Учебники 80277

элемента системы, а именно матрица и включение, дополняются возникающим третьим структурным элементом – зоной их контакта, границей раздела, кото-

рая, как мы отмечали, феноменологически и сущностно реализуется в форме скачка значений параметров поля вещества и поля энергии в композите. Имен-

но введение понятия скачка как отражения структурной неоднородности позво-

лило полнее раскрыть категорию однородность - неоднородность строения че-

рез систему субстанциональных, геометрических, субстанционально-

геометрических и статистических ее критериев [10]. Важно, что этот первый вопрос имеет непосредственное отношение к трем задачам механики деформи-

руемого твердого тела:

1) задаче механики композитной системы из разнодеформируемых, разно-

сопротивляющихся компонент [67].;

2)задаче механики композитной системы из разнодеформируемых состав-

ляющих, образующих различную по состоянию переходную диффузную кон-

тактную зону [47];

3) задаче механики поведения двухкомпонентной системы, один из кото-

рых (включение) выступает в качестве концентратора напряжений и может при этом иметь различающиеся фазовое состояние, субстанциональные характери-

стики, форму, размер, ориентацию размещения в композите и т.п.

Второй, вытекающий из идентификации строения структурно-

неоднородных конгломератных строительных композитов, вопрос касается об-

разования системы из многоуровневых по масштабу структур, то есть системы по принципу «структура в структуре».

Этот второй вопрос определяет постановку задачи о соразмерности, кон-

груэнтности разномасштабных внутренних структур композита. Конкретно,

речь идет о рассмотрении «картины размещения» структурированной системы меньшего размерного масштаба, предназначенного к выполнению роли мат-

ричного материала в структуре большего масштаба, в межзерновых или меж-

поровых ее объемах с обеспечением при этом требования квазиоднородности структуры меньшего размерного масштаба. Фактически это задача о масштаб-

61

ном факторе и масштабном эффекте, об оптимальности «соединения», «сочле-

нения» соседних по масштабу структур в единую многоуровневую структуру композита. Применительно к проблеме бетона в этой задаче потребуется прой-

ти шаги от наноструктуры до макроструктуры или, наоборот, от макрострукту-

ры до наноструктуры, то есть осуществить оптимизацию конструкции компо-

зита по принципу каскадности получения оптимальных решений в рамках кон-

цепции многомасштабности моделирования структуры и процессов [68-70].

В целом процедура формализации структуры для ее моделирования в зада-

чах аналитического учета категории «однородность – неоднородность строе-

ния» конгломератных строительных композитов как фактора управления со-

противлением их разрушению в строительных конструкциях должна учитывать обязательное последовательное выполнение следующих требований [71-73]:

1) структура строительной конструкции должна формализоваться как про-

странственно-геометрическая система из базовых механических ее элементов;

2)при формализации структуры тела конструкции должно учитываться наличие или отсутствие признаков ортотропности, вариатропности;

3)структура тела конструкции должна рассматриваться как система, со-

стоящая из макро- и мезоблоков;

4)формализация структуры материала в теле конструкции должна исходить из возможности кластеризации ее на всех масштабных уровнях (от макродо нано);

5)структура материала в теле конструкции должна рассматриваться как насыщенная повреждениями, трещинами различного масштаба с явными при-

знаками их фрактальности; 6) структура материала в теле конструкции должна трактоваться как ме-

гаструктура и характеризоваться показателем конгруэнтности; 7) структура материала как такового должна представляться физической

моделью типа «структура в структуре», то есть обладающей многоуровневой

«масштабной иерархичностью»; 8) структура отдельного масштабного уровня должна представляться мо-

делью типа «матрица - включение»;

62

9) модель «матрица – включение» должна наделяться границей раздела,

контактной зоной; 10) граница раздела, контактная зона должна приниматься как обладаю-

щая скачком значений характеристик и свойств субстанции матрицы и суб-

станции включений; 11) скачок значений характеристик и свойств субстанции матрицы и суб-

станции включений должен характеризоваться как имеющий различную фрон-

тальную протяженность; 12) включения структурных элементов конгломератного композита

должны формализоваться по агрегатному, фазовому составу, размеру, форме,

ориентации [74];

13) состояние структуры тела конструкции, мегаструктуры материала в конструкции, многоуровневой по масштабу структуры самого материала долж-

но в физических их моделях приниматься как изменяющееся во времени.

