанными со стохастической составляющей, будут являться параметры вероят-
P(DВ)
1
2
ния компонентов (фаз) по объ-
3
0
б)
ностной функции распределе-
Единичный
объем Vед
1
ему композита.
Параметр размера DВ
2
3
1
Исходя из всего вышеизложенного, следует считать, что
неоднородность строения композитов является производной:
1
P(a)
1
1) скачка субстанциональ-
2
ных характеристик компонен-
3
0
Параметр формы а
в)
1
тов (фаз) на границе их раздела,
2
3
2) геометрических характеристик самой границы раздела в объеме композита,
P( )
1
3) вероятностных функций
1
2
распределения параметров ком-
3
0
понентов по их размеру, форме,
Параметр размещения
г)
1
2
3
по пространственному размещению и объемному содержа-
P(dVв/dVед)
нию в объеме композита, тела,
1
изделия;
1
4) масштабной соответст-
2
0
3
венности,
Параметр объемного содержания dVв/dVед
Рисунок 10.- Вероятностные функции плотности распределения, отображающие неоднородность структуры по
размерам (а), форме (б), размещению (в) и объемному
содержанию (г) включений в матрице композита
33
конгруэнтности
структурных элементов на каждом масштабном уровне материала.
5. СИСТЕМА КРИТЕРИЕВ НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ
Рассматривая совокупность предложенных критериев неоднородности
строения композитов, ее можно разделить на четыре группы (рисунок 11). Система количественной оценки меры однородности - неоднородности Ah включает субстанциональные Ah(s), субстанционально-геометрические Ah(s-g), геометрические Ah(g) и статистические Ah(p) критерии (рисунок 12) и выражается соответствующими соотношениями (рисунок 13).
IV. Критерии статистические
III. Критерии геометрические (9...11)
II. Критерии субстанциональногеометрические (4...8)
I. Критерии субстанциональные (1...3)
Группы критериев неоднородности
строения
Диффузность
скачка Gs
Статистические
(параметры функций распределения
компонентов)
Критерии однородностинеоднородности строения
строительных композитов
Субстанциональногеометрические
Удельная площадь
поверхности границы
раздела FSуд
По ориентации
Критерий
конгруэнтности
Nк
По форме
По объемному
размещению
По размеру
Геометрические
Субстанциональные
Коэффициент
Градиент
разнородности разнородности
Кs
S
Индикатор
разнородности
Is
По
свойствам
Рисунок 11 .- Система критериев неоднородности строения строительных композитов [10]
Модуль скачка
Мs
Фронтальная
протяженность
скачка ts
Приведенная
толщина слоя
матрицы пр
Импульсность
скачка gs
Рисунок 12. - Система критериев однородности-неоднородности строения строительных
композитов [20]
34
34
j
Аh(s)
S = Sв - Sм
i
Кs = Sв /Sм
Is= (Sв - Sм)/Sм
Мs = Smax - Smin
Ah(s-g)
Оцениваемый параметр Включение Граница
раздела
или свойство S
Матрица
Система
соотношений
для
количественной
оценки критериев однородности - неоднородности строения композитов
Si
Sj
Аh(g)
Схема скачка субстанциональных характеристик на
границе раздела "матрица –
включение" на примере
структуры бетона
Kt =
к
/2ts
=
к
- 2 ts
пр
Аh(p)
i
j
«Переход» в пространстве композита
gs = Мs /ts
Gs = dS/dts
S
Скачок
ts = t(lf, )
FSуд= f[
м
(Vв, Dв)]
Nк= Lx/Dк
Параметры статистического распределения (коэффициент вариации Cv,
дисперсия , асимметрия
As , эксцесс Ek)
Обозначено: S – градиент разнородности; Sм, Sв - оцениваемый параметр или свойство
матрицы и включения; Кs – коэффициент разнородности; Is – индикатор разнородности; Мs –
модуль скачка; ts – протяженность скачка; lf - фронтальное удаление от начальной (исходной) границы раздела; - продолжительность контактирования исходных компонентов (фаз);
gs и Gs – импульсность и диффузность скачка; м - межчастичное расстояние; Dв - размер
включения; Vв - объемная доля компонента (фазы); Lx - характеристический размер для композита, тела, изделия
Рисунок 13 - Схема скачка субстанциональных характеристик на границе раздела "матрица –
включение" и система соотношений для количественной оценки критериев однородностинеоднородности строения композитов [17]
Предложенные концепции, обобщения и теоретические разработки по
проблеме структурной неоднородности строительных композитов мотивируют
развитие их приложений в задачах материаловедения и технологии. Это может
состоять в разработке вопросов более глубокой идентификации структуры, ее
формализации и моделировании для обоснования составляющих факторного
пространства с целью сначала качественного, а затем и количественного учета
значения, роли и механизмов влияния неоднородности строения в формировании свойств строительных композитов. Разработка этих вопросов как «задания»
к развитию исследований соотносится с переходом к обоснованию положений
и алгоритмов управления структурой, синтеза и конструирования строительных
композитов задаваемого уровня качества.
35
6. О ФОРМИРОВАНИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ КОНГЛОМЕРАТНЫХ
КОМПОЗИТОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Вопросы формирования напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородных строительных композитов при механическом нагружении
нами уже затрагивались. Это давалось в контексте обобщения осуществленных
наработок и касалось:
- схематизации процесса роста напряжений, развития деформаций и разрушения конгломератных строительных композитов (на примере бетонов) как
многоуровневых по масштабу структур (полиструктурных систем);
- обсуждения существа роли структурных неоднородностей при формировании параметров полей напряжения и деформаций в материале в ходе его механического нагружения;
- обоснования общего соотношения для величины локального максимального напряжения как функции среднего макроскопического напряжения в расчете на все сечение, воспринимающее внешнюю нагрузку, и коэффициентов
усиления этого напряжения от действия соответствующих концентраторов напряжения на n-масштабных уровнях структуры материала;
- характеристик введенных трех концептов управления процессом и показателями сопротивления разрушению.
Анализ механизма и качественной картины формирования напряженнодеформированного состояния материала в условиях механического его нагружения исходил [1] из положения о том, что локализация и концентрация напряжений, являясь неотъемлемыми чертами энергетического состояния композита, определяются характеристиками его состава, структуры и состояния:
структурно-неоднородный композит фактически является трансформатором
(преобразователем) энергии внешнего механического воздействия на материал
в энергию нагружения его внутренних структурных связей посредством ее диссипации, рассеивания в структуре, и картина такого рассеивания определяется
36
особенностями «конструкции трансформатора», то есть состава, структуры и
состояния материала – «конструкции структуры материала».
В осуществленном анализе материал принимался как таковой, вне его связи со строительной конструкцией, которая обладает своей структурой и с которой материал с его структурой находится (должен находиться) в определенных
отношениях соразмерности – в отношениях конгруэнтности.
Иными словами существует проблема учета роли «структуры материала в
структуре конструкции» (проблема мегаструктуры). И ясно, что отмеченное требует развития и соответствующего расширения представлений о механизме и содержании процесса формирования напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородных композитов в системе «материал - конструкция - среда».
Отправным моментом здесь является картина напряженного состояния материала в конструкции в увязке со структурой конструкции как системного
объекта строительной механики [27, 43]. Имеется в виду идентификация и характеристика эпюр напряжений, которые необходимы для определения величин
осредненных напряжений в материале как «стартовых» при силовом нагружении структурно-неоднородного композита, работающего в структуре строительной конструкции.
Обоснованным в этом смысле представляется следующее обобщающее
суждение.
Формирование напряженно-деформированного состояния структурнонеоднородного строительного композита, работающего в строительной конструкции, определяется: а) структурой строительной конструкции с ее механикой
формирования зон (объемов), сечений, видов и величин напряжений (эпюр напряжений); б) структурой материала в структуре конструкции в смысле меры
конгруэнтности размера структурных элементов материала характеристическим размерам строительной конструкции; в) структурой материала как такового с присущими ему закономерностями трансформации, преобразования посредством диссипации, то есть рассеивания, энергии внешнего механического
воздействия в неоднородной многоуровневой по масштабу системе структур37
ных связей материала (в последнем случае начальная, на момент получения по
соответствующей технологии, структура материала как такового принимается
эволюционирующей во времени вследствие параллельного протекания и наложения, с одной стороны, процессов самоорганизации под влиянием внутренних
факторов, а, с другой, - процессов ее преобразования под влиянием внешних
факторов с соответствующим изменением характеристик неоднородности
строения).
Картина поля напряжений и деформаций в объеме композита, работающего в конструкции, не статична, а динамична. И это является следствием:
1) возможного изменения во времени параметров внешнего силового воздействия на конструкцию и собственно материал;
2) возможного изменения термодинамического состояния структуры материала в процессе ее самоорганизации и эволюции (под действием внутренних
факторов);
3) возможного изменения термодинамического состояния структуры материала в процессе ее взаимодействия с внешней средой (под влиянием температурных,
влажностных, химических, физических, биогенных и др. факторов среды);
4) возможного изменения состояния материала вследствие накопления повреждений в его структуре.
В соответствии с указанным величина локализованного напряжения в
структуре композита
σloc i =f (xi, yi, zi, i)σоi ,
(16)
где xi, yi, zi – координаты местоположения локализованного напряжения в объеме
материала;
i
– момент времени оценки локализованного напряжения.
σo i = Рi/Fi – величина среднего макроскопического напряжения в расчете
на сечение Fi , воспринимающее внешнюю нагрузку Рi.
Максимальное локализованное напряжение σloc
max
в i-том объеме мате-
риала, работающего в конструкции при действии внешней механической нагрузки, будет соответствовать величине
38
σloc max i = Φ [(К1 …Кn); Ктд; Кэд; Ккм; Кгк; i ] σoi ,
(17)
здесь К1…Кn – коэффициенты усиления напряжений от действия структурных
элементов как концентраторов напряжений на n-масштабных
уровнях структуры материала как такового;
Ктд – коэффициент усиления напряжений как следствие существования возможных технологических неоднородностей и дефектов материала в конструкции;
Кэд – коэффициент усиления напряжений как следствие влияния эксплуатационных изменений, накопленных в материале в конструкции к моменту
i
под действием явлений самоорганизации структуры и деструктивных
факторов среды;
Ккм – коэффициент усиления напряжений как следствие влияния коэффициента
конгруэнтности макроструктуры материала в соотнесении ее с геометрией конструкции (коэффициент масштабного фактора и масштабного эффекта);
Кгк – коэффициент усиления напряжений как следствие влияния геометрии
строительной конструкции и схем загружения, предопределяющих по
этой причине формирование зон (xi, yi, zi) наибольших напряжений в ней.
В строительной конструкции и в материале, работающем в ней под нагрузкой, всегда есть наиболее вероятные объемы (места) «перенапряжений» и вероятные «слабые звенья» композита, обуславливающие возникновение критических, предельных состояний. Они появляются в зонах наибольшей концентрации напряжений из-за геометрии конструкции, а в этих зонах - в местах технологической неоднородности и эксплуатационной дефектности конструкции; в
местах же технологической неоднородности и эксплуатационной дефектности в зонах наибольшей структурной неоднородности (субстанциональной, геометрической, статистической) материала; а далее - в местах действия разномасштабных структурообразующих элементов материала, проявляющих себя в качестве концентраторов напряжений на структурных уровнях материала.
39
Закономерное, детерминированное и одновременно вероятностное, стохастическое сочетание и интегрирование этого и предопределяет потенциал и показатели сопротивления композита разрушению в системе «материал – конструкция – среда».
Постулируемая (16, 17) трактовка процесса формирования напряженного
состояния структурно-неоднородных материалов, отвечающая методологическому условию рассмотрения проявления свойств материала не только как такового, а как работающего в структуре конструкции, «задает» содержание (состав) и соответственно алгоритм дальнейших аналитических рассмотрений. И
главным здесь является, как раз, вопрос о величине осредненного напряжения
σо,
под
действием
которого
оказывается
«конструкция»
структурно-
неоднородного строительного композита [43].
В соотношении (17) величина σоi является функцией факторов геометрии
конструкции, схемы нагружения конструкции и времени
σIоi =
(Кгк ; Рi /Fi ; ).
Проблема определения величины σоi
(18)
в этом смысле решается в рамках поло-
жений механики деформируемого твердого тела, механики композиционных
материалов; действие фактора времени на σо выражается в реологическом поведении материала, в развитии в нем процессов ползучести и релаксации, что
также относится к их предмету [48-50].
