Учебники 80277

креплена научными данными о закономерностях и возможностях влияния на сопротивление материала разрушению, заложенных в видоизменении и опти-

мизации 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 концен-

трации и локализации напряжений с системой критериев однородности - неод-

нородности структуры получаемого материала.

21

ным моментом в содержании категории «неоднородность строения» компози-

ционных 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 разнород-

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

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 дру-

гим показателям деформаций механических, влажностных или температур-

ных, коэффициентов тепло- и массопереноса и т. п., что важно для анализа ра-

ненность взаимовлияния во внутренние объемы компонентов (фаз) ослабевает,

24

а состав, структура, состояние и свойства компонентов (фаз) обнаруживают ис-

ходные, «доконтактные» значения.

Проходящие при взаимодействии компонентов (фаз) превращения форми-

руют «диффузную» по своей природе контактную зону или слой [47]. Его тол-

щина ts и размещение преимущественно в одном (рис. 5, б, в) или и в другом

(рис. 5, г) компонентах (фазах) связаны с их индивидуальным термодинамиче-

ским состоянием, с метастабильностью, неравновесностью химического, мине-

ралогического и морфологического составов исходных компонентов (фаз), чем и определяется степень участия каждого (каждой) из них в механическом, фи-

зическом, физико-химическом взаимодействии.

Как субстанционально-геометрическая характеристика, скачок на межком-

понентной (межфазовой) границе раздела может быть, таким образом, относи-

тельно протяженным и плавно проявляющимся, или, напротив, импульсным,

резко проявляющимся (рис. 5, а). Исходя из этого, скачок необходимо характе-

ризовать величинами

ваемых исходных компонентов или фаз.

Критериальные оценки (5-7) переменны во времени, и это соответствует сущности неоднородности как динамической характеристики строения и со-

стояния материала.

Наряду с введенными оценками градиента, коэффициента, индикатора разнородности (2-4) фронтальная протяженность, импульсность и диффузность скачка (5-7) являются, таким образом, самостоятельными важнейшими показа-

телями оценки неоднородности строения материалов. И, безусловно, обосно-

ванным следует считать анализ их влияния на свойства материалов. Наиболее очевидным представляется это в отношении сопротивления материалов меха-

25

ническому разрушению, прямо зависящего от особенностей концентрации и локализации напряжений на границе раздела, которая при постоянстве исход-

ных значений S, Ks и Is может меняться во времени и становиться существен-

но различной по фронтальной протяженности ts, импульсности gs и диффузности Gs.

Характеризуя особенности скачка, стоит специально остановиться на си-

туации, когда структура материала складывается, формируется из элементов

(частиц) одного по составу и свойствам рода. При объединении однородных элементов в гипотетическую систему без

ражающая ее как производную скачка субстанциональных характеристик на

26

границе раздела компонентов (фаз), должна применяться в совокупности с кри-

терием удельной площади межкомпонентной (межфазовой) поверхности гра-

ницы 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:

27

Показатель V(ts) учитывает взаимовлияние структурных компонентов, от-

ражает изменение первоначальной (при = 0) структуры к моменту времени i.

Этим критерием учитывается динамический (в технологических и в эксплуата-

ционных процессах) характер формирования неоднородности строения строи-

тельных 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 рассмотре-

ние признака (критерия) структурной конгруэнтности, то есть размерной, мас-

штабной соответственности. При этом следует говорить не об одном, а о не-

скольких относительно самостоятельных его (признака) реализациях и, соот-

ветственно, о нескольких его следствиях и эффектах в работе композита. В их числе, во-первых, это фактор соотношения размера, масштаба изделия из ком-

позита и максимального размера структурного элемента материала, а во-

вторых, - фактор размерной соответственности (соразмерности) структурных элементов смежных масштабных уровней в многоуровневой структуре компо-

зита. В такой постановке фактор размера (объема) тела, связываемый с положе-

ниями статистической теории прочности и принципом слабого звена, дополня-

ется 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 мас-

штабного соотношения (соответствия) характеристического размера конструк-

ции и структурного компонента материала. Попутно отметим, что по Н.И. Кар-

пенко [43] и др., этот фактор имеет отношение к вопросу допустимости стати-

28

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 струк-

турно-неоднородных материалов методов механики сплошной среды.

Прикладные вопросы масштабной совместимости в работе бетонов с пози-

ций квазиоднородности исследовались И.Н. Ахвердовым, Ю.М. Баженовым,

О.Я. Бергом, В.В. Болотиным, Р.И. Будештским, А.А. Гвоздевым, С.С. Гордо-

ном, 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. Морозо-

вым, Л.С. Морозом, В.П.Селяевым, М.М. Холмянским, В.И. Шевченко и дру-

гими и нашли, как уже указывалось, практическую реализацию в виде требова-

ний к допускаемой наибольшей крупности заполнителей в соответствии с раз-

мерами рабочих сечений бетонных и железобетонных изделий и «густотой» их армирования, а также при нормировании размера контрольных образцов бето-

нов для механических испытаний в зависимости от крупности заполнителя. Та-

кие требования и нормирование включают в себя, с одной стороны, назначение минимально допустимого размера образца, обеспечивающего выполнение ус-

ловия квазиоднородности в нем структуры бетона с данной крупностью запол-

нителя; с другой стороны, при оценке прочности материала вводятся поправоч-

ные 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 многоуров-

невый по структуре конгломератный материал и, как своего рода, иерархически организованную «конструкцию» с ее разномасштабными структурными харак-

теристическими размерами, то следует полагать, что фактор конгруэнтности фактически реализуется на каждом масштабном уровне структуры, и для опти-

мизации структуры по критериям сопротивления разрушению учет его необхо-

29

дим на каждом из уровней. В этом случае роль «размерного мерила» квазиод-

нородности структуры может выполнять специально вводимый показатель

(критерий) структурной соразмерности (конгруэнтности) Nki структурных эле-

ментов i-того масштабного уровня структуры композита характеристическому размеру Lxi для этого уровня:

где Dвi - размер включения i-того масштабного уровня композита.

Если на макроструктурном (мегаструктурном) уровне за характеристиче-

ский принимается наименьший габаритный размер изделия, то на мезо-,

микро-, субмикроуровнях структуры – толщина слоя матрицы δм(i-1) (расстояние между соседними твердоили газофазовыми включениями) более крупного масштабного уровня структуры. Таким образом, в общем случае речь может

Существует ограничение на значения критериев (11, 12), заключающееся в условии Lx/Dв > 1; Lx/dм > 1. В случае, когда это условие не выполняется, в «по-

ле зрения» оказывается не композит, а субстанция одного из его компонентов.

Вопрос об учете конгруэнтности при конструировании структур потребу-

ет 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 самостоя-

тельную систему «матрица – включение» и может квалифицироваться как, сво-

его рода, «тело», «изделие». Последовательно на мезо-, микро-, субмикроуров-

нях структуры композита в качестве характеристического размера потребуется иметь в виду расстояние между соседними включениями (частицами, порами)

соответствующего структурного уровня, а для оценки неоднородности строе-

ния как иерархически обусловленной категории потребуется вводить показате-

ли конгруэнтности на каждом из этих уровней (рисунок 8). Принципиально

30