Обязательное последовательное выполнение выделенных и сформулиро-

ванных требований определяет содержание соответствующих разработок по моделированию.

Все вышеизложенное составляет концептуально-методологическую основу для последующих теоретических и прикладных исследований по проблеме, пре-

дусматривающих моделирование структур конгломератных строительных компо-

зитов, обладающих присущими им признаками однородности и признаками неод-

нородности; обоснование факторного пространства для качественного аналитиче-

ского учета значения и роли критериев категории «однородность – неоднород-

ность строения» в формировании свойств строительных композитов; разработку аналитических соотношений, учитывающих механизмы и факторы влияния од-

нородности - неоднородности строения на формирование характеристик материа-

лов по показателям их сопротивления разрушению в строительных конструкциях;

обоснование положений и алгоритмов управления структурой (синтез и конст-

руирование структур) конгломератных строительных композитов в задачах обес-

печения задаваемого уровня качества по показателям сопротивления разрушению.

63

Таблица 3 - Факторы, влияющие на формирование и параметры напряженнодеформированного состояния структурно-неоднородного композита в строительной конструкции

65

Продолжение таблицы 3.

66

Факторами структуры конструкции, которые в контексте проводимых рассмотрений важны с точки зрения наличия сечений с максимальными дефор-

мациями и напряжениями, являются конструктивный тип конструкции, геомет-

рия ее формы, характеристические размеры, вид напряженного состояния, эпю-

ры деформаций и напряжений как следствия всего этого, армирование и др.

Именно эти факторы должны учитываться при определении максимальных ве-

личин осредненных напряжений, действующих на материал в рабочих сечениях конструкции. При этом учет факторов структуры конструкции ведется в предположении субстанциональной однородности композита. В реальности же композит проявляет себя в строительной конструкции как структурированное твердое тело, вследствие чего величины силовых нагружений структурных свя-

зей композита окажутся выше максимальных величин осредненных напряже-

ний. Такое превышение, качественно учитываемое соответствующим коэффи-

циентом, будет предопределяться системным последовательным или парал-

лельным действием всех других факторов, отражающих однородность - неод-

нородность структуры материала в структуре конструкции (мегаструктуры) и

структуры собственно композита.

Фактор мегаструктуры понимается через соразмерность параметров макроструктуры композита параметрам структуры конструкции, то есть крите-

риальной соответственности, конгруэнтности, прежде всего, максимального размера включений в матрице композита минимальному геометрическому раз-

меру рабочих сечений конструкции. Фактор мегаструктуры является, по суще-

ству, масштабным фактором, определяющим проявление действия масштабно-

го эффекта на меру изменения принятой по условиям бесструктурности (квази-

однородности) материала величины осредненного напряжения σо.

При переходе к факторам, относящимся непосредственно к конструкцион-

ному материалу, остановимся в первую очередь на факторе композиционно-

сти структуры как системы «матрица - включение». Фактор композиционно-

сти выражается в проявлении включениями роли концентраторов напряжений и в соответствующей локализации напряжений в объеме композита вследствие

67

диссипации, рассеивания энергии внешнего воздействия в нем с участием включений.

Фактор композиционности характеризуется коэффициентом концентрации напряжений на границе раздела матрицы – включение. Величина данного ко-

эффициента зависит от фактора относительной субстанциональности мат-

рицы и включения (скачка субстанциональности на границе раздела), факто-

ра размера, фактора формы, фактора пространственной ориентации включений в матрице композита, фактора суммарного объема включений в

объеме композита (фактора наполнения и соответственно типа цементации двухкомпонентной системы «матрица – включение», обуславливаемого факто-

ром дозировки компонентов, то-есть фактором состава).

Фактор композиционности структуры как отражение ее определенной де-

терминированности сочетается с фактором конгломератности структуры

как следствия стохастичности размещения включений в матрице композита.

Стохастичность размещения, понимаемая в категориях случайности и веро-

ятности, дополняется и усиливается тем, что все физические, механические и иные характеристики взаиморазмещенных компонентов композита являются ве-

роятностными величинами. И это определяет существо фактора статистиче-

ской изменчивости характеристик компонентов, составляющих композит.