Анализируя формирование величины σоi в связи с проявлением категории
неоднородности строения материала, требуется учитывать влияние на нее фактора существования макромасштабной неоднородности и анизотропии структуры материала в структуре конструкции. Это может являться следствием недостаточной однородности смешения, неравномерности уплотнения материала
при формовании строительной конструкции, макроградиентности степени его
отвердевания, образования «пристенной» анизотропии макроструктуры, неоднородности температурно-влажностного состояния объема материала и т.п. В
результате чего σоi оказывается функцией, так сказать, технологической дефектности, усиливающей неоднородность. Соответственно
40
σIIоi =
Фактор времени
(Кmд; σIоi ).
(19)
с развитием эксплуатационных воздействий среды и со-
ответствующим накоплением дефектов в материале, то есть нарастанием неоднородности 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 предположении 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 напряженного состояния материала при учете влияния фактора мегаструктуры
материала, то есть фактора конгруэнтности его макроструктуры характеристическому размеру конструкции (масштабный фактор), потребуется учесть действие рассмотренных «атрибутов», то есть «появляющихся» у категории неоднородность новых ее признаков, если (и когда) рассматривается система «материал – конструкция – среда».
Учет фактора конгруэнтности дает
σIVоi = Z (Ккм; σIIIоi).
(22)
Ясно, что локальное максимальное напряжение в структурных связях материала, работающего в строительной конструкции,
σloc.max >> σIVоi ,
(23)
так как величина σIVоi многократно возрастает при включении в действие концентраторов 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). Выражение (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 расчетчиков 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 материала) работы, предопределяемой возможностями управления сопротивлением строительных композитов разрушению на основе оптимизируемых процедур
конструирования их структур с учетом доминантного положения и системного
расширенного толкования роли категории неоднородность строения в функционирующих системах «материал - конструкция – среда».
В этом смысле в составе задач для материаловедов-технологов выделим:
1) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твердого 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 «наведенной неоднородности» (по терминологии академика В.В.Петрова) при работе
композита в конструкции;
4) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твердого тела в структуре конструкции, то есть материала, характеризуемого по параметрам мегаструктуры и критериям ее конгруэнтности структуре конструкции, по параметрам технологической и эксплуатационной дефектности и соответствующей неоднородности;
5) задачу аналитического учета показателей, критериев структурной неоднородности в явлениях, процессах и параметрах формирования напряженного
состояния материала в строительной конструкции.
Разрешение этих задач является необходимой предпосылкой для обоснования материаловедческих и технологических условий управления сопротивлением 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 понимается как этап, предшествующий формализации структурно-неоднородных строительных композитов – формализации, необходимой для их физического моделирования в целях соответствующих аналитических описаний напряженнодеформированного состояния на основе постановки задач механики деформируемого твердого тела для композитов этого рода. Такие постановки могут касаться вопросов совместной работы системы «матрица – включение» из разнодеформируемых компонент, локализации и концентрации напряжений в матрице от включений в нее твердых составляющих и пор, от трещин и т.д. и т.п.
Идентификация как этап формализации структуры должна отвечать условию адекватного отображения реального строения неоднородного композита в
его моделях механики деформируемого твердого тела, в соответствующих аналитических
описаниях
закономерностей
формирования
напряженно-
деформированного состояния, знание которых рассматривается в качестве фундаментального основания для решения вопросов управления сопротивлением
конгломератных строительных композитов разрушению через конструирование
и оптимизацию их структур, работающих в строительных конструкциях.
В контексте такого понимания места проблемы идентификации строения
структурно-неоднородных конгломератных строительных композитов обоснованной следует считать логику ниже представляемой схемы (рисунок 14). В логике данной схемы отражается важнейшее концептуальное положение и развивающаяся тенденция сближения и интегрирования интересов и подходов специалистов по механике деформируемого твердого тела [27, 43, 51], механике
материалов (композитов), механике конструкций [52-56], с одной стороны, материаловедов-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 структурнонеоднородных 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, материаловеды дают материаловедческую информацию для специалистов по строительной механике, механике деформируемого твердого тела, механике композитов,
разрабатывающих позиции 3, 4; затем материаловеды, опираясь на эти разработки, аналитически раскрывающие существо влияния характеристик и критериев структурной неоднородности на свойства композитов, решают вопросы
конструирования структур композитов (позиции 5,6), а далее технологи выбирают и реализуют рецептурно- технологические решения по получению композитов и конструкций задаваемого качества (позиция 7, 8).
Методология идентификации структуры опирается на концепцию системно-структурного подхода в строительном материаловедении [1], предусматривающем комплексность постановки задачи идентификации, системность представления строения композита, качественную и количественную характеристи44
ку структуры, выполнение требования адекватности ее отображения, достоверности оценки [62-65].
В соответствии с этим идентификация структуры должна осуществляться с
учетом следующих исходных посылок:
1) структурные элементы необходимо выделять по масштабным уровням материала, располагаемым в определенной иерархической последовательности, 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 возможностей и условий управления качеством материала через регулирование
параметров структуры на всех доступных технологическому влиянию масштабных уровнях;
2) структурные элементы масштабных уровней следует вычленять на
основе значимых признаков, которые, с одной стороны, связаны с особенностями 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 материала, так и для обоснования позиций по направлениям регулирования параметров этого элемента с помощью технологических факторов управления
структурообразованием;
3) структурные элементы должны рассматриваться во взаимной обусловленности. Это положение вытекает из того, что изменение параметров любого структурного элемента материала оказывает системное влияние на условия формирования в параметры других из них. Например, величина объема порового пространства влияет на условия кристаллизации новой фазы и ее характеристики; с другой стороны, изменение вследствие этого режима кристаллизации 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 количественных
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 одной стороны, они являются его необходимыми конструктивными частями,
обеспечивающими получение требуемых, задаваемых свойств, а с другой, выступают как своеобразные «дефекты» структуры, способные ухудшать другие
свойства. Например, введение в материал дополнительного объема пор повышает термическое сопротивление материала, но одновременно вызывает снижение его прочности.
Идентификация структуры конгломератного строительного композитов (на примере бетонов). Бетоны как строительные конгломератные материалы с полным основанием относятся к классу композитов. Общими признаками структуры строительных конгломератов являются их многокомпонентность, многофазность, полидисперсность, гетерогенность, полиструктурность,
детерминированность, стохастичность, дефектность, однородность - неоднородность. Строительные конгломератные композиты постулируются как однородно-неоднородные системы с многоуровневой иерархически организованной
структурой, каждый масштабный уровень которой представляет собой двухкомпонентное образование из пространственно непрерывной матрицы и детерминированно-стохастически распределенных в ней дискретных твердофазовых и газофазовых включений.
Объективной характеристикой двухкомпонентных образований «матрицавключение» каждого масштабного уровня является граница раздела, имеющая
контактную поверхность и приграничный объем, то есть контактную зону, со
свойствами, предопределяемыми механо – физико - химическим взаимодейст46
вием субстанции матрицы и субстанции включения.
В рамках решения задачи идентификации строения бетона как структурнонеоднородного твердого тела предложена соответствующая систематизация составляющих 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 неоднородна. Поскольку речь идет о матрицах разномасштабного структурного уровня, она (субстанция) оказывается различной по составу, плотности, пористости,
механическим свойствам и т.п. При формализации, физическом и математическом моделировании структурно-неоднородным матрицам «будут присваиваться» признаки сплошной среды, основанием к чему может являться принятие и
обеспечение условия квазиоднородности структуры матричной субстанции в
межчастичных, межзерновых и межпоровых зазорах включений структуры более 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 цементирующего вещества, твердая фаза новообразований, субстанция единичного
структурного элемента новообразования. И это будет соответствовать масштабному порядку от макроструктурного до наноструктурного уровня.
Идентификация включения должна касаться их субстанции и соответственно свойств, а также размера и формы. Очевидно, что соответственно структурному масштабу включения будут различаться по виду и своим характеристикам. В этом отношении, прежде всего, следует говорить о твердофазовых
и газофазовых включениях (порах). В принципе к включениям следует относить разновидности армирующих элементов дисперсного типа; к включениям
должны относиться и несовершенства (дефекты) структуры, трещины.
47
Таблица 1 - Многоуровневая организация структуры конгломератных строительных композитов (иерархия структуры) на примере плотных, макро- и микропористых бетонов [1]
Масштабные уровни структуры
Идентификация уровня структуры
Мегакомпозиционный (структура материала Строительная конструкция
в структуре конструкции)
Характеристические размеры – наименьший размер рабочего сечения;
Матричный материал – бетоны (плотные, макропористые; тяжелые, легкие;
крупно-, мелко-, микрозернистые и т.п.)
Включения: зерна крупного заполнителя, упорядоченно размещенные в объеме
конструкции арматурные элементы, конструктивные пустоты и отверстия, функциональные слои d 5·10-3 м;
Контактная зона – слой бетона вблизи
арматуры t = 10-2 м;
Неоднородности и дефекты в структуре конструкции: геометрическая неоднородность конструкции, макроструктурная неоднородность материала, макротрещины, обнажение арматуры, каверны и
т.д. d 10-3 м.
Материал конструкции (бетон)
Макрокомпозиционный
(0,2 0,5)·101
плотный
пористый
Характеристический размер - наименьший размер сечения конструкции t
3·10-2 м;
Матрица - цементно-песчаный камень;
Включения – зерна крупного заполнителя d = 5·10-3…1,5·10-1м в плотных бетонах; 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 газовой фаз;
Неоднородности и дефекты в структуре материала конструкции: макромасштабная анизотропия, макромасштабная
структурная неоднородность, макротрещины, разрывы межпоровых перегородок
и т.д. d 10-4 м;
48
Продолжение таблицы 1
Цементно-песчаный камень (матрица)
бетона
Характеристический размер – толщина межзернового слоя или межпоровой перегородки бетона;
Матрица - цементный камень (микробетон);
Включения – зерна мелкого заполнителя 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 структуре цементно-песчаного камня: мезоструктурная неоднородность, макро- и
мезотрещины d 10-4 м (105 нм)
Мезокомпозиционный
(2 5)·101
Микрокомпозиционный
(2 5)·102
Цементный камень (микробетон) цементно-песчаного бетона
Характеристический размер – толщина межзернового слоя цементнопесчаного камня или межпоровая перегородка макропористого бетона;
Матрица – цементирующее вещество;
Включения – зерна инертного микронаполнителя, остаточные зерна химически активного микронаполнителя, негидратированные зерна клинкера
d = 10-5…2·10-4 м (104…2·105 нм), капиллярные 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 газовой фазы;
Неоднородности и дефекты в структуре цементного камня: микрокомпозиционные неоднородности, микротрещины
49
Продолжение таблицы 1
Субмикрокомпозиционный
(5 7)·103
Цементирующее вещество (матрица)
микробетона
Характеристический размер – толщина межзерновой прослойки в микробетоне;
Матрица – новообразования цементирующего 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 структуре цементирующего вещества: ансамбли (кластеры) кристаллитов, скрытокристаллическая и аморфная фазы новообразований, микротрещины
Ультрамикрокомпозиционный
(1 1,5)·104
Совокупности новообразований –
ансамбли, кластеры кристаллитов,
скрытокристаллических и аморфных
фаз в цементирующем веществе
Характеристический размер: размер
ансамблей, кластеров, кристаллитов, зон,
скрытокристаллических и аморфных фаз;
расстояние между ансамблями, кластерами, кристаллитами, зонами скрытокристаллических и аморфных фаз;
Матрица: твердая фаза новообразований;
Включения: поры кристаллического
сростка,
скрытокристаллических
и
аморфных образований; межансамблевые и межкластерные поры
d = 1·10-8…5·10-6 м (10…1000 нм);
Контактная зона: поверхность раздела твердофазовой и газообразной
(поровой) составляющих новообразований цементирующего вещества;
Неоднородности и дефекты в
ансамблевой, кластерной структуре цементирующего вещества: нарушения в
местах контактирования кристаллических, скрытокристаллических и аморфных образований, ансамблей и кластеров.
50
Продолжение таблицы 1.
Твердофазовая субстанция цементирующего вещества
Нанокомпозиционный
(1,2 1,5)·105
Характеристический размер – габариты кристалла, аморфной области
новообразований;
Матрица: субстанция единичного
структурного образования (материал
кристалла, аморфной фазы);
Включения: вакансии, замещения,
дислокации кристаллической решетки субстанции
d = 1,5·10-9…4·10-9 м (1,5…4 нм);
Неоднородности и дефекты в
твердофазовой субстанции: поверхностные трещины кристаллов; разориентация кристаллической решетки
в контактной зоне родственных по
составу кристаллов; несоответствие
параметров решеток разных по составу кристаллов, контактирующих в
сростке; механические нарушения
целостности контактной зоны кристаллов и аморфной области новообразований.
