Учебники 80277

Министерство образования и науки Российской Федерации

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 разру- Ч-497 шению конгломератных строительных композитов: вопросы материаловедческого обобщения и развития теории: моногра-

фия/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 однородно- сти-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

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 три-

дцать лет [1-23]. Накопленное в результате выполненных исследований знание определило актуальность разработки теоретических вопросов, связанных с рас-

смотрением возможностей и условий аналитического учета механизмов и зако-

номерностей проявления общего для конгломератных строительных материа-

лов признака «структурной неоднородности» в формировании их конструкци-

онных свойств. Необходимость и целесообразность этого понимается нами в контексте современных направлений и концепций развития теории синтеза и конструирования структур с оптимальным по критериям сопротивления разру-

шению качеством в соотнесении его (качества) с задачами повышения эффек-

тивности функционирования строительных конструкций.

Представляемая монография по своей цели и содержанию рассматривается с позиций как определенного обобщения по этой материаловедческой пробле-

ме, так и необходимого дополнительного ее развития, в котором нами выделя-

ются следующие логически взаимосвязанные разделы (этапы):

1) современная постановка проблемы «структурная неоднородность строе-

ния» как фундаментальной материаловедческой категории, как доминантного признака структурированных систем (конструкционных материалов);

2) рассмотрение, уточнение и формирование понятийного аппарата, свя-

занного с проблемой структурной неоднородности строения; 3) систематизация научных данных, накопленных по проблеме в предше-

ствующие периоды развития материаловедения, в том числе строительного ма-

териаловедения; констатация однозначно установленных фактов и актуализа-

ция развивающих и по-новому раскрывающих проблему исследований;

4) обоснование «ядра», центра проблемы аналитического учета структур-

ной неоднородности с точки зрения ее проявления в формировании и реализа-

3

ции показателей сопротивления материалов разрушению; 5) идентификация структур строительных композитов (в первую очередь

конгломератных) в контексте углубленной трактовки категории неоднородно-

сти их строения; 6) формализация и моделирование структур строительных композитов,

обладающих присущими им признаками однородности и признаками неодно-

родности; 7) обоснование факторного пространства для качественного аналитическо-

го учета значения и роли категории «неоднородность строения» в формирова-

нии 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 зада-

чах 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 зна-

ния в системно-структурном материаловедении строительных композитов, со-

ставить необходимую информационную базу для научно-обоснованного реше-

ния прикладных материаловедческих и технологических задач управления ка-

чеством строительных материалов по показателям их сопротивления разруше-

нию.

Академик Чернышов Е.М.

4

1. ОБЩИЕ ИСХОДНЫЕ ПОСЫЛКИ

Структурная неоднородность строительных композитов является общим объективно-субъективным их признаком и должна квалифицироваться в каче-

стве фундаментальной категории [10] материаловедения и технологии, расчета

ипроектирования композитов и конструкций.

Вматериаловедении, как науке о свойствах композитов, эта категория за-

нимает центральное положение при раскрытии закономерных связей в системе

«состав – структура – состояние - свойства», что предопределяется приоритет-

ным значением признаков неоднородности при реализации функций компози-

тов, при управлении их качеством материалов в задачах синтеза и конструиро-

вания оптимальных структур.

В технологии, как науке о принципах и способах управления процессами структурообразования материалов, эта категория в ее соответствующих харак-

теристиках состава, структуры, состояния оказывается мерилом, критерием оп-

тимальности рецептурно-технологических решений при получении композитов требуемого и задаваемого качества.

В механике композиционных материалов, каковыми являются и строи-

тельные материалы, структурная неоднородность принимается как их общий признак, требующий соответствующего учета при идентификации материалов как деформируемых твердых тел, при математическом моделировании опреде-

ляющих для них соотношений. Это делается в рамках процедур введения так называемых эффективных (эквивалентных) характеристик материала, наделяе-

мого признаками сплошной среды, континуума, то есть в рамках принципа «ос-

реднения структурированной среды материала».

В теории расчета строительных конструкций структурная неоднородность материала, будучи учтенной введением осредненных эффективных (эквива-

лентных) его характеристик для соответствующей принятой модели сплошной среды, оказывается, наряду с другими, одной из причин необходимости веро-

ятностного подхода при формализации и математическом моделировании на-

5

пряженно-деформированного состояния, статистической идентификации и ин-

терпретации технических свойств материала.

Таким образом, структурная неоднородность оказывается центральной ка-

тегорией материаловедения, технологии, механики композитов, теории и прак-

тики расчета строительных конструкций. И это является фактором, объеди-

няющим интересы специалистов по механике материалов и теории расчета строительных конструкций, с одной стороны, по материаловедению и техноло-

гии композитов, с другой.

