Учебники 80277

Продолжение таблицы 1.

51

Таблица 2 – Двухкомпонентные системы по масштабным уровням структуры композита «как такового»

1

Особо необходимо остановиться на включениях типа кластеров [58-60].

Дело в том, что всегда существует и действует фактор кластеризации структу-

ры, 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 состав-

ных частей в некое образование, дифференцирующее объем, пространство этой системы на более крупные составные части. Следствием кластеризации являет-

ся изменение характеристик однородности – неоднородности структуры сис-

темы, выражающееся в появлении новых поверхностей, границ раздела. Реали-

зация процессов образования кластерных единиц происходит при формирова-

нии ансамблей в ходе конденсации, агрегации, флокулирования, глобулизации,

кристаллизации и т.п. Кластеризация структуры термодинамически и синерге-

тически объяснима. Такой процесс является отражением стремления структу-

рируемой системы материала обрести минимально возможный запас внутрен-

ней избыточной энергии. И осуществляется это посредством конденсации, аг-

регирования, 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 ма-

териала соответствующего масштабного уровня (рисунок 15) с новыми по от-

ношению к существующим границами раздела (рисунок 16). Эти новые грани-

цы 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 пло-

щади поверхности структурных границ раздела. Действительно, более «слабая поверхность раздела» кластеризованной структуры как бы выключает (в опре-

деленной мере) из работы внутрикластерные границы раздела. В результате может иметь место двойной эффект понижения потенциала сопротивления ма-

териала разрушению. Первый из них объясняется уменьшением задействован-

ности границ раздела в диссипации энергии и тем самым в повышении относи-

53

тельного уровня силового воздействия на «кластерной» границе раздела, а

второй – относительным уменьшением числа и силы (прочности), связей обра-

зующихся 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 разруше-

ния структуры без кластеров:

Такое понижение, по-видимому, может быть выражено соответствующим ко-

эффициентом

класт loc. max

который будет отражать влияние кластеризации структуры как процесса изме-

нения характеристик неоднородности структуры материала.

Специально укажем, что кластеризация может проходить и в технологиче-

ском 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 разнород-

ных по их характеристикам компонентов, а субъективность – в том, что в фор-

мирование структуры целенаправленно вмешивается материаловед-технолог,

меняя исходные составляющие, технологические условия структурообразова-

ния 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 субстан-

циональных критериев «соседствующих» составляющих, обуславливают фор-

мирование на них (границах) напряжений посредством их локализации и кон-

центрации, 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 кон-

центрации. Ответ, в общем-то, очевиден: «задействованность» границ раздела конструируемой и созданной структуры материала неодинакова. И прежде все-

го потому, что единичные границы отличаются параметрами скачка субстан-

циональных, геометрических, статистических характеристик составляющих фаз. Это понятно. Но и потому, что проявляется влияние фактора кластериза-

ции первичной структуры, когда, как мы уже отметили, образуются межкла-

стерные более «слабые» по прочности границы раздела, «выключающие» в оп-

ределенной мере из работы (из действия) сопротивления разрушению внутри-

кластерные границы раздела и соответствующие структурные связи.

Вариации состояния границ раздела, контакта в реальном композите ил-

люстрируются электронными их снимками, показывающими, что границы мо-

гут 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 выделяе-

мых 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 одно-

родности – неоднородности строения материала как такового в формировании напряженно-деформированного состояния характеристических сечений строи-

56

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 от-

ношению к структуре конструкции, отражаемая показателем квазиоднородно-

сти, масштабным фактором.

Идентификация мегаструктуры не ограничивается только вопросом ква-

зиоднородности. Она касается и однородности всего объема строительной кон-

струкции с точки зрения так называемого блочного строения (крупноили ме-

зоблочного) 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 при-

стенных и внутриобъемных эффектов при формовании, уплотнении и тверде-

58

нии бетона в формах, в результате чего образуется детерминированная неодно-

родность, как в случае пристенных эффектов, а также стохастическая неодно-

родность, когда отдельные, достаточно крупные или менее крупные части объ-

ема изделия обнаруживают статистическое различие плотности, прочности и оказываются потому разделенными соответствующими границами (исследова-

ния 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 струк-

турно-неоднородных конгломератных строительных композитов исходило из концепции описания не только структуры самого материала, но и структуры его в строительной конструкции. Такое рассмотрение соответствует логике об-

щей 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 существо-

вавшую фрагментарность понимания роли категории «однородность – неодно-

родность структуры» в управлении сопротивлением композитов разрушению,

показать ее место более комплексно, более системно как с точки зрения интере-

сов механиков композитов и конструкций, так и материаловедов-технологов.

59