Атомно-молекулярный
Единичное структурное образование с дальним порядком t ~ 1 нм (кристаллическое состояние)
Единичное структурное образование (кристаллохимическая разность)
Система взаиморазмещения и
взаимодействия анионов и катионов
(например, для гидросиликатов кальция строение единичного структурного образования соотносится с сочетанием крупных катионов кальция и
кремнекислородных тетраэдров, в
зависимости от чего различают островные, цепочечные, слоистые, каркасные и др. типы ионных кристаллических решеток);
Единичное структурное образование с ближним поСтруктурные
характеристики
рядком (аморфное состояние)
кристаллохимических
разностей:
межатомное расстояние (период решетки), угол между атомными (ионными) связями, межплоскостное расстояние и т.д.
Неоднородности и дефекты в
структуре
кристаллохимических
разностей – вакансии, замещения,
дислокации.
51
Таблица 2 – Двухкомпонентные системы по масштабным уровням структуры композита «как такового»
(на примере силикатных бетонов) [1].
Наименование
двухкомпонентной
системы
Бетон плотный,
поризованный,
ячеистый
Компоненты системы
матрица
Линейный размер включений
включение
Масштабный уровень
структуры
52
силикатный
микробетон
зерна заполнителя,
поры ячеистые и
воздухововлечения
(2 4)·10-2 10-3 м
(3 20)·10-4 м
(2 10)·10-4 м
Макрокомпозиционный и
мезокомпозиционный
Силикатный
микробетон
Цементирующее
вещество
остаточные зерна
кремнеземистого и
других исходных
компонентов
(1 20)·10-5 м
микрокомпозиционный
Цементирующее
вещество
кристаллический
сросток
капиллярные поры
(поровое пространство между отдельными зонами сростка)
1·10-8 20·10-6 м (10-1000 нм)
субмикрокомпозиционный
Кристаллический
сросток
совокупность кристаллов или субмикрокристаллов в отдельной
зоне кристаллического
сростка
гелевые и контракционные поры (межкристаллическое поровое пространство)
10-9 10-7 м (1-100 нм)
ультрамикрокомпозиционный
Кристалл или
субмикрокристалл
материал индивидуального кристалла (субмикрокристалла)
вакансии, замещения, дислокации,
трещины
10-9 10-8 м (1-10 нм)
нанокомпозиционный
1
Особо необходимо остановиться на включениях типа кластеров [58-60].
Дело в том, что всегда существует и действует фактор кластеризации структуры, когда в первичной структуре на разных ее масштабных уровнях возникают
укрупненные образования, как бы «надструктурные» объемы. Кластеризация –
процесс объединения в некоем объеме, пространстве некой системы ее составных частей в некое образование, дифференцирующее объем, пространство этой
системы на более крупные составные части. Следствием кластеризации является изменение характеристик однородности – неоднородности структуры системы, выражающееся в появлении новых поверхностей, границ раздела. Реализация процессов образования кластерных единиц происходит при формировании ансамблей в ходе конденсации, агрегации, флокулирования, глобулизации,
кристаллизации и т.п. Кластеризация структуры термодинамически и синергетически объяснима. Такой процесс является отражением стремления структурируемой системы материала обрести минимально возможный запас внутренней избыточной энергии. И осуществляется это посредством конденсации, агрегирования, флокулирования и т.п., то есть именно кластеризации структуры.
Данное явление касается всех
масштабов структуры. Внешне это выглядит
как образование ансамблей, гроздей (кластеров) из элементарных объемов материала соответствующего масштабного уровня (рисунок 15) с новыми по отношению к существующим границами раздела (рисунок 16). Эти новые границы по определению (термодинамически) должны обладать меньшим уровнем
силовых взаимодействий, чем внутрикластерные. Последствием кластеризации
окажется снижение меры рассеивания внешней энергии по объему материала,
так как при кластеризации уменьшается фактическая задействованность площади поверхности структурных границ раздела. Действительно, более «слабая
поверхность раздела» кластеризованной структуры как бы выключает (в определенной мере) из работы внутрикластерные границы раздела. В результате
может иметь место двойной эффект понижения потенциала сопротивления материала разрушению. Первый из них объясняется уменьшением задействованности границ раздела в диссипации энергии и тем самым в повышении относи53
х 3000
х 10000
Рисунок 15.- Пример кластеризации структуры цементирующих веществ бетона
Хх30000
х 30000
Рисунок 16.- Пример межкластерной границы в цементирующем веществе бетона
54
тельного уровня силового воздействия на «кластерной» границе раздела, а
второй – относительным уменьшением числа и силы (прочности), связей образующихся межкластерных границ раздела.
Как следует из представленного рассмотрения, кластеризация структуры
должна понижать величину локального максимального напряжения, которая
потребуется для формирования и развития трещин, разрушения материала. И
это напряжение будет меньше, чем напряжение трещинообразования разрушения структуры без кластеров:
класт
locmax <
(24)
loc max .
Такое понижение, по-видимому, может быть выражено соответствующим коэффициентом
Ккласт =
loc. max
класт
loc. max
> 1,
(25)
который будет отражать влияние кластеризации структуры как процесса изменения характеристик неоднородности структуры материала.
Специально укажем, что кластеризация может проходить и в технологическом и в эксплуатационном циклах, являясь результатом развития структуры в
технологии, ее последующей самоорганизации, а также изменения структуры
под действием факторов среды.
Теперь остановимся на границах раздела в структуре.
Композитный материал объективно-субъективно имеет границы раздела
его структурных элементов, составляющих, фаз. Объективность выражается в
том, что композитные материалы по определению складываются из разнородных по их характеристикам компонентов, а субъективность – в том, что в формирование структуры целенаправленно вмешивается материаловед-технолог,
меняя исходные составляющие, технологические условия структурообразования композита; предопределяющей причиной наличия границ раздела является
образование их не только в технологическом цикле при получении материала,
но и в эксплуатационном цикле при применении материала.
55
Именно границы раздела, соотносимые с существованием скачка субстанциональных критериев «соседствующих» составляющих, обуславливают формирование на них (границах) напряжений посредством их локализации и концентрации, а в целом диссипации, то есть рассеивания и распределения энергии
внешнего механического воздействия на материал в энергию напряжений его
структурных связей.
Для анализа влияния границ раздела в явлениях трансформации энергии
внешнего воздействия, диссипации ее в структуре материала важен ответ на
вопрос о «задействованности» границ раздела в процессах локализации и концентрации. Ответ, в общем-то, очевиден: «задействованность» границ раздела
конструируемой и созданной структуры материала неодинакова. И прежде всего потому, что единичные границы отличаются параметрами скачка субстанциональных, геометрических, статистических характеристик составляющих
фаз. Это понятно. Но и потому, что проявляется влияние фактора кластеризации первичной структуры, когда, как мы уже отметили, образуются межкластерные более «слабые» по прочности границы раздела, «выключающие» в определенной мере из работы (из действия) сопротивления разрушению внутрикластерные границы раздела и соответствующие структурные связи.
Вариации состояния границ раздела, контакта в реальном композите иллюстрируются электронными их снимками, показывающими, что границы могут быть резкими и «размытыми», плавно проявляющимися (диффузными),
иметь разную протяженность, быть нарушенными и иметь разрывы, трещины
по границе матричного материала и включения (рисунок 17-19). Именно такие
вариации и явились основанием для соответствующей формализации выделяемых нами разновидностей скачка субстанциональности на контактной границе
(см. рисунок 5).
Идентификация структуры материала в структуре конструкции, а именно
его мегаструктуры, отвечает необходимости рассмотрения и учета роли однородности – неоднородности строения материала как такового в формировании
напряженно-деформированного состояния характеристических сечений строи56
х 3000
х 2000
Рисунок 17.- Пример конгломератной структуры микробетона
Рисунок 18.- Микрозернистое
включение в матрице цементирующего вещества
х 10000
х 10000
Рисунок 19.- Пример контактной зоны (границы раздела) матрицы и включения в
силикатном автоклавном бетоне
57
тельной конструкции. В сущности это известная проблема о геометрической
соразмерности макроразмерного структурного элемента (включения) материала
с характеристическими размерами конструкции, а именно минимальными ее
толщинами, минимальными расстояниями между арматурными стержнями и
др. Это проблема однородности - неоднородности структуры композита по отношению к структуре конструкции, отражаемая показателем квазиоднородности, масштабным фактором.
Идентификация мегаструктуры не ограничивается только вопросом квазиоднородности. Она касается и однородности всего объема строительной конструкции с точки зрения так называемого блочного строения (крупно- или мезоблочного) ее объема (рисунок 20).
Обозначено: 1 – механические трещины, разграничивающие макроблоки объема
конструкции при ее разрушении;
2 –технологические (и механические) трещины,
разграничивающие мезоблоки объема конструкции при ее разрушении
Рисунок 20.- Иерархия трещинообразования изгибаемой железобетонной балки
(по Л.Б.Мойжесу) в результате макро- и мезокластеризации структуры материала
«Блочность строения» может быть следствием, например, проявления пристенных и внутриобъемных эффектов при формовании, уплотнении и тверде58
нии бетона в формах, в результате чего образуется детерминированная неоднородность, как в случае пристенных эффектов, а также стохастическая неоднородность, когда отдельные, достаточно крупные или менее крупные части объема изделия обнаруживают статистическое различие плотности, прочности и
оказываются потому разделенными соответствующими границами (исследования
С.С.Гордона,
Л.И.Иосилавского,
Л.Б.Мойжеса,
Н.Г.Стулия,
Л.П.Трапезникова, С.М.Скоробогатова [66], Чернова А.Н. и др.).
Осуществленное рассмотрение вопроса идентификации строения структурно-неоднородных конгломератных строительных композитов исходило из
концепции описания не только структуры самого материала, но и структуры
его в строительной конструкции. Такое рассмотрение соответствует логике общей
аналитической
трактовки
процесса
формирования
напряженно-
деформированного состояния, величины максимально локализованного напряжения σloc.max в i-ой части объема материала, выражаемого соотношением (17).
Представляется, что выполненная идентификация, которая, разумеется,
нуждается в соответствующей детализации, позволяет преодолеть существовавшую фрагментарность понимания роли категории «однородность – неоднородность структуры» в управлении сопротивлением композитов разрушению,
показать ее место более комплексно, более системно как с точки зрения интересов механиков композитов и конструкций, так и материаловедов-технологов.
59
8. О ФОРМАЛИЗАЦИИ СТРОЕНИЯ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ
КОМПОЗИТОВ
Как уже отмечалось, формализация строения конгломератных строительных композитов как структурно-неоднородных систем имеет целью обоснование физических их моделей, отвечающих необходимости постановки соответствующих задач механики деформируемого твердого тела, разрешение которых
предполагает аналитическое, математическое описание явлений формирования
полей напряжений и деформаций в материале. Такое описание позволяет раскрывать факторы и механизмы управления напряженно-деформированным состоянием материала в строительной конструкции как следствия влияния всех
реализаций структурной неоднородности.
Таким образом, речь идет о вопросах «сведения» реальных структур материала через их формализацию к неким физическим их моделям с условием адекватности отождествления.
В процедуре формализации строения конгломератных композитов будем
иметь в виду следующие ее этапы:
1) этап формализации структуры конструкции;
2) этап формализации строения композита в структуре конструкции;
3) этап формализации строения собственно композита.
Такое понимание содержания формализации следует из выражений (17-22).
Идентификация строения строительного конгломератного композита как
состоящего из двухкомпонентных систем «матрица – включение», последовательно, в соответствии с их масштабом иерархически встраиваемых друг в друга, позволяет обратиться к обозначению связанных с этим и важных постановочных вопросов аналитического учета влияния однородности – неоднородности структуры на проявление конструкционных свойств.
Первый из этих вопросов касается границы раздела в системе матрица включение.
При образовании в ходе конструирования материала два его структурных
60
элемента системы, а именно матрица и включение, дополняются возникающим
третьим структурным элементом – зоной их контакта, границей раздела, которая, как мы отмечали, феноменологически и сущностно реализуется в форме
скачка значений параметров поля вещества и поля энергии в композите. Именно введение понятия скачка как отражения структурной неоднородности позволило полнее раскрыть категорию однородность - неоднородность строения через
систему
субстанциональных,
геометрических,
субстанционально-
геометрических и статистических ее критериев [10]. Важно, что этот первый
вопрос имеет непосредственное отношение к трем задачам механики деформируемого твердого тела:
1) задаче механики композитной системы из разнодеформируемых, разносопротивляющихся компонент [67].;
2)задаче механики композитной системы из разнодеформируемых составляющих, образующих различную по состоянию переходную диффузную контактную зону [47];
3) задаче механики поведения двухкомпонентной системы, один из которых (включение) выступает в качестве концентратора напряжений и может при
этом иметь различающиеся фазовое состояние, субстанциональные характеристики, форму, размер, ориентацию размещения в композите и т.п.
Второй,
вытекающий
из
идентификации
строения
структурно-
неоднородных конгломератных строительных композитов, вопрос касается образования системы из многоуровневых по масштабу структур, то есть системы
по принципу «структура в структуре».
