Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительства. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
4)Управление свойствами материала осуществляется через управление формированием структуры (процессов структурообразования), которое предполагает предварительное «конструирование» структуры;
5)Управление формированием структуры должно отвечать критериям максимальной энергоэкономичности технологических переделов с учетом максимально эффективной работы материала в конструкции по критериям ее надежности и долговечности.
Системно-структурный подход, обеспечивая концептуальную составляющую раскрытия вопросов управления сопротивлением разрушению, позволяет найти эффективные решения только в совокупности с рассмотрением процессов деформирования и разрушения композитов как механо-физико-химических. Такое рассмотрение осуществляется в рамках предлагаемого нами интегративного механо-физико-химического подхода [2], включающего следующие основные положения:
1. Изготовленный материал до своей эксплуатации обладает начальным запасом внутренней энергии, регламентированной удельным количеством и интенсивностью силовых структурных связей.
2. При работе материала в системе «материал – эксплуатационная среда» происходит непрерывный обмен веществом и энергией, следствием чего является накопление в материале внутренней (потенциальной) энергии.
3.В ходе энергетического обмена материал проявляет себя как диссипативная система, трансформирующая потоки внешней энергии в энергию структурных изменений.
4.В соответствие с законами неравновесной термодинамики, направленность структурных изменений регламентируется стремлением системы к уменьшению накапливаемой внутренней (потенциальной) энергии путем различных механизмов ее диссипации, чтобы эффект этого уменьшения был максимальным.
5.Условия диссипации энергии внешнего нагружения в структуре конгломератного композита регламентируются параметрами и мерой его однородности/неоднородности.
Разрушение конгломератных строительных композитов – потеря целостности
структуры как крайняя реакция на силовую нагрузку, выражающаяся в развитии хрупких трещин под действием растягивающих напряжений без заметной пластической деформации, С позиций интегративного механо-физико-химического подхода, это разрушение представляет собой кинетический процесс, проходящий последовательно ряд стадий, представленных на рис. 2.
На основе объединения этих методологических подходов родилась концепция управления сопротивлением материалов разрушению в задачах конструирования и синтеза их структур (рис.3). Согласно данной концепции, уровень сопротивления материала разрушению определяется условиями вовлечения структурных связей в работу сопротивления разрушению. Эти условия должны оптимальными (обеспечивать вовлечение как можно большего числа связей) и формируются в результате направленного структурообразования, регулируемого параметрами и режимами технологии. Практические, заводские режимы и параметры назначаются, исходя из теоретических принципов конструирования и синтеза оптимальных структур.
Основанием для формулирования принципов синтеза и конструирования в развиваемой теории служат три концепта, предложенные Е.М. Чернышовым.
Первый концепт - управление количеством и качеством связей между структурными элементами твердой фазы. Смысл и содержание этого концепта состоят в том очевидном факте, что чем большее количество физических и физико–химических связей будет создано, синтезировано в единице объема материала, и чем более прочнее будут они при этом, тем большее сопротивление внешней нагрузке окажет материал в процессе своей работы.
31
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
I. КОНЦЕНТРАЦИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ - ФОРМИРОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОГО ПОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В МАТЕРИАЛЕ ПРИ ЕГО НАГРУЖЕНИИ
II. ТЕРМОФЛУКТУАЦИОННЫЙ РАЗРЫВ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНЫХ СВЯЗЕЙ В ПЕРЕНАПРЯЖЕННЫХ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ЗОНАХ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА (ПО ЖУРКОВУ)
III. КОНСОЛИДАЦИЯ ТЕРМОФЛУКТУАЦИОННЫХ РАЗРЫВОВ СВЯЗЕЙ – ДВИЖЕНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ, ВОЗНИКНОВЕНИЕ МИКРОТРЕЩИНЫ В СТРУКТУРЕ МАТЕРИАЛА
IV. РОСТ МИКРОТРЕЩИНЫ В МАТЕРИАЛЕ (ПО ГРИФФИТСУ)
V. НАКОПЛЕНИЕ МИКРОТРЕЩИН В ЗОНАХ КОНЦЕНТРАЦИИ И ЛОКАЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В МАТЕРИАЛЕ, ИХ «ПЕРЕХОД» С НАНО- И МИКРОМАСШТАБНЫХ УРОВНЕЙ НА МЕЗО- И МАКРОМАСШТАБНЫЕ УРОВНИ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА
VI. РАЗВИТИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРЕЩИН, УТРАТА МАТЕРИАЛОМ РАБОТОСПОСОБНОСТИ - РАЗРУШЕНИЕ
Рис. 2. Этапы разрушение материалов с позиций интегративного механо-физико-химического подхода
Однако в реальности «загрузка» структурных связей материала происходит неравномерно, далеко не все из созданных связей принимают «активное» участие в работе сопротивления разрушению, что связано с явлениями концентрации и локализации внутренних напряжений в неоднородной структуре материала, из-за которых одни связи оказываются перегруженными сверх своей прочности, а другие - напротив, оказываются «выключенными» из работы материала.
