Учебники 80277

ответствующим накоплением дефектов в материале, то есть нарастанием неод-

нородности во времени, изменяет σоi , в результате чего имеем

поскольку формально вычисленное σоi в расчете на рабочее сечение в предпо-

ложении 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 на-

пряженного состояния материала при учете влияния фактора мегаструктуры материала, то есть фактора конгруэнтности его макроструктуры характеристи-

ческому размеру конструкции (масштабный фактор), потребуется учесть дейст-

вие рассмотренных «атрибутов», то есть «появляющихся» у категории неодно-

родность новых ее признаков, если (и когда) рассматривается система «матери-

ал – конструкция – среда».

Учет фактора конгруэнтности дает

так как величина σIVоi многократно возрастает при включении в действие кон-

центраторов 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). Выраже-

ние (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 расчет-

чиков 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 ма-

териала) работы, предопределяемой возможностями управления сопротивлени-

ем строительных композитов разрушению на основе оптимизируемых процедур конструирования их структур с учетом доминантного положения и системного расширенного толкования роли категории неоднородность строения в функ-

ционирующих системах «материал - конструкция – среда».

В этом смысле в составе задач для материаловедов-технологов выделим: 1) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твер-

дого 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 «наве-

денной неоднородности» (по терминологии академика В.В.Петрова) при работе композита в конструкции;

4) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твер-

дого тела в структуре конструкции, то есть материала, характеризуемого по па-

раметрам мегаструктуры и критериям ее конгруэнтности структуре конструк-

ции, по параметрам технологической и эксплуатационной дефектности и соот-

ветствующей неоднородности; 5) задачу аналитического учета показателей, критериев структурной неод-

нородности в явлениях, процессах и параметрах формирования напряженного состояния материала в строительной конструкции.

Разрешение этих задач является необходимой предпосылкой для обосно-

вания материаловедческих и технологических условий управления сопротивле-

нием 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 понимает-

ся как этап, предшествующий формализации структурно-неоднородных строи-

тельных композитов – формализации, необходимой для их физического моде-

лирования в целях соответствующих аналитических описаний напряженно-

деформированного состояния на основе постановки задач механики деформи-

руемого твердого тела для композитов этого рода. Такие постановки могут ка-

саться вопросов совместной работы системы «матрица – включение» из разно-

деформируемых компонент, локализации и концентрации напряжений в матри-

це от включений в нее твердых составляющих и пор, от трещин и т.д. и т.п.

Идентификация как этап формализации структуры должна отвечать усло-

вию адекватного отображения реального строения неоднородного композита в его моделях механики деформируемого твердого тела, в соответствующих ана-

литических описаниях закономерностей формирования напряженно-

деформированного состояния, знание которых рассматривается в качестве фун-

даментального основания для решения вопросов управления сопротивлением конгломератных строительных композитов разрушению через конструирование

иоптимизацию их структур, работающих в строительных конструкциях.

Вконтексте такого понимания места проблемы идентификации строения структурно-неоднородных конгломератных строительных композитов обосно-

ванной следует считать логику ниже представляемой схемы (рисунок 14). В ло-

гике данной схемы отражается важнейшее концептуальное положение и разви-

вающаяся тенденция сближения и интегрирования интересов и подходов спе-

циалистов по механике деформируемого твердого тела [27, 43, 51], механике материалов (композитов), механике конструкций [52-56], с одной стороны, ма-

териаловедов-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 структурно-

неоднородных 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, материало-

веды дают материаловедческую информацию для специалистов по строитель-

ной механике, механике деформируемого твердого тела, механике композитов,

разрабатывающих позиции 3, 4; затем материаловеды, опираясь на эти разра-

ботки, аналитически раскрывающие существо влияния характеристик и крите-

риев структурной неоднородности на свойства композитов, решают вопросы конструирования структур композитов (позиции 5,6), а далее технологи выби-

рают и реализуют рецептурнотехнологические решения по получению компо-

зитов и конструкций задаваемого качества (позиция 7, 8).

Методология идентификации структуры опирается на концепцию систем-

но-структурного подхода в строительном материаловедении [1], предусматри-

вающем комплексность постановки задачи идентификации, системность пред-

ставления строения композита, качественную и количественную характеристи-

44

ку структуры, выполнение требования адекватности ее отображения, достовер-

ности оценки [62-65].