Этот второй вопрос определяет постановку задачи о соразмерности, конгруэнтности разномасштабных внутренних структур композита. Конкретно,
речь идет о рассмотрении «картины размещения» структурированной системы
меньшего размерного масштаба, предназначенного к выполнению роли матричного материала в структуре большего масштаба, в межзерновых или межпоровых ее объемах с обеспечением при этом требования квазиоднородности
структуры меньшего размерного масштаба. Фактически это задача о масштаб61
ном факторе и масштабном эффекте, об оптимальности «соединения», «сочленения» соседних по масштабу структур в единую многоуровневую структуру
композита. Применительно к проблеме бетона в этой задаче потребуется пройти шаги от наноструктуры до макроструктуры или, наоборот, от макроструктуры до наноструктуры, то есть осуществить оптимизацию конструкции композита по принципу каскадности получения оптимальных решений в рамках концепции многомасштабности моделирования структуры и процессов [68-70].
В целом процедура формализации структуры для ее моделирования в задачах аналитического учета категории «однородность – неоднородность строения» конгломератных строительных композитов как фактора управления сопротивлением их разрушению в строительных конструкциях должна учитывать
обязательное последовательное выполнение следующих требований [71-73]:
1) структура строительной конструкции должна формализоваться как пространственно-геометрическая система из базовых механических ее элементов;
2) при формализации структуры тела конструкции должно учитываться
наличие или отсутствие признаков ортотропности, вариатропности;
3) структура тела конструкции должна рассматриваться как система, состоящая из макро- и мезоблоков;
4) формализация структуры материала в теле конструкции должна исходить
из возможности кластеризации ее на всех масштабных уровнях (от макро- до нано);
5) структура материала в теле конструкции должна рассматриваться как
насыщенная повреждениями, трещинами различного масштаба с явными признаками их фрактальности;
6) структура материала в теле конструкции должна трактоваться как мегаструктура и характеризоваться показателем конгруэнтности;
7) структура материала как такового должна представляться физической
моделью типа «структура в структуре», то есть обладающей многоуровневой
«масштабной иерархичностью»;
8) структура отдельного масштабного уровня должна представляться моделью типа «матрица - включение»;
62
9) модель «матрица – включение» должна наделяться границей раздела,
контактной зоной;
10) граница раздела, контактная зона должна приниматься как обладающая скачком значений характеристик и свойств субстанции матрицы и субстанции включений;
11) скачок значений характеристик и свойств субстанции матрицы и субстанции включений должен характеризоваться как имеющий различную фронтальную протяженность;
12) включения структурных элементов конгломератного композита
должны формализоваться по агрегатному, фазовому составу, размеру, форме,
ориентации [74];
13) состояние структуры тела конструкции, мегаструктуры материала в
конструкции, многоуровневой по масштабу структуры самого материала должно в физических их моделях приниматься как изменяющееся во времени.
Обязательное последовательное выполнение выделенных и сформулированных требований определяет содержание соответствующих разработок по
моделированию.
Все вышеизложенное составляет концептуально-методологическую основу
для последующих теоретических и прикладных исследований по проблеме, предусматривающих моделирование структур конгломератных строительных композитов, обладающих присущими им признаками однородности и признаками неоднородности; обоснование факторного пространства для качественного аналитического учета значения и роли критериев категории «однородность – неоднородность строения» в формировании свойств строительных композитов; разработку
аналитических соотношений, учитывающих механизмы и факторы влияния однородности - неоднородности строения на формирование характеристик материалов по показателям их сопротивления разрушению в строительных конструкциях;
обоснование положений и алгоритмов управления структурой (синтез и конструирование структур) конгломератных строительных композитов в задачах обеспечения задаваемого уровня качества по показателям сопротивления разрушению.
63
9. ФАКТОРНОЕ ПРОСТРАНСТВО ПРИ УЧЕТЕ РОЛИ
НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ
В ИХ СОПРОТИВЛЕНИИ РАЗРУШЕНИЮ
Структурно-неоднородный композит, который представляется в виде своеобразного трансформатора (преобразователя) энергии внешнего механического
(и иного) воздействия на материал в энергию нагружения его внутренних
структурных связей посредством ее диссипации, можно принимать в качестве
самостоятельного (самодостаточного) объекта исследования. Для него выявляются факторы диссипации, рассеивания энергии нагружения, которые определяются особенностями «конструкции трансформатора», то есть состава, структуры и состояния композита. И в этом смысле можно говорить о факторах
«факторного пространства», относящихся к собственно композиту как структурно-неоднородному телу. Однако при переходе к состоянию композита, работающего в строительной конструкции, в рассмотрение потребуется ввести и
факторы самой этой конструкции, и факторы эксплуатационной среды.
Отличительной особенностью осуществляемой нами идентификации является именно то, что формирование напряженно-деформированного состояния
композита при силовом нагружении анализируется в его (композита) связи со
структурой строительной конструкции, с которой композит со своей структурой находится в определенных отношениях физической и геометрической соразмерности, то есть в отношениях конгруэнтности.
Напомним, что такая концепция послужила основанием к обозначению
общего функционального выражения (17) для максимальной величины локализованного напряжения σloc max в i-том объеме материала, работающего в конструкции при действии внешней механической нагрузки:
σloc max i = Φ [(k1 …kn); Ктд; Кэд; Ккм; Кгк; i ] σoi .
Обращаясь к этому выражению, охарактеризуем факторы по их содержанию,
механизму
возможного
влияния
на
формирование
напряженно-
деформированного состояния композита в строительной конструкции (таблица 3).
64
Таблица 3 - Факторы, влияющие на формирование и параметры напряженнодеформированного состояния структурно-неоднородного композита
в строительной конструкции
№
п/п
Факторы влияния
Механизм действия и
влияния факторов
Показатель учета
влияния факторов
1
Фактор структуры кон- Формирование объемов и сечений Коэффициент «геометрии»
струкции
конструкции с максимальными де- строительной конструкции
формациями и напряжениями
Кгк;
2
Фактор мегаструктуры – Масштабный эффект масштабного
соразмерности парамет- фактора (фактора конгруэнтности)
ров
макроструктуры
композита параметрам
структуры конструкции
3
Фактор композиционности структуры (фактор
двухкомпонентности
системы «матрица –
включение»)
4
Фактор гетерофазности Влияние фактора «скачка» на локаи относительной суб- лизацию и концентрацию напряжестанциональности мат- ний в контактной зоне
рицы и включения (фактор наличия скачка субстанциональности в контактной зоне матрицы и
включения)
Коэффициент масштабного
фактора
(коэффициент
конгруэнтности мегаструктуры Ккм)
Проявление включениями роли Коэффициент концентраконцентраторов напряжений; влия- ции напряжений k1…kn
ние включений на локализацию и
концентрацию напряжений в объеме
композита
Коэффициент разнородности Кs;
градиент
разнородности
S;
индикатор разнородности Is
- мера (степень) субстанциональной разнородности
матрицы и включений
Is= (Sв - Sм)/Sм
5
Фактор «диффузности»
контактной зоны в системе «матрица – включение»
Влияние импульсности и диффузности скачка на объем локализации и
концентрации напряжений, на диссипацию энергии в контактной зоне
Импульсность скачка gs;
фронтальная протяженность скачка ts;
диффузность скачка Gs
6
Фактор размера, формы,
пространственной ориентации включений в
матрице композита
Влияние размера, формы, пространственной ориентации включений в
матрице композита на неоднородность формирующегося поля напряжений и деформаций в нем
Размер включений Dв;
величина угла , оценивающая «остроту» формы
включений;
пространственная ориентация включений в композите - угол между направлением главных внутренних напряжений и
главной осью частицы;
7
Фактор типа цементации
в
двухкомпонентной
системе «матрица –
включение»
Влияние объемного содержания и
объемного распределения включений в матрице композита на неоднородность формирующегося поля
напряжений и деформаций в нем
Объемная доля Vв в композите;
толщина
межзернового
слоя и (или) межпоровой
перегородки м;
65
Продолжение таблицы 3.
№
п/п
Факторы влияния
Механизм действия и влияния
факторов
Показатель учета влияния
фактора
8
Фактор конгломератности – фактор стохастичности размещения включений в матрице композита
Влияние стохастичности размещения включений в матрице композита на неоднородность формирующегося поля напряжений и
деформаций в нем
Статистический коэффициент изменчивости содержания включений в отдельных
объемах композита
9
Фактор статистической
изменчивости характеристик
компонентов
в
структуре композита
Параметры статистических
распределений
характеристик компонентов (оценка
математического ожидания,
коэффициент изменчивости,
размах значений характеристик и др.)
10
Фактор масштабной многоуровневости структуры
как иерархической совокупности «структура в
структуре» (фактор полиструктурности композита)
Влияние статистической изменчивости характеристик компонентов
(по составу и субстанциональности матрицы и включений, форме,
размеру, ориентации включений в
матрице композита и др.) на неоднородность формирующегося
поля напряжений и деформаций в
нем
Усиление локализованных напряжений по мере перехода структурных масштабов от бόльших к
меньшим
11
Фактор конгруэнтности в
полиструктурном композите
Фактор
кластеризации
структуры композита в
технологическом цикле
12
13
14
15
Фактор
кластеризации
структуры композита в
эксплуатационном цикле
Фактор технологической
и эксплуатационной дефектности структуры на
атомном и кристаллохимическом уровнях
Фактор технологической
и эксплуатационной дефектности структуры на
нано-, микро-, мезо- и
макроуровне
Коэффициенты концентраций
напряжений на масштабных
уровнях структуры – от макро- до нано- и атомномолекулярного уровня (каскад коэффициентов концентрации напряжений k1…kn)
Масштабный эффект меры межу- Коэффициент масштабного
ровневой конгруэнтности
эффекта
Понижение величины локального
максимального напряжения, необходимого
для
разрушения
структуры материала, в сравнении
с напряжением разрушения структуры без ее кластеризации
Понижение величины локального
максимального напряжения, необходимого
для
разрушения
структуры материала, в сравнении
с напряжением разрушения структуры без ее кластеризации
Деформирование твердофазовых
составляющих композита на кристаллохимическом уровне их
структуры
Коэффициент
понижения
напряжения разрушения от
кластеризации структуры в
технологическом цикле –
Ктехн. класт.
Коэффициент
понижения
напряжения разрушения от
кластеризации структуры в
эксплуатационном цикле –
Кэкспл. класт
Коэффициенты концентрации напряжений от вакансий, замещений и дислокаций на атомном и кристаллохимическом уровнях
Появление сильного концентрато- Коэффициенты концентрара напряжений (в виде трещин) в ции напряжений от трещин
многоуровневой структуре компо- на соответствующих масзита
штабных уровнях структуры
66
Факторами структуры конструкции, которые в контексте проводимых
рассмотрений важны с точки зрения наличия сечений с максимальными деформациями и напряжениями, являются конструктивный тип конструкции, геометрия ее формы, характеристические размеры, вид напряженного состояния, эпюры деформаций и напряжений как следствия всего этого, армирование и др.
Именно эти факторы должны учитываться при определении максимальных величин осредненных напряжений, действующих на материал в рабочих сечениях
конструкции. При этом учет факторов структуры конструкции
ведется
в
предположении субстанциональной однородности композита. В реальности же
композит проявляет себя в строительной конструкции как структурированное
твердое тело, вследствие чего величины силовых нагружений структурных связей композита окажутся выше максимальных величин осредненных напряжений. Такое превышение, качественно учитываемое соответствующим коэффициентом, будет предопределяться системным последовательным или параллельным действием всех других факторов, отражающих однородность - неоднородность структуры материала в структуре конструкции (мегаструктуры) и
структуры собственно композита.
Фактор мегаструктуры понимается через соразмерность параметров
макроструктуры композита параметрам структуры конструкции, то есть критериальной соответственности, конгруэнтности, прежде всего, максимального
размера включений в матрице композита минимальному геометрическому размеру рабочих сечений конструкции. Фактор мегаструктуры является, по существу, масштабным фактором, определяющим проявление действия масштабного эффекта на меру изменения принятой по условиям бесструктурности (квазиоднородности) материала величины осредненного напряжения σо.
При переходе к факторам, относящимся непосредственно к конструкционному материалу, остановимся в первую очередь на факторе композиционности структуры как системы «матрица - включение». Фактор композиционности выражается в проявлении включениями роли концентраторов напряжений и
в соответствующей локализации напряжений в объеме композита вследствие
67
диссипации, рассеивания энергии внешнего воздействия в нем с участием
включений.