Такие эффекты учитываются во втором концепте - управление формированием поля напряжений через однородность состава и структуры. С этих позиций возможности повышения сопротивления материала разрушению базируются на предположении, что чем более однородна его структура, то есть пространственная система физических и физикохимических связей, тем более равномерным будет поле напряжений и распределение нагрузки по связям, тем большее количество связей будет вовлечено в работу сопротивления внешней нагрузке.
32
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
Уровень сопротивления разрушению
Закономерности и механизмы процессов |
разрушения |
|
|
Оптимальные условия вовлечения |
|
|
|
связей в работу сопротивления |
|
|
|
разрушению |
направленногоУсловия |
структурообразования |
|
Условия и режимы технологии |
|||
|
|
||
Принципы |
|
|
|
конструирования и |
|
|
|
синтеза оптимальных |
|
|
|
структур |
|
|
|
Концепты управления |
|
|
|
сопротивлением разрушению |
|
|
|
|
|
|
|
|
Управление |
|
Управление |
Управление |
|
формированием |
|
|
|
|
развитием и |
||
связями между |
|
поля напряжений |
|
|
|
|
распростране- |
||
структурными |
|
через однородность |
|
|
|
|
нием трещин |
||
элементами |
|
состава и |
|
|
|
|
посредством их |
||
твердой фазы |
|
структуры |
|
|
|
|
торможения |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Моделирование |
Моделирование |
Моделирование |
системы |
поля внутренних |
силового баланса |
структурных |
напряжений |
по фронту |
связей |
|
трещины |
Формализация структуры материала и процессов его разрушения
Идентификация структуры материала и процессов его разрушения
Закономерности и механизмы процессов |
структурообразования |
Рис. 3. Управление сопротивлением строительных композитов разрушению в задачах конструирования и синтеза их оптимальных структур
Третий концепт соотносится с тем, что в реальных материалах при современных технологических режимах их получения неизбежно формируются дефекты в виде микротрещин, развитие которых главным образом и регламентирует скорость разрушения и прочность материала. Управление развитием и распространением трещин посредством их торможения подразумевает использование действия структурных элементов материала как фактора изменения энергетического баланса в зоне фронта развивающихся трещин в сторону увеличения «энергоемкости» этого процесса.
Реализация каждого из фундаментальных концептов в прикладных принципах опирается на основе моделирования структур материалов и процессов, развивающихся в них при нагружении. Первый концепт опирается на моделирование структуры строительных материалов как системы силовых физико-химических связей; второй – на моделирование поля внутренних деформаций и напряжений, формирующегося в объеме материала в
33
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
зависимости от меры неоднородности его структуры; третий – на моделирование силового баланса по фронту развивающейся хрупкой трещины. Модели выявляют взаимосвязь структурных параметров материала и параметров процессов его деформирования и разрушения.
Такие модели выражаются в виде аналитических соотношений между рассматриваемыми структурными характеристиками и параметрами процессов деформирования и разрушения. Следовательно, для построения моделей необходима формализация как структуры по ее количественным характеристикам, так и процессов деформирования и разрушения по их количественным параметрам.
Формализация базируется на идентификации структуры и процессов, их распознании для перехода от конкретных материальных объектов и явлений к их абстрактному, мыслительному восприятию.
Таким образом, в основе решения задач эффективного управления сопротивлением строительных материалов разрушению лежат последовательные этапы идентификации, формализации и моделирования структур материалов и происходящих в них в процессе работы изменений.
Структуру конгломератных строительных композитов можно идентифицировать как
многоуровневую иерархически организованную систему, каждый масштабный уровень которой представляет собой двухкомпонентное образование из пространственно непрерывной матрицы и детерминированно-стохастически распределенных в ней дискретных включений [3].
И если задачи идентификации более или менее решены, то с формализацией как структуры, так и процессов разрушения конгломератных строительных композитов – проблемы. И это понятно, поскольку эти материалы отличаются многофазностью, многокомпонентностью, гетерогенностью, полиструктурностью, полидисперсностью, дефектностью, стохастичностью; одним словом – неоднородностью.