В соответствии с этим идентификация структуры должна осуществляться с учетом следующих исходных посылок:

1) структурные элементы необходимо выделять по масштабным уров-

ням материала, располагаемым в определенной иерархической последователь-

ности, 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 воз-

можностей и условий управления качеством материала через регулирование параметров структуры на всех доступных технологическому влиянию мас-

штабных уровнях;

2) структурные элементы масштабных уровней следует вычленять на основе значимых признаков, которые, с одной стороны, связаны с особенностя-

ми 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 мате-

риала, так и для обоснования позиций по направлениям регулирования пара-

метров этого элемента с помощью технологических факторов управления структурообразованием;

3) структурные элементы должны рассматриваться во взаимной обу-

словленности. Это положение вытекает из того, что изменение параметров лю-

бого структурного элемента материала оказывает системное влияние на усло-

вия формирования в параметры других из них. Например, величина объема по-

рового пространства влияет на условия кристаллизации новой фазы и ее харак-

теристики; с другой стороны, изменение вследствие этого режима кристаллиза-

ции 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 ко-

личественных 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 од-

ной стороны, они являются его необходимыми конструктивными частями,

обеспечивающими получение требуемых, задаваемых свойств, а с другой, вы-

ступают как своеобразные «дефекты» структуры, способные ухудшать другие свойства. Например, введение в материал дополнительного объема пор повы-

шает термическое сопротивление материала, но одновременно вызывает сни-

жение его прочности.

Идентификация структуры конгломератного строительного компо-

зитов (на примере бетонов). Бетоны как строительные конгломератные мате-

риалы с полным основанием относятся к классу композитов. Общими призна-

ками структуры строительных конгломератов являются их многокомпонент-

ность, многофазность, полидисперсность, гетерогенность, полиструктурность,

детерминированность, стохастичность, дефектность, однородность - неодно-

родность. Строительные конгломератные композиты постулируются как одно-

родно-неоднородные системы с многоуровневой иерархически организованной

структурой, каждый масштабный уровень которой представляет собой двух-

компонентное образование из пространственно непрерывной матрицы и де-

терминированно-стохастически распределенных в ней дискретных твердофазо-

вых и газофазовых включений.

Объективной характеристикой двухкомпонентных образований «матрица-

включение» каждого масштабного уровня является граница раздела, имеющая

контактную поверхность и приграничный объем, то есть контактную зону, со свойствами, предопределяемыми механо – физико - химическим взаимодейст-

46

вием субстанции матрицы и субстанции включения.

В рамках решения задачи идентификации строения бетона как структурно-

неоднородного твердого тела предложена соответствующая систематизация со-

ставляющих 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 неодно-

родна. Поскольку речь идет о матрицах разномасштабного структурного уров-

ня, она (субстанция) оказывается различной по составу, плотности, пористости,

механическим свойствам и т.п. При формализации, физическом и математиче-

ском моделировании структурно-неоднородным матрицам «будут присваивать-

ся» признаки сплошной среды, основанием к чему может являться принятие и обеспечение условия квазиоднородности структуры матричной субстанции в межчастичных, межзерновых и межпоровых зазорах включений структуры бо-

лее 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 це-

ментирующего вещества, твердая фаза новообразований, субстанция единичного структурного элемента новообразования. И это будет соответствовать масштабно-

му порядку от макроструктурного до наноструктурного уровня.

Идентификация включения должна касаться их субстанции и соответст-

венно свойств, а также размера и формы. Очевидно, что соответственно струк-

турному масштабу включения будут различаться по виду и своим характери-

стикам. В этом отношении, прежде всего, следует говорить о твердофазовых и газофазовых включениях (порах). В принципе к включениям следует отно-

сить разновидности армирующих элементов дисперсного типа; к включениям должны относиться и несовершенства (дефекты) структуры, трещины.

47

Таблица 1 - Многоуровневая организация структуры конгломератных строительных компо-

зитов (иерархия структуры) на примере плотных, макро- и микропористых бето-

нов [1]

48

49

50