Фактор композиционности характеризуется коэффициентом концентрации
напряжений на границе раздела матрицы – включение. Величина данного коэффициента зависит от фактора относительной субстанциональности матрицы и включения (скачка субстанциональности на границе раздела), фактора размера, фактора формы, фактора пространственной ориентации
включений в матрице композита, фактора суммарного объема включений в
объеме композита (фактора наполнения и соответственно типа цементации
двухкомпонентной системы «матрица – включение», обуславливаемого фактором дозировки компонентов, то-есть фактором состава).
Фактор композиционности структуры как отражение ее определенной детерминированности сочетается с фактором конгломератности структуры
как следствия стохастичности размещения включений в матрице композита.
Стохастичность размещения, понимаемая в категориях случайности и вероятности, дополняется и усиливается тем, что все физические, механические и
иные характеристики взаиморазмещенных компонентов композита являются вероятностными величинами. И это определяет существо фактора статистической изменчивости характеристик компонентов, составляющих композит.
Очевидно, что фактор статистической изменчивости будет влиять на параметры формирующегося в композите поля деформаций и напряжений, придавая
ему признаки и черты случайности и вероятности. Отсюда следует вывод о том,
что аргументы, входящие в аналитические соотношения, отражающие роль
структурной неоднородности композитов в их сопротивлении разрушению,
должны представляться в виде соответствующих статистических распределений. По этим функциям могут выявляться статистически средние значения аргументов (оценки их математического ожидания) и при необходимости вероятные максимальные или минимальные их (аргументов) значения.
Формирование напряженно-деформированного состояния конгломератных
композитов определяется и действием фактора их полиструктурности строе68
ния – масштабной многоуровневости структуры как отражения иерархической
совокупности разномасштабных двухкомпонентных систем «матрица – включение», размещенных в объеме композита по принципу «структура в структуре».
Следствием влияния масштабной многоуровневости структуры является усиление
локализованных напряжений по мере перехода в направлении от бόльших структурных масштабов к меньшим. Такое усиление выражается поуровневым коэффициентом k1…kn концентрации напряжений от включений, последовательно
(каскадно) вступающих в действие в зонах повышенных напряжений от действия
более крупных включений предыдущего масштабного уровня.
Количественно (по величинам коэффициентов концентрации напряжений) такое действие будет предопределяться фактором межуровневой конгруэнтности
в полиструктурном композите. Действительно, конгломератная структура любого
меньшего по масштабу уровня геометрически размещается в объеме между включениями бόльшего масштабного уровня. И такое размещение, например, по показателю числа включений, может соответствовать или, напротив, не соответствовать
условию квазиоднородности структуры меньшего масштабного уровня в структуре
большего масштабного уровня. А от этого будет зависеть картина диссипации напряжений и величины коэффициентов концентрации напряжений k1…kn.
Фактор межуровневой конгруэнтности в полиструктурном композите имеет прямое отношение к масштабному фактору и масштабному эффекту. И в
этом смысле он оказывается в одном ряду с фактором мегаструктуры, учитывающим соразмерность параметров макроструктуры композита параметрам
структуры строительной конструкции из него.
Свой вклад в меру неоднородности поля напряжений и деформаций конгломератного композита при его нагружении вносит фактор кластеризации
структуры, развивающейся и в технологическом и в эксплуатационном циклах. Так называемое зонирование формирующейся структуры, ее самопроизвольная или принудительная кластеризация, когда на разных масштабных ее
уровнях возникают укрупненные образования, как бы «надструктурные» объемы, изменяет характеристики однородности – неоднородности строения компо69
зита. И он фактически дифференцируется на более крупные, как раз, надструктурные объемы. Это изменение сопровождается появлением новых поверхностей и границ раздела, последствием чего оказывается уменьшение площади
поверхности границ раздела, появление более слабых структурных связей на
этих границах. В итоге потенциал сопротивления структуры материала разрушению может при кластеризации структуры понижаться.
Наконец, обратимся к фактору технологической и эксплуатационной
дефектности. Здесь имеется в виду появление дефектов на разных масштабных уровнях структуры: во-первых, на атомно-молекулярном, кристаллохимическом, во-вторых, на нано- и микроуровне, в-третьих, на мезо-, макро- и мегауровне. В первом случае речь идет о дефектах типа вакансий, замещений,
дислокаций, роль которых будет проявляться в явлениях физики разрушения,
соотносимых с термофлуктуационным его механизмом. Во втором случае фактор дефектности будет связан с появлением микротрещин, а в третьем, – с образованием мезо- и макротрещин в композите и конструкции [39, 52, 75-77].
Трещины как структурный элемент композита окажутся фактором формирования перенапряжений в структуре первичных его объемов, появления и существования зон локализации и концентрации напряжений, в которых начнут
«работать» все другие рассмотренные выше факторы.
Представленная систематизация факторов влияния структурной неоднородности на формирование и параметры напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородного композита в строительной конструкции отвечает существованию «дистанции» между осредненными напряжениями σoi,
принимаемыми в предположении бесструктурности (квазиоднородности) материала, и действительными напряжениями σloc max i , которые будут развиваться в
структурированном материале.
Содержательное раскрытие и сущностное понимание этой «дистанции»
оказывается абсолютно необходимым при постановке и решении материаловедческих задач конструирования оптимальных структур конгломератных
строительных композитов.
70
10. ОСНОВНЫЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ,
УЧИТЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ ОДНОРОДНОСТИ – НЕОДНОРОДНОСТИ
СТРУКТУРЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО
СОСТОЯНИЯ КОНГЛОМЕРАТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ
В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Управление однородностью - неоднородностью структуры композитов
имеет своей конечной целью повышение конструкционного потенциала их сопротивления эксплуатационным воздействиям. Это может достигаться на основе обеспечения условий наиболее эффективной работы структурных связей в
процессе их деформирования напряжениями, складывающимися в объеме материала. Иными словами, речь идет о задачах управляемого формирования параметров поля деформаций и напряжений в структуре материала через регулирование характеристик ее неоднородности, отражаемых субстанциональными,
геометрическими, субстанционально-геометрическими и статистическими критериями.
В рамках такого толкования процедура и алгоритм конструирования структуры композита соотносятся с целенаправленным изменением условий перехода
энергии внешнего механического воздействия во внутреннюю энергию детерминированно-стохастической системы структурных связей материала, а сам композит с его структурой рассматривается как, своего рода, специально конструируемый «трансформатор энергии», в котором внешнее воздействие на него от механической нагрузки, нагревания, охлаждения, увлажнения, обезвоживания и т. п.
преобразуется наиболее выгодным по показателям работоспособности материала
образом в деформации и напряжения структурных связей.
Из сказанного следует, что в отношении любого критерия и структурного
фактора однородности - неоднородности композита необходимо прогнозировать
закономерности его влияния на возможность изменения баланса сил деформирования и параметры поля напряжений в процессе нагружения материала.
Аналитическое рассмотрение и учет факторов влияния критериев одно71
родности – неоднородности структуры на конструкционные характеристики
конгломератных строительных композитов будем вести в соответствии с содержанием таблицы 3.
Полиструктурность как выражение неоднородности и ее значение в
закономерностях концентрации и локализации напряжений в композите.
Значение полиструктурности в формировании поля напряжений отражается
представленным выше соотношением (1), которое показывает, что каждый из
«n»-масштабных уровней структуры с характерным для него видом включения
и дефектом в матрице вносит свой дополнительный вклад в концентрацию и
повышение уровня напряжения в области, непосредственно прилегающей к такому включению, дефекту. Многократное, «n»-раз повторенное по масштабным уровням, повышение локального напряжения увеличивает вероятность
разрушения материала.
Выражение (1) показывает также, что чем больше число масштабных
уровней структуры «n» в композите, тем выше (при прочих равных условиях)
может быть итоговое значение величины локализованного напряжения
loc.max i.
Отсюда очевиден вывод о том, что с точки зрения формирования менее неоднородного поля напряжений и соотносимых с этим возможностей обеспечения
более полного использования потенциала внутренних силовых связей целесообразно конструировать структуру с возможно меньшим числом ее масштабных уровней. В технологии бетонов, например, это может означать целесообразность, как минимум, отказа от применения крупного заполнителя и перехода
на мелкозернистые или даже микрозернистые бетоны.
Данный вывод касается проблемы количества структурных уровней концентрации напряжений в материале. Но выражение (1) дает основание и для
вывода в отношении «качества», то есть величины проявляющегося на каждом
уровне коэффициента концентрации напряжений ki. Очевидно, что целенаправленное изменение (уменьшение) величины ki (даже при сохранении «n» уровней структуры) позволит снизить локальное напряжение
loc.max i
и этим
повысить сопротивление структуры материала разрушению. Возможности же
72
изменения величины коэффициента концентрации напряжений k1…kn непосредственно связаны с субстанциональными Ah s , геометрическими Ah g , субстанционально-геометрическими Ah s-g и статистическими Ah p
[10-12] кри-
териями неоднородности строения композита.
В соответствии с этим для каждого отдельно взятого i –ого масштабного
уровня структуры
ki = f Ah si ; Ah gi ; Ah s-gi ; Ah pi
.
(26)
Фактор композиционности структуры, субстанциональные критерии
неоднородности и закономерности формирования поля напряжений в композите. Известно [31, 32, 43, 44, 49, 78, 79], что субстанциональная разнородность компонентов (матрицы и включений), проявляющаяся в виде скачка физических характеристик на границе раздела материалов матрицы и включений,
прямым образом влияет на параметры формирования в композите неоднородного поля деформаций и напряжений.
В порядке систематизации и обобщения известных разработок остановимся на некоторых уточняющих моментах.
Представим модельные варианты реализации скачка (изменения субстанциональной разнородности) по некоторому свойству S в единичном объеме
системы, состоящей из матрицы с одиночным включением фиксированного
размера и формы. Будем полагать, что в модельных вариантах оцениваемое
свойство включения Sв определенным образом изменяется относительно свойства матрицы, для которой примем Sм = const. Тогда при внешнем напряжении
от нагрузки и при условии полной геометрической аналогии вариантов моделей можно представить общий вид эпюр напряжений соответственно каждому варианту (рисунок 21).
Отметим, что основным принципом анализа картин напряжений в рассматриваемых модельных вариантах принимается условие сохранения «площади» (в плоской постановке задачи) и «объема» (в пространственной постановке
задачи) эпюр при закономерном изменении их формы и величины максимумов.
73
Этот принцип отвечает закону сохранения общей величины «потребляе-
Эпюры
напряжений
мой» телом внешней приложенной
loc.max
Модель
композита
Газофазовое включение,
Sв = 0
энергии при одновременной возможности изменения условий ее распре-
0
деления по площади рабочего сече-
В
Is = 1;
ния и по объему композита в зависи-
М
мости от характеристик неоднород-
Твердофазовое включение, 0 Sв Sм,
loc.max
ности его структуры.
меры (степени) субстанциональной
0
В
разнородности матрицы и включе-
Is (0;1);
М
ний показателем индикатора разно-
Твердофазовое включение, Sв = Sм
родности
I
0
В
S
s
S
в
S
м
,
(27)
м
представим (см. рисунок 22) зависи-
Is=0;
М
мость коэффициента концентрации
напряжений от фактора субстанциоloc.max
Твердофазовое включение, Sв>Sм,
0
В
М
Воспользовавшись для оценки
Is (0; )
нальной разнородности:
k{Ah s } = 1 + a Is b,
(28)
где а – коэффициент, учитывающий
интенсивность изменения
loc.max
в
связи с субстанциональными особенностями
материалов
матрицы
и
Рисунок 21.- Модели изменения распределения напряжений в единичном объеме систе- включений по их реологическим хамы «матрица (М) – включение (В)» при варактеристикам упругости, вязкости,
риации Sв относительно неизменного Sм
пластичности, а = tg ;
b – показатель степени, отражающий в общем случае нелинейный закон изме74
нения коэффициента концентрации напряжений (b 1) и соответственно
loc.max i
как функции Is:
loc.max i
= (1 + a Is b)
(29)
0
k(Ah s )
2
3
1
1
3
2
1
0
0
Is
Рисунок 22.- Зависимость коэффициента концентрации напряжений от субстанциональной
разнородности матрицы и включения (1, 2, 3 –
при различных реологических характеристиках)
Влияние субстанционально-геометрических факторов (характеристик)
контактной зоны на формирование поля напряжений в системе «матрица
– включение». На формирование картины концентрации и локализации напряжений на границе раздела фаз влияет как величина индикатора разнородности
(27), так и особенности контактной зоны, характеризуемые соответствующими
субстанционально-геометрическими ее критериями Ah s-g - фронтальной протяженностью скачка, его импульсностью и диффузностью.