Очевидно, что фактор статистической изменчивости будет влиять на пара-

метры формирующегося в композите поля деформаций и напряжений, придавая ему признаки и черты случайности и вероятности. Отсюда следует вывод о том,

что аргументы, входящие в аналитические соотношения, отражающие роль структурной неоднородности композитов в их сопротивлении разрушению,

должны представляться в виде соответствующих статистических распределе-

ний. По этим функциям могут выявляться статистически средние значения ар-

гументов (оценки их математического ожидания) и при необходимости вероят-

ные максимальные или минимальные их (аргументов) значения.

Формирование напряженно-деформированного состояния конгломератных композитов определяется и действием фактора их полиструктурности строе-

68

ния – масштабной многоуровневости структуры как отражения иерархической совокупности разномасштабных двухкомпонентных систем «матрица – включе-

ние», размещенных в объеме композита по принципу «структура в структуре».

Следствием влияния масштабной многоуровневости структуры является усиление локализованных напряжений по мере перехода в направлении от бόльших струк-

турных масштабов к меньшим. Такое усиление выражается поуровневым коэф-

фициентом k1…kn концентрации напряжений от включений, последовательно

(каскадно) вступающих в действие в зонах повышенных напряжений от действия более крупных включений предыдущего масштабного уровня.

Количественно (по величинам коэффициентов концентрации напряжений) та-

кое действие будет предопределяться фактором межуровневой конгруэнтности

в полиструктурном композите. Действительно, конгломератная структура любого меньшего по масштабу уровня геометрически размещается в объеме между вклю-

чениями бόльшего масштабного уровня. И такое размещение, например, по показа-

телю числа включений, может соответствовать или, напротив, не соответствовать условию квазиоднородности структуры меньшего масштабного уровня в структуре большего масштабного уровня. А от этого будет зависеть картина диссипации на-

пряжений и величины коэффициентов концентрации напряжений k1…kn.

Фактор межуровневой конгруэнтности в полиструктурном композите име-

ет прямое отношение к масштабному фактору и масштабному эффекту. И в этом смысле он оказывается в одном ряду с фактором мегаструктуры, учиты-

вающим соразмерность параметров макроструктуры композита параметрам структуры строительной конструкции из него.

Свой вклад в меру неоднородности поля напряжений и деформаций конг-

ломератного композита при его нагружении вносит фактор кластеризации структуры, развивающейся и в технологическом и в эксплуатационном цик-

лах. Так называемое зонирование формирующейся структуры, ее самопроиз-

вольная или принудительная кластеризация, когда на разных масштабных ее уровнях возникают укрупненные образования, как бы «надструктурные» объе-

мы, изменяет характеристики однородности – неоднородности строения компо-

69

зита. И он фактически дифференцируется на более крупные, как раз, надструк-

турные объемы. Это изменение сопровождается появлением новых поверхно-

стей и границ раздела, последствием чего оказывается уменьшение площади поверхности границ раздела, появление более слабых структурных связей на этих границах. В итоге потенциал сопротивления структуры материала разру-

шению может при кластеризации структуры понижаться.

Наконец, обратимся к фактору технологической и эксплуатационной дефектности. Здесь имеется в виду появление дефектов на разных масштаб-

ных уровнях структуры: во-первых, на атомно-молекулярном, кристаллохими-

ческом, во-вторых, на нано- и микроуровне, в-третьих, на мезо-, макро- и ме-

гауровне. В первом случае речь идет о дефектах типа вакансий, замещений,

дислокаций, роль которых будет проявляться в явлениях физики разрушения,

соотносимых с термофлуктуационным его механизмом. Во втором случае фак-

тор дефектности будет связан с появлением микротрещин, а в третьем, – с об-

разованием мезо- и макротрещин в композите и конструкции [39, 52, 75-77].

Трещины как структурный элемент композита окажутся фактором форми-

рования перенапряжений в структуре первичных его объемов, появления и су-

ществования зон локализации и концентрации напряжений, в которых начнут

«работать» все другие рассмотренные выше факторы.

Представленная систематизация факторов влияния структурной неодно-

родности на формирование и параметры напряженно-деформированного со-

стояния структурно-неоднородного композита в строительной конструкции от-

вечает существованию «дистанции» между осредненными напряжениями σoi,

принимаемыми в предположении бесструктурности (квазиоднородности) мате-

риала, и действительными напряжениями σloc max i , которые будут развиваться в структурированном материале.

Содержательное раскрытие и сущностное понимание этой «дистанции» оказывается абсолютно необходимым при постановке и решении материало-

ведческих задач конструирования оптимальных структур конгломератных строительных композитов.

70