Вместе с этим, при общности интересов есть и их различие: для расчетчи-

ков-конструкторов материал выступает «объектом и предметом потребления»,

а для материаловедов-технологов – «объектом и предметом системно-

структурного управления его свойствами». Расчетчикам-конструкторам в этом

«потреблении» материала как неоднородной системы требуется «приспосо-

бить» его к расчетному аппарату проектирования конструкций, для чего и осу-

ществляется осреднение характеристик его субстанционального состояния,

структуры и функций, а соответственно и представление материала в виде во-

ображаемой 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 дос-

тижения требуемого, любого задаваемого (разумеется, в пределах современных возможностей) необходимого уровня свойств. И в этом определяющее место,

как раз, занимает проблема неоднородности строения материала. Именно по-

этому важным является понимание ее проявления, значения и существа влия-

ния, что и предопределяет цели и основное содержание исследований по теоре-

тическому, 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 неоднородно-

сти 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 сис-

тем, как следствия принудительной их реорганизации в результате внешних воздействий [24-26].

Таким образом, неоднородность строения материалов должна восприни-

маться как динамическая характеристика с вероятным изменением во времени соотношения меры порядка и беспорядка в материальной системе.

Неоднородность как материаловедческая категория должна рассматри-

ваться в системе «материал - конструкция - среда» И в этом отношении, анали-

зируя и характеризуя динамику неоднородности по ее критериям и показате-

лям, необходимо иметь в виду возможность существования а) замкнутой сис-

темы «материал-конструкция-среда», когда гипотетически исключается обмен материала веществом и энергией со средой, б) закрытой системы, в которой ма-

териал имеет обмен энергией, но не имеет обмена веществом со средой, нако-

нец, в) открытой системы, в которой материал обменивается со средой и веще-

ством и энергией. Отсюда, неоднородность строения материала должна анали-

зироваться в понятиях термодинамики и синергетики, в связи с чем уместным оказывается рассмотрение однородности - неоднородности в параметрах само-

организации и принудительной реорганизации, стремления к равновесию, к

достижению метастабильности вещественного, размерно-геометрического,

энергетического состояния, или, напротив, движения к состоянию динамиче-

ского хаоса через этапы бифуркаций.

Во всех термодинамических и синергетических вариантах системы «мате-

риал-конструкция-среда» (замкнутая, закрытая, открытая) необходимо иметь в виду конкуренцию процессов созидания материала, когда преобладают конст-

руктивные, улучшающие его качество процессы, и явлений противоположных,

деструктивных, когда имеют место процессы «расходования и исчерпания» ка-

чества и функциональных возможностей материала. Последнее, как ни странно,

может быть следствием не только разрушающего действия агрессивных факто-

7

ров среды, но и следствием процессов созидания структуры, когда таковое со-

зидание начинает превращаться в свою противоположность и когда самоорга-

низация структуры увеличивает ее дефектность и меру неоднородности (к при-

меру, это может выражаться в зонировании, кластеризации структуры при кри-

сталлизации и нарастании негативного действия кристаллизационного давле-

ния). Показатели структурной неоднородности материала имеют вследствие всего указанного дрейф во времени и представляют, по-существу, функции во времени.

Интегральная характеристика неоднородности оказывается и, как отмеча-

лось, является величиной переменной. Такая переменность во времени субъек-

тивно связана с начальным состоянием структуры материала: чем неорганизо-

ваннее (термодинамически неустойчивее) будет принимаемая начальная струк-

тура материала, вступающего в реальную работу в конструкции, тем по причи-

не этого выше будет относительная интенсивность последствий воздействия среды на материал в конструкции и тем более изменяемой окажется неодно-

родность его структуры. Следствием изменения во времени неоднородности структуры материала в системе «материал-конструкция-среда» будет формиро-

вание 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 бу-

дет иметь определяющее для работы конструкций значение.

Отметим, что все эти общие посылки могут обрести полезность, если най-

дут приложение при качественной и количественной оценке показателей и кри-

териев, 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 относя-

щееся к одному и тому же роду, к тому же разряду. Но однородность как кате-

гориальное понятие, связываемое со строением тел, представляет собой лишь часть понятия неоднородность, поскольку структурно однородных тел в приро-

де 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 муд-

рость, «все содержит в себе свою противоположность», и неоднородность не-

пременно в системном единстве и одновременно противоречивости сочетается с однородностью. Поэтому, по-видимому, строение материала следует считать и принимать неоднородно – однородным (или однородно – неоднородным). И ис-

ходя 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 квалифици-

роваться, как своего рода, структурная гармония в материале, то есть соответ-

ствующая оптимизированная согласованность по признакам, критериям, изме-

рителям 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 опреде-

ление, 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 не-

однородность - однородность, но несомненно связаны с ней. Эти лексики, взя-

тые в форме прилагательных, обозначают и отражают качественную сторону объекта, и именно в смысловом, содержательном раскрытии категории одно-

родность – неоднородность строения как комплексного, интегрального поня-

тия.

Действительно, однородность в неоднородном материале в целом выража-

ется понятиями порядок, целостность, согласованность, организованность, пла-

номерность, детерминированность, закономерность, системность, сплошность,

непрерывность, бездефектность, композиционность, совершенство, гармония. С

другой стороны, неоднородность строения характеризуется соответствующими

10