Геометрическая характеристика субстанционального скачка – его фронтальная протяженность ts или, иначе, толщина контактной зоны, – в сочетании с
субстанциональной разнородностью образуют показатель диффузности скачка,
который отражает «плавность» или напротив «резкость» изменения субстанциональных характеристик по мере удаления от межкомпонентной границы
раздела. С увеличением ts при Is = const обоснованно ожидать (рисунок 23)
снижение уровня напряжений
loc.max
по сравнению с ситуацией, когда скачок
бездиффузен (ts=0). Такой эффект обусловлен явлением «растягивания» зоны
75
локализации напряжений вблизи границы раздела, то есть явлением более объемной диссипации энергии под влиянием фактора диффузности скачка. Мера
ожидаемого снижения выражается соответствующим коэффициентом влияния
диффузности скачка е-с, где с – показатель степени, связанный с ts.
Ввиду изменения коэффициента концентрации напряжений по зависимости
k{ Ah s ; Ah s-g } = 1+a Is b е-с
(30)
величина коэффициента при ts=0
k{Ah s-g }
равна (1+a Is b), а при ts
1+a Is b
она
равна 1. Соответственно этому и с
учетом фактора диффузности скач-
a Is b e-c
a Is b
ка величина максимального локального напряжения при ts=tsi со-
1
ставит
1
0
0
tsi
ts
loc.max i
= (1+a Is b е-с)
0
(31)
Из сформулированных поло-
Рисунок 23.- Зависимость коэффициента
концентрации напряжений от фронтальной
протяженности скачка ts при постоянной
субстанциональной разнородности матрицы
и включений Is
жений становится ясной полезность конструирования структуры
композита с диффузной контакт-
ной зоной. Это требование реализуется в условиях, обеспечивающих синтез переходных (между компонентами) структур с физико-химической природой связей, например, эпитаксиальных связей. Последнее, к примеру, достигается в
случае контактирования реакционноспособных и родственных по кристаллохимическим параметрам исходных компонентов.
Роль формы частиц включений в закономерностях концентрации напряжений. Изменение формы включений является самостоятельным геометрическим «неоднородностным» фактором влияния на величину коэффициента концентрации напряжений и параметры поля напряжений в композите [49,80, 81].
Рассматривая форму включения как аналог трещины с определенной «ост76
ротой» (радиусом) вершины, можно прийти к выводу о том, что мера концентрации напряжений в зоне контакта матрицы и включения зависит (в плоской
постановке задачи) от величины угла
, оценивающей эту «остроту» в радиа-
нах. Для предельно «острого» включения величина
круглой формы угол
приближается к 0, для
= . Из положений механики разрушения [49] известно,
что коэффициент концентрации напряжений на кончике предельно острой
трещины стремится к
, а на границе круглого включения (частицы, поры) он
равен 3 (рисунок 24). Исходя из этого, величина коэффициента концентрации
нагр
нагр
нагр
нагр
= /6
=
Ah g
Ah g =3
нагр
/
нагр
3
= /2
0
0
/4
/2
3 /4
Рисунок 24.- Зависимость концентрации напряжений у вершины включения
от его «остроты»
напряжений вблизи включения с учетом факторов субстанциональности матрицы и включений, диффузности скачка и формы частицы выражается как:
k{ Ah s ; Ah s-g ; Ah g } = (1 + a Isb е-с) 3 / .
(32)
Роль фактора пространственной ориентации частиц включений в
формировании поля напряжений. Известно [80, 81], что концентрация напряжения в объеме материала вблизи частицы включения неравномерна. В первую
очередь, это может определяться неправильностью ее формы, различием «остроты» ребер и вершин. Повышенный, либо, напротив, пониженный уровень на77
пряжений на определенном участке
поверхности границы раздела матрицы и включения зависит также и от
0
нагр
нагр
1 = /2
ориентации последнего относительно
направления действия главных напряжений в объеме композита.
Моделирование вариантов про-
loc.max
странственной ориентации включе0
нагр
нагр
ний за счет изменения угла
между
направлением главных внутренних
2
= /6
напряжений
и главной осью части-
цы (в плоской постановке задачи, рисунок 25) показывает, что зависи-
0
нагр
нагр
3=0
мость для изменения величины коэффициента концентрации напряжений вблизи частицы включения от ее
ориентации k{Ah g }
k{Ah g }
может иметь
вид
(1+sin ), 0
/2.
(33)
В итоге, коэффициент концен-
1
0
/2
трации напряжений вблизи одиноч-
Рисунок 25.- Зависимость коэффициента ного включения с учетом рассмотконцентрации напряжений вблизи вершины включения от изменения пространст- ренных субстанциональных, субстанвенной ориентации включения относи- ционально-геометрических и
геотельно направления силового воздействия
метрических критериев неоднородности строения композита можно представить зависимостью:
k {Ah s ; Ah s-g ; Ah g } = (1 + a Isb е-с) 3
/
(1+sin ).
(34)
Соответственно (34) максимальные локализованные напряжения в единичном объеме вблизи одиночного включения c учетом субстанциональности мат78
рицы и включения, диффузности скачка, формы и ориентации частицы выражаются как:
loc.max i
= (1 + a Isb е-с) 3
/
(1+sin )
0
(35)
Влияние фактора размера включений и степени наполнения композита на формирование поля напряжений. Размер включений Dв как важнейший
геометрический фактор возможного влияния на формирование поля напряжений в композите не учитывался в соотношениях (28-35), которые давались для
единичного объема. Учет фактора размера включений становится необходимым, когда при описании структуры вводятся показатели характеристического
размера композита Lx.
Влияние размера включений на формирование параметров поля напряжений в композите следует рассматривать в совокупности с количеством размещаемых в объеме композита включений, то есть учитывать не только размер,
но и их объемную долю Vв в композите. Это и понятно, поскольку от Vв при
Lx= const зависит расстояние между включениями (толщина межзернового слоя
или межпоровой перегородки)
м.
Вообще говоря, в данном вопросе речь идет о проблеме
«взаимодействия фронта трещины с неоднородностями» [82].
Такое взаимодействие характерно
тем, что длина фронта трещины
увеличивается по мере того как
этот фронт прогибается между
Рисунок 26. - Схема взаимодействия фронта трещины с дисперсными включениями в матрице каждой парой соседних включекомпозита [82].
Обозначено: прямая линия – фронт до приложения ний (рисунок 26). Вполне оченапряжений; кривая линия – фронт в момент его
видно, что такой прогиб фронта
прорыва и последующего развития
трещины будет зависеть от числа
включений по фронту или соответственно от расстояния между ними, опреде79
ляемого объемной долей Ve в объеме композита с характеристической величиной Lx.
1
В соотношении с характеристиче-
.max
внутр
ским размером композита Lx рассматриваемы факторы Dв и
ср
м
предоп-
ределяют связанные с ними геометрические
Dв
неоднородности
строения - удельную площадь по-
2
max
внутр
критерии
верхности субстанциональной границы
раздела между материалом матрицы и
ср
включения FSуд, критерий конгруэнтности Nk [10], роль которых, собствен-
м
но, и должна рассматриваться в зада3
внутр
чах формирования поля напряжений в
max
структуре композита.
ср
Увеличение FSуд за счет, например, уменьшения Dв при Vв=const и
Lx
Lx=const (рисунок 27), сопровождается
повышением
дробности
структуры
композита, в результате чего при не-
k (FSуд)
изменной внешней нагрузке уровень
-d
e
максимальных локальных напряжений
1
в композите
1
0
FSуд
loc.max i
снижается по за-
висимости е-d, где d – показатель степени, связанный с
FSуд =f(Dв). При
Рисунок 27.- Зависимость коэффициента
структура композита «полуконцентрации напряжений от
FSуд FSуд
(1, 2, 3 – при различных Dв и δм);
чает» квазиоднородное состояние и тоFSуд1 FSуд2 FSуд3; Nk1 Nk2 Nk3
гда k(FSуд)
1, а
loc.max i
0i.
Такой эффект обусловлен возрастанием меры диссипации, степени рассеяния энергии внешнего воздействия во внутреннем пространстве композита. В
80
зависимости от изменения удельной площади поверхности границы раздела
максимальные локализованные напряжения выражаются как:
loc.max
= (1 + a Isb е-с) 3
/
(1+sin ) е-d
(36)
0
Таким образом, величина FSуд определяет эффективность работы композита как «трансформатора» (диссипатора) внешней энергии напряжения в другие виды энергии и является оценкой неоднородности композита вне зависимости от его габаритных, «конструкционных» размеров.
Вместе с тем иерархическая многомасштабная организация строения композита по принципу «структура в структуре» приводит к тому, что композит на
любом «n»-масштабном уровне в условиях размерных ограничений, предопределяемых включениями Dв более «крупного» уровня, работает как «конструкция» с присущими ей масштабными эффектами. Эти эффекты находят соответствующее отражение в параметрах поля напряжений в композите и зависят от
критерия масштабной конгруэнтности, соразмерности структурных включений
композита и характеристического размера Nk = Lx/Dв (см. рисунок 27).
Учет закономерностей проявления масштабного эффекта в зависимости от
Nk обусловливает следующий вид зависимости уровня максимального локализованного напряжения в i-ом структурном уровне композите:
loc.max i =
(1 + a Isb е-с) 3
/
(1+sin ) е-d е-Lx/Dв
0
.
(37)
Влияние фактора кластеризации структуры на формирование поля
напряжений в конгломератном строительном композите. Кластеризация
структуры строительного композита может касаться как системы частиц включений, так и частиц матричной субстанции. Частицы включений могут объединяться в ансамбли, дифференцируя объем композита на кластеры различной
конфигурации и различного размера; матричная субстанция как продукт гидратационного или синтезного твердения может дифференцироваться на глобулы,
флокулы, кристаллиты, включающие в свой объем некие первичные индивидуальные структурные единицы.
81
Последствия кластеризации системы частиц включений могут анализироваться в рамках материаловедения, например, металлов с регулируемым размером зерна в их структуре. Зависимость их предела прочности σ от размера зерна
dз (и кластера) представляется уравнением Петча-Холла [83]:
σ = m σ0 + mkdз -1/2 ,
(38)
где σ0 – напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать начало разрушения
структуры в отсутствии сопротивления со стороны границ зерен (кластера);
k - величина концентрации напряжений у вершины начальной трещины;
m - коэффициент, связанный с характеристиками субстанции зерна (кластера).
Вследствие зонирования и кластеризации матричной составляющей композита
образуются так называемые укрупненные «надструктурные» объемы, что существенно изменяет субстанционально-геометрические параметры однородности
– неоднородности композита. Как ранее отмечалось, подобное изменение сопровождается появлением новых поверхностей, границ раздела, последствием
чего оказывается уменьшение площади поверхности границ раздела, появление
более слабых структурных связей на этих границах. В итоге потенциал сопротивления структуры матрицы материала разрушению может при кластеризации
понижаться в соответствии [83] с соотношением
*
E
рт
r
1/ 2
( 1 - Vn )n = Kc · t-1/2 · ( 1 – Vn )n,
(39)
где σрт - разрушающее напряжение при одноосном сжатии;
Е – модуль упругости; γ*= γ + Δγ - эффективная поверхностная энергия
разрушения, здесь γ - поверхностная энергия, а Δγ - дополнительная работа, идущая на производство локальной пластической деформации и
образование ступенчатых поверхностей скола;
r - средний размер кристаллита (кластера);
KС- коэффициент вязкости разрушения;
Vn- пористость;
n - эмпирический коэффициент, который изменяется от 2,6 до 4,3.
82
Щуров А.Ф. [84] на основе положений механики разрушения исследовал
прочность дисперсной системы из гидросиликатов кальция. В структуре цементирующего вещества как матрицы строительных материалов он выделил «первичные
надмолекулярные структурные
элементы»
«микрокристаллы»
-
C-S-H (II), C-S-H (I), тоберморита 1,13 нм, α-гидрата С2S, гиролита и др.,
имеющих размеры в сечении 0,2-0,6 нм и по длине 10-60 нм, а также «вторичные» - «псевдокристаллиты», являющиеся результатом кластеризации (контактирования и срастания) «первичных» и достигающих размеров 10 2-103 нм. При
этом А.Ф.Щуров экспериментально установил обратно пропорциональную зависимость прочности от квадратного корня размера «псевдокристаллита». Эта
зависимость в ее основе, как видно, совпадает с уравнением Петча-Холла.
С учетом фактора кластеризации величина напряжения, необходимого
для разрушения материала, будет
класт ер
loc. max i =
loc. max i
(40)
,
r i2
где ri - средний размер кластерного образования на i -ом масштабном уровне
структуры композита.
Влияние фактора кластеризации может быть представлено и через коэффициент
конгруентности
композита
с
кластеризованной
структурой
Nкк = Lx/Dвк . Тогда
класт ер
loc. max i
= (1 + a Isb е-с) 3
/
(1+sin ) е-d е-Lx/Dвк
0
,
(41)
где Dвк – размер включения в композите с кластеризованной структурой.