Проблеме неоднородности уделяли внимание практически все крупные специалисты
иисследователи конструкционных материалов, главным образом, в связи с механизмами проявления их прочностных и деформативных свойств. Практически в каждой серьезной монографии или учебнике по материалам или по механике материалов (особенно механике горных пород), неоднородность упоминается как важнейшая характеристика, обуславливающая следующие эффекты, особенности:
1)неоднородность является причиной анизотропии прочностных свойств природных
иискусственных конгломератов (изотропного, по сути, строения) относительно сжимающих
ирастягивающих нагрузок;
2)неоднородность структуры обуславливает разброс, дисперсию, изменчивость механических характеристик материала. Именно это положение стало основой статистических теорий прочности и связанных с ними вероятностно-статистических методов расчета строительных конструкций. В практике расчета строительных конструкций из этих материалов методом предельных состояний Н.С. Стрелецкого (за рубежом – метода дифференцированных коэффициентов запаса) степень неоднородности учитывается при назначении величины коэффициента запаса по материалу;
3)с неоднородностью связываются масштабные эффекты в работе конгломератных строительных композитов под действием масштабного (размерного) фактора;
4)неоднородность строения материалов является причиной концентрации напряжений в их структуре под действием внешней нагрузки и внутренних усилий. В свою очередь, это приводит к тому, что реальная, техническая прочность конгломератных строительных композитов оказывается на 3 – 4 порядка ниже их теоретической прочности.
Однако, несмотря на то, что категории «неоднородность» придается столь важное значение, до сих пор научные знания о ней в области материаловедения носят фрагментарный характер, нет системного анализа этой категории, за исключением, пожалуй, работы Р.И. Будештского [4], которая, к сожалению, не получила своего развития.
34
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
Поэтому в науке и практике строительного материаловедения до сих пор не выработано четкого определения категории «неоднородность», под которой подразумеваются и гетерогенность, и дефектность, и изменчивость свойств, и неравномерность распределения структурных компонентов в объеме материала.
Как следствие, нет единого подхода к измерению неоднородности, количественной оценке ее меры. На практике наиболее распространенной оценкой неоднородности материала служит изменчивость какого-либо его важного, соответствующего предназначению, свойства, определяемая путем статистической обработки результатов испытаний по величине дисперсии (стандартного отклонения). В технологии бетона мерой неоднородности принято считать коэффициент вариации (изменчивость) его прочности, который используется в стандартных методиках определения класса бетона по прочности и является нормируемой величиной. Однако изменчивость свойств материала по величине дисперсии и коэффициента вариации не отражает его структуру и потому не может быть использована для решения вопросов управления сопротивлением разрушению.
Наряду с изменчивостью свойств во многих работах неоднородность материала оценивается по статистической изменчивости распределения структурных компонентов по своим размерам, свойствам, объему композита или по всем этим факторам. Однако такой подход, наряду со всей своей значимостью для оценки эффективности структурных и технологических факторов управления сопротивлением композитов разрушению, далеко не в полной мере учитывает и отражает всю совокупность проявлений неоднородности в реализации свойств материала.
Комплексное, системное рассмотрение проблемы неоднородности строительных композитов показало [3], что неоднородность строения является фундаментальной материаловедческой характеристикой конгломератных строительных композитов. При этом термин «неоднородность» далеко не полностью отражает особенности строения этих материалов, которым наряду с неупорядоченностью, разнообразностью, вариативностью присущи также определенные единообразность, упорядоченность, регулярность – признаки однородности. Поэтому Е.М. Чернышовым было предложено использовать термин «однородность/неоднородность».
Как фундаментальные категории, «однородность» и «неоднородность» являются объектом исследования такой междисциплинарной науки, как гомогетерогеника Н.М. Солодухо [5], касающаяся самого широкого спектра наук: физики, космологии, космогонии, геологии, биологии, географии, социологии и языкознания; и рассматривающая онтологическую, гносеологическую и методологическую роли однородности/неоднородности в диалектических аспектах развития мира.
Основные положения гомогетерогеники, имеющие непосредственное отношение к проблеме неоднородности материальных (физических) систем:
1)между однородностью и сохранением системы существует корреляция, внутренняя однородность есть фактор временной стабильности системы, а также ее постепенной стагнации;
2)между неоднородностью и изменением (самоорганизацией) существует корреляция, неоднородность – источник неравновесных состояний и процессов;
3)распределенная неоднородность является основой спонтанных процессов в системе, выступает условием диссипативных процессов, вместе с дифференцированностью определяет динамическую структуру системы, служит основой разнообразия и иерархии компонентов системы;
4)локализованные неоднородности выступают в системе центрами концентрации вещества, энергии и информации и служат зародышем или областью перехода системы в новое качество, который начинается с малой неоднородности – флуктуации;
5)в открытой системе негэнтропийный процесс ведет к возрастанию неоднородности
еесостава и/или связей компонентов;
35