Влияние фактора масштабной многоуровневости структуры на максимальные локальные напряжения в структуре композита. Представленные
выше аналитические рассмотрения относились к единичному i –ому масштабному уровню структуры. Иными словами в предложенных соотношениях не учитывался фактор масштабной многоуровневости структуры конгломератных
строительных композитов.
Следствием влияния фактора масштабной многоуровневости структуры
(полиструктурности) является, как уже отмечалось, возрастание величины ло83
кализованных напряжений в направлении к меньшим структурным масштабам
от бόльших. И это может учитываться поуровневым коэффициентом k1…kn
концентрации напряжений от включений, последовательно (каскадно) вступающих в действие в зонах повышенных напряжений, определяемых ролью более крупных включений предыдущего масштабного уровня. Поскольку масштабные уровни структуры как двухкомпонентные системы «матрица – включение» подобны, то предложенные соотношения вполне применимы к любому
структурному уровню при анализе явлений локализации и концентрации напряжений в них. В связи с этим соотношение (37, 41) для
loc.max i
и
класт ер
loc. max i
получит свою «реализацию» как часть «каскадного» процесса возрастания напряжений разрушения в n-многоуровневой структуре композита. При этом, разумеется, потребуется дополнительно учесть и определенную специфичность
структур на их масштабных уровнях.
Вообще при конструировании структуры композита необходимо будет
пройти шаги от наноструктуры до макроструктуры или, наоборот, от макроструктуры до наноструктуры, то есть осуществить оптимизацию конструкции
композита по принципу каскадности получения оптимальных решений в рамках концепции многомасштабности моделирования структуры и процессов [68].
Для этого понадобится разработка соответствующих алгоритмов и программ
[69, 70].
Роль статистических критериев неоднородности строения в формировании поля напряжений. Представленный анализ роли критериев неоднородности структуры в формировании поля внутренних напряжений в нагруженном композите давался в детерминированной постановке. Фактически же
численные значения всех критериев имеют статистическую реализацию в виде
вероятностных функций распределения. А это означает «появление» дополнительно статистического фактора неоднородности, что требует учета статистических параметров распределения – оценки математического ожидания и
коэффициента вариации величин всех конкретно рассматриваемых критериев
неоднородности структуры.
84
В такой постановке очевиден вопрос о необходимости оценки меры влияния фактора статистической изменчивости (коэффициента вариации Сv) величин критериев неоднородности на
loc.max.
Учет этого может исходить из экспо-
ненциальной зависимости, показывающей возможность повышения концентрации напряжений с ростом статистической вариативности критериев неоднородности в структуре композита:
loc.max(Сv)=
loc.max
И тогда фактическое значение
е pСvкомпоз .
loc.max i
(42)
в формуле (35) модифицируется множи-
телем е pСv по каждому действующему критерию неоднородности Is, ts … и т. д.
(в формуле (42) р - коэффициент при Cv отражающий меру влияния изменения
Cv на коэффициент концентрации напряжений).
Рассматривая роль стохастичности структуры, следует остановиться и на
том, что и в строительной конструкции из композита всегда вероятна статистическая вариация параметров структуры и свойств композита в отдельно взятых объемах самой строительной конструкции. В результате этого объективно
вероятно появление в ней областей (j- зон) с наиболее повышенным уровнем
напряжений.
Величина
loc.max ij
дополнительно изменяется вследствие статистической
вариации неоднородности на мегауровне структуры, то есть характеристик неоднородности структуры композита на уровне конструкции. Поэтому соответственно формирующееся в строительной конструкции
loc.max i
«увеличивается»
через коэффициент е рСvконстр., и тогда
loc.max ij =
loc.max i
е рСvконстр ,
(43)
где Сv – статистическая изменчивость критериев неоднородности материала в
объеме конструкции.
Проведенное рассмотрение роли стохастичности структуры в объеме конструкции «обеспечивает» соотносимость неоднородности композита непосредственно с потенциалом работоспособности конструкции. И это отвечает мето-
85
дологической концепции «материал – конструкция», существу категории «конструкционный материал».
Из рассмотрения проблемы статистической, вероятностной, стохастической сущности неоднородности структуры очевидно, что строгая во времени
последовательность появления и смены этапов концентрации напряжений и
стадий разрушения во всем объеме материала не будет иметь места. В силу
стохастической природы неоднородности структуры материала характерным
окажется опережение или отставание во времени одних этапов и стадий от других в разных зонах материала и объемах конструкции. Иными словами, в любой произвольный момент действия внешней нагрузки на материал отдельные
его зоны в объеме конструкции могут отличаться напряженно-деформированным состоянием и степенью разрушения - количеством накопленных повреждений структуры. И в этой связи можно говорить о функции распределения степени разрушения, неоднородности меры разрушения материала по этим
отдельным его зонам и объемам. В итоге в неоднородном по структуре и по
степени поврежденности материале статистически всегда вероятно появление
отдельных зон, объемов, наиболее опасных с точки зрения возможности развития в них процесса необратимого разрушения. Такое положение, объяснимое в
рамках статистической теории прочности [42], приводит к тому, что разрушение материала и потеря несущей способности конструкции из него оказывается связанным с развитием магистральной трещины, которая становится
«главным концентратором напряжений». Направление же магистральной трещины будет определяться предпочтительным ее продвижением с минимумом
затрат энергии, то есть по областям и зонам с наименьшим ресурсом сопротивления разрушению, каковыми, как раз, и окажутся максимально напряженные и
с наибольшим числом накопленных повреждений самые неоднородные по
структуре объемы материала.
Влияние фактора технологической и эксплуатационной дефектности
на формирование поля напряжений в композите. Проведенные аналитические рассмотрения влияния факторов структурной неоднородности на формиро86
Р
вание напряженного состояния конгломе-
ηmax
ратного строительного композита не учитывали возможность наличия в нем технологических и эксплуатационных дефек-
Р
тов в виде трещин различного масштабноlа
lb
го уровня и размера. Ясно, что изначальное присутствие в структуре композита
Р
дефекта в виде трещины может существенно изменить картину диссипации, локализации и концентрации напряжений.
Наиболее важным моментом для
аналитического учета влияния фактора
ηmax
Р
lа
lb
lаb
Обозначено:
lab – длина трещины;
lа - участок, на котором берега трещины не контактируют;
lb – участок, на котором между берегами действуют контактные силы по закону, представленному
эпюрой;
ηmax – критическое раскрытие трещины на границе участков.
Рисунок 28.- Модель трещины нормального разрыва с зоной предразрушения [39]
поврежденности структуры композита (в
связи с наличием или появлением в нем
трещин) является картина механики упругого и пластического деформирования
в области предразрушения у вершины
трещины (рисунок 28). Такая картина [39,
85] в конгломератной структуре композита будет формироваться по тем закономерностям диссипации энергии и роста
напряжений, которые, как раз, и отраже-
ны предложенными аналитическими соотношениями.
87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение эффективности строительных композитов может быть достигнуто за счет управления перераспределением силовых (энергетических) потоков
в теле композита при том же потенциале его внутренних структурных связей.
Распределение и диссипация энергии, связанные с параметрами концентрации и
локализации напряжений и деформаций в теле композита, могут изменяться посредством
регулирования
и
оптимизации
параметров
однородности-
неоднородности строения материала. В монографии рассмотрены основные теоретические предпосылки такого регулирования и управления.
Характеризуя научные результаты исследований, отметим их значение как
имеющих концептуально-методологическую ценность;
сближающих позиции «материаловедов-технологов» и «расчетчиковконструкторов» в их совместной работе;
открывающих новые или в новой постановке «страницы» в проблематике
механики свойств материалов в соотнесении со строительной механикой конструкций;
актуализирующих содержание материаловедческих разработок по проблемам управления сопротивлением разрушению конгломератных композитов,
предназначенных для работы в строительных конструкциях;
обеспечивающих, с учетом современных материаловедческих знаний,
более глубокую и более обоснованную постановку задач аналитических рассмотрений и математических описаний в проблемах синтеза и конструирования
структур строительных композитов;
развивающих и расширяющих информационную базу для «компьютерного материаловедения» и решения прикладных задач синтеза и конструирования структур строительных композитов.
88
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Чернышов Е.М. Управление процессами структурообразования и качеством
силикатных автоклавных материалов (вопросы методологии, структурное
материаловедение, инженерно-технологические задачи): Дис. …д-ра техн.
наук. Воронеж, 1988.
2. Крохин А.М. Автоклавный ячеистый бетон с повышенной прочностью при
растяжении: Дис. … канд. техн. наук, 1979.
3. Шинкевич Е.С. Оптимизация структуры ячеистого силикатного бетона по
комплексу критериев качества на основе изопараметрического анализа: Дис.
… канд. техн. наук, 1985.
4. Дьяченко Е.И. Структурные факторы управления вязкостью разрушения и
прочностью силикатных автоклавных материалов: Дис. …канд. техн.наук.
Воронеж, 1995.
5. Макеев А.И. Системная оценка неоднородности строения и условия управления сопротивлением разрушению строительных композитов: Дис. …канд.
техн. наук. Воронеж, 2000.
6. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. О конгруэнтности параметров конгломератной структуры материала и мембран в «конструкции» макропористых бетонов// Проблемы строительного материаловедения и новые технологии: Тез.
докл. Междунар. конф. Ч.1.- Белгород, 1995.-С. 137-145.
7. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. Условия эффективного использования потенциала прочности матричного материала в ячеистых бетонах// Ресурсо- и
энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций: Тез.докл. Междунар. Конф. Ч.3.- Белгород, 1995.- С. 94-96
8. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. Методология и алгоритм «конструирования»
силикатных автоклавных материалов с комплексом задаваемых свойств//
Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып.1.- М., 1996.- С.106-111.
9. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. Силовые взаимодействия в структуре строительных композитов – фундаментальная проблема их материаловедения и
89
технологии// Известия вузов. Строительство. №3. 1996.-С.43-48.
10. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И. Неоднородность строения как
фундаментальная материаловедческая характеристика строительных композитов// Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 2.- М., 1999.С.390-402.
11. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И. Учет критерия неоднородности строения в задачах оптимизации структуры строительных композитов//
Современные проблемы строительного материаловедения: Матер. Пятых академ. чтений РААСН.- Воронеж, 1999.- С.526-533.
12. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И.Неоднородность строения и закономерности формирования поля внутренних напряжений при силовом нагружении строительных композитов// Вестник отделения строительных наук
РААСН. Вып.3.- М., 2000.- С.183-193.
13. Чернышов Е.М., Славчева Г.С., Дьяченко Е.И. Нормирование размера зернистых включений в поризованных бетонах на основе моделирования и экспериментального исследования их структуры// Современные проблемы
строительного материаловедения: Материалы VI академических чтений РААСН. – Иваново, 2000.- С.585-595.
14. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Коротких Д.Н. Эффективность работы зернистых и волокнистых включений в структуре строительных композитов//
Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы Междунар. научнопракт.конф./ Ростовский государственный строительный университет - Ростов-на-Дону, 2000.- С.346-352.
15. Коротких Д.Н. многоуровневое дисперсное армирование структуры мелкозернистого бетона и повышение его трещиностойкости: Дис. … канд. техн.
наук, 2001.
16. Чернышов Е.М., Макеев А.И., Дьяченко Е.И. Исследования показателей сопротивления строительных композитов механическому разрушению в связи с
их структурной неоднородностью// Вестник отделения строительных наук
РААСН. Вып. 4.- М., 2001.- С.196-202.
90
17. Макеев А.И. Фундаментальная категория «однородность-неоднородность» в
структурном дизайне строительных композитов// Нелинейные процессы в
дизайне материалов/ Междунар. школа-семинар для молодых ученых, аспирантов и студентов: Тез. докл. - Воронеж, 2002.- С.34-37.
18. Чернышов Е.М., Макеев А.И. Синтез и конструирование структур бетонов
нового поколения с позиций управления однородностью - неоднородностью
их строения// Современное состояние и перспектива развития строительного
материаловедения: Восьмые академические чтения отделения строительных
наук РААСН/Изд-во Самарского госуд. Арх.-строит. ун-та.- Самара, 2004.С.561-565.
19. Чернышов Е.М., Макеев А.И. Общие положения интегрированного механофизико-химического подхода к процессу деформирования и разрушения
строительных композитов// Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова. Современные
технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии:
Матер Междунар. научно-практ. конф.- №9, 2005.- С.256-258.
20. Чернышов Е.М., Макеев А.И. Механизмы и закономерности формирования
локализованных напряжений в структуре конгломератных строительных
композитов и их влияние на прочность//Academia. Архитектура и строительство.- №2.- М. Редакционно-издательский отдел РААСН, 2006.- С. 50-53.
21. Чернышов Е.М., Макеев А.И. Разрушение конгломератных строительных
материалов: основные концепции, механизмы процессов, принципы и закономерности управления // Строительные материалы. - № 9, 2007. – С. 63-65.
22. Макеев А.И. Масштабные эффекты в работе конгломератных строительных
композитов// Вестник Гражданских инженеров.-№3(20), 2009.- С.139-143.
23. Чернышов Е.М. Управление сопротивлением конгломератных строительных композитов разрушению (основные концепции и вопросы теории)//
Вестник гражданских инженеров.-№3(20), 2009.- С.148-159.
24. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. – М.: Мир, 1973.
25. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. – М.: Мир, 1987. – 224 с.
91
26. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. – М.: Мир,
1979. – 280 с.
27. Болотин В.В., Гольденблат И.И., Смирнов А.Ф. Строительная механика.
Современное состояние и перспективы развития.-М.:Стройиздат, 1972.- 191 с.
28. Михайлов В.В. Элементы теории структуры бетонов. - М.: Стройиздат,
1941.
29. Юнг В.Н. Теория микробетона и ее развитие //Труды сессии ВНИТО о достижениях советской науки в области силикатов. - М.: Промстройиздат, 1949.
-C.50-53.
30. Шейкин А.Е. Прочность цементного камня. - Л.: Изд-во ЛИИТ, 1940.
31. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементного бетона. – Харьков: Изд-во ХГУ, 1965. – 135 с.
32. Гордон С.С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях. - М.: Стройиздат, 1969. - 151 с.
33. Иванов Ф.М. Исследование морозостойкости бетона //3ащита от коррозии
строительных конструкций и повышение долговечности. - М.: Стройиздат,
1969. -C.109-115.
34. Мельниченко П.А. Структурно-статистический подход к решению задачи
управляемого структурообразования композитов //Снижение материалоемкости и повышение долговечности строительных изделий. - Киев: Будивельник,
1974. -C.66-76.
35. Подвальный А.М. Определение величины собственных деформаций в бетонном конгломерате на различных структурных уровнях //Заводская лаборатория. - 1973. - №10. -C.1204-1206
36. Рыбьев И.А., Нехорошев А.В. Исходные методические позиции при исследовании искусственных строительных конгломератов //Строительные материалы. - 1980. - №2. -C.24-26.
37. Соломатов В.И. Элементы общей теории композиционных строительных
материалов //Изв.вузов. Строительство и архитектура. - 1980. -№8. -C.61-70.
92
38. Райхель В., Конрад Д. Бетон. Часть I. Свойства, проектирование, испытание. /Пер. с нем. - М.: Стройиздат, 1979. - 111с.
39. Зайцев Ю.В. Учет макро- и микроструктуры материала и его физической
нелинейности в задачах о развитии трещин в бетоне //Изв.вузов. Строительство и архитектура, 1975. - №11. -C.15-20.
40. Будештский Р.И. Элементы теории прочности зернистых композиционных
материалов. - Тбилиси: Мецниереба, 1972. - 82с.
41. Чернышов Е.М. Системный анализ структуры силикатных автоклавных материалов и его приложения к изучению свойств, определяющих стойкость
//Долговечность конструкций из автоклавных бетонов. - Таллин, 1981. - C.14-18.
42. Волков С.Д. Статистическая теория прочности. - М.: Машгиз, 1960. - 169 с.
43. Карпенко Н.И. Общие модели механики бетона. - М.: Стройиздат, 1996. 416 с.
44. Ахвердов И.Н., Смольский А.Е., Скочеляс В.В. Моделирование напряженного состояния бетона и железобетона. - Минск: Наука и техника, 1973. - 290 с.
45. Горчаков Г.И., Иванов И.А. О комплексной характеристике структуры бетона//Бетон и железобетон. - 1980. - № 1. - С. 22-23.
46. Комохов П.Г. Механико-технологические основы торможения процессов
разрушения бетонов ускоренного твердения//Автореф. дисс ... докт. техн. наук. - Ленинград, 1979. - 37 с.
47. Гегузин Я.Е. Диффузионная зона.- М.: Наука, 1979.- 344 с.
48. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979.- 744 с.
49.Черепанов Г.П. Механика разрушения композиционных материалов. - М.:
Наука, 1983. - 296 с.
50. Победря Б.Е. Механика композиционных материалов.- М.: Изд-во Моск. унта, 1984.- 336 с.
51. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и
напряжений: Справочник.- М.: Машиностроение, 1983.- 248 с.
52. Зайцев Ю.В., Леонович С.Н. Прочность и долговечность конструкционных
93
материалов с трещиной: Монография.- Минск: БНТУ, 2010.- 362 с.
53. Окопный Ю.А., Радин В.П., Чирков В.П. Механика материалов и конструкций: Учебник для вузов.- М.:Машиностроение, 2001.- 408 с.
54. Физика композитных материалов: в 2-х томах/Трофимов Н.Н, Канович М.З.,
Карташов Э.М. и др.- М: Мир, Т.1, 2005.- 456 с.
55. Физика композитных материалов: в 2-х томах/Трофимов Н.Н, Канович М.З.,
Карташов Э.М. и др.- М: Мир, Т.2, 2005.- 334 с.
56. Потапова Л.Б., Ярцев В.П. Механика материалов при сложном напряженном состоянии. Как прогнозируют предельные напряжения?.- М.: Машиностроение-1, 2005.-244 с.
57. Ван Флек Л. Теоретическое и прикладное материаловедение/Пер. с англ.М.: Атомиздат, 1975.- 472 с.
58. Бобрышев А.Н., Козомазов В.Н., Бабин Л.О., Соломатов В.И. Синергетика
композиционных материалов. - Липецк: НПО ОРИУС, 1994. – 152 с.
59. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. Пособие/под ред. В.С.Чередниченко.- 3-е изд.-М.: Изд-во «Омега-Л», 2007.- 752 с.
60. Выровой В.Н., Дорофеев В.С., Суханов В.Г. Композиционные строительные
материалы и конструкции. Структура, самоорганизация, свойства.- Одесса,
2010.-169 с.
61.Чернов А.Н., Кожевникова Л.П., Хмелев С.В. Структура, технология и
свойства бионизированных ограждающих элементов/Строительные материалы на основе местного сырья и вторичных продуктов: Сб. науч. трудов. – Челябинск: Уралниистромпроект, 1988. – С. 125–138.
62. Хархардин А.Н. Структурная топология: курс лекций.- Белгород: Изд-во
БГТУ, 2009.-Ч.1.- 196 с.
63. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. – М.: Металлургия, 1976.
– 272 с.
64. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. – М.: Металлургия, 1977.
– 280 с.
94
65. Богачев И.Н., Вайнштейн А.А., Волков С.Д. Статистическое металловедение. – М.: Металлургия, 1984. – 176 с.
66. Скоробогатов С.М. Катастрофы и живучесть железобетонных сооружений
(классификация и элементы теории).-Екатеринбург: УрГУПС, 2009.- 512 с.
67. Мейченко Н.М., Трещев А.А. Теория деформирования разносопротивляющихся материалов. Определяющие соотношения.- Тула: ТулГУ, 2000.- 149 с.
68. Ибрагимов И.М., Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф. Основы компьютерного моделирования наносистем: Учебное пособие.- СПб: Изд-во «Лань»,2010.- 384 с.
69. Баженов Ю.М., Воробьев В.А., Илюхин А.В. Основные подходы к компьютерному
материаловедению
строительных
композитных
материа-
лов//Строительные материалы.-№3.-2006.- С.71.
70. Аскадский А.А., Кондращенко В.И. Компьютерное материаловедение полимеров. Т.1. Атомно-молекулярный уровень.- М.: Научный мир, 1999. - 544 с.
71. Чернышов Е.М. Структурная неоднородность строительных композитов:
вопросы материаловедческого обобщения и развития теории (Часть 1)//
Вестник отделения строительных наук Российской академии архитектуры и
строительных наук. Вып. 14. Том 1: РААСН, Иван. гос. арх-строит.ун-т.- Москва-Иваново, 2010.- С. 196-211.
72. Чернышов Е.М. Структурная неоднородность строительных композитов:
вопросы материаловедческого обобщения и развития теории (Часть 2)//
Вестник отделения строительных наук: научное издание РААСН.- Вып. 15.Москва-Орел-Курск, 2011.- С.223-239.
73. Чернышов Е.М. Структурная неоднородность строительных композитов:
вопросы материаловедческого обобщения и развития теории (Часть 3)//
Вестник отделения строительных наук: научное издание РААСН.- Вып. 16.Москва, 2012.- С.170-190.
74. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное
пособие:Пер. с агл./ под ред. П.Г.Бабаевского.- М.: Химия, 1981.- 736 с.
75. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона.М.:Госстройиздат, 1962.- 96 с.
95
76. Селяев В.П. Развитие деградации в эпоксидных композиционных материалах под действием механических нагрузок и агрессивных сред/В.П.Селяев,
Т.А.Низина//Современные
проблемы
строительного
материаловеде-
ния:материалы академ. чтений РААСН.-Воронеж, 1999.- С.415-418.
77. Коротких Д.Н., Ушаков И.И., Ушаков С.И., Чернышов Е.М. Иерархия трещинообразования и многоуровневое дисперсное армирование структуры бетона//ВIСНИК Одеської державної академiї будiвництва та архiтектури. Вип.
№39. Ч.2., 2010- С.4-13.
78. Иванов И.А. Легкие бетоны на искусственных пористых заполнителях.М.:Стройиздат, 1993.–182с.
79. Макридин Н.И. Природа конструкционной прочности цементных бетонов /
Дисс. … докт. техн. наук. – Пенза, 1998. – 397 с.
80. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел.- М.:
Металлургия, 1971.–264 с.
81. Кукса Л.В., Сергеев А.В. Построение физико-механических моделей бетона
на основе разработки методов осреднения упругих свойств и исследования
масштабного эффекта на микро- и макроуровнях//Современное состояние и
перспективы развития строительного материаловедения: Восьмые академ.
чтения РААСН.- Самара, 2004.- С.297-300.
82. Ленг Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой
матрице//Композиционные материалы. Т.5. Разрушение и усталость.М.:Мир, 1978.- 486 с.
83. Армстронг Р.В. Прочностные свойства металлов со сверхмелким зерном//Сверхмелкое зерно в металлах: Сб.статей /Пер. с англ. В.В.Романеева
Ю А.А.Григорьяна.- М.:Металлургия, 1973.- С.11-40.
84. Щуров А.Ф. Дисперсная структура и прочность гидросиликатов кальция //
Гидросиликаты кальция и их применение: тез.докл.Всесоюзн. сем. - Каунас,
1980. -C.159-161.
85. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения.- М.:Стройиздат, 1982.- 196 с.
96
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие……………………………………………………………...
3
1. Общие исходные посылки……………………………………………….
5
2. О понятиях и трактовках, связанных с категорией структурная неоднородность материалов (о терминологии)………………………….
9
3. Систематизация научных данных по проблеме неоднородности
строения материалов и задачи развития теории……………………….
4. Обоснование
критериев
оценки
12
однородности-неоднородности
строения конгломератных строительных композитов………………...
22
5. Система критериев оценки неоднородности структуры……………....
34
6. О формировании напряженного состояния структурно-неоднородных конгломератных композитов в строительных конструкциях…..
36
7. Идентификация строения структурно-неоднородных конгломератных строительных композитов..………………………………………...
43
8. О формализации строения структурно-неоднородных композитов……
60
9. Факторное пространство при учете роли неоднородности структуры
строительных композитов в их сопротивлении разрушению …….......
64
10. Основные аналитические соотношения, учитывающие влияние однородности – неоднородности структуры на формирование напряженного состояния конгломератных строительных композитов
в
строительных конструкциях. …………………………………………...
71
Заключение…………………………………………………………………………..
88
Список использованных источников…………………………………...
89
97
Научное издание
Чернышов Евгений Михайлович, д-р техн. наук, проф.
Дьяченко Евгений Иванович, канд. техн. наук, доц.
Макеев Алексей Иванович, канд. техн. наук, доц.
НЕОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ
И СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕНИЮ
КОНГЛОМЕРАТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ
Монография
Под общей редакцией академика Е.М.Чернышова
Компьютерная верстка и дизайн: канд. техн. наук Потамошнева Н.Д.
Отпечатано в авторской редакции.
Подписано в печать.06.07.2012. Формат 70 х 100 1/8. Уч.-изд. 12,0.
Усл.-печ. л. 12,1. Бумага писчая. Тираж 500 экз. Заказ № 350.
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы
и учебно-методических пособий Воронежского ГАСУ
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
98
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
18
Размер файла
2 316 Кб
Теги
303, чернышова
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа