Учебники 80277

зависимости от изменения удельной площади поверхности границы раздела максимальные локализованные напряжения выражаются как:

зита как «трансформатора» (диссипатора) внешней энергии напряжения в дру-

гие виды энергии и является оценкой неоднородности композита вне зависимо-

сти от его габаритных, «конструкционных» размеров.

Вместе с тем иерархическая многомасштабная организация строения ком-

позита по принципу «структура в структуре» приводит к тому, что композит на любом «n»-масштабном уровне в условиях размерных ограничений, предопре-

деляемых включениями Dв более «крупного» уровня, работает как «конструк-

ция» с присущими ей масштабными эффектами. Эти эффекты находят соответ-

ствующее отражение в параметрах поля напряжений в композите и зависят от критерия масштабной конгруэнтности, соразмерности структурных включений

композита и характеристического размера Nk = Lx/Dв (см. рисунок 27).

Учет закономерностей проявления масштабного эффекта в зависимости от

Nk обусловливает следующий вид зависимости уровня максимального локали-

зованного напряжения в i-ом структурном уровне композите:

Влияние фактора кластеризации структуры на формирование поля напряжений в конгломератном строительном композите. Кластеризация структуры строительного композита может касаться как системы частиц вклю-

чений, так и частиц матричной субстанции. Частицы включений могут объеди-

няться в ансамбли, дифференцируя объем композита на кластеры различной конфигурации и различного размера; матричная субстанция как продукт гидра-

тационного или синтезного твердения может дифференцироваться на глобулы,

флокулы, кристаллиты, включающие в свой объем некие первичные индивиду-

альные структурные единицы.

81

Последствия кластеризации системы частиц включений могут анализиро-

ваться в рамках материаловедения, например, металлов с регулируемым разме-

ром зерна в их структуре. Зависимость их предела прочности σ от размера зерна dз (и кластера) представляется уравнением Петча-Холла [83]:

где σ0 – напряжение, необходимое для того, чтобы вызвать начало разрушения структуры в отсутствии сопротивления со стороны границ зерен (кла-

стера);

k - величина концентрации напряжений у вершины начальной трещины; m - коэффициент, связанный с характеристиками субстанции зерна (кластера).

Вследствие зонирования и кластеризации матричной составляющей композита образуются так называемые укрупненные «надструктурные» объемы, что суще-

ственно изменяет субстанционально-геометрические параметры однородности

– неоднородности композита. Как ранее отмечалось, подобное изменение со-

провождается появлением новых поверхностей, границ раздела, последствием чего оказывается уменьшение площади поверхности границ раздела, появление более слабых структурных связей на этих границах. В итоге потенциал сопро-

тивления структуры матрицы материала разрушению может при кластеризации понижаться в соответствии [83] с соотношением

где σрт - разрушающее напряжение при одноосном сжатии;

Е – модуль упругости; γ*= γ + Δγ - эффективная поверхностная энергия разрушения, здесь γ - поверхностная энергия, а Δγ - дополнительная ра-

бота, идущая на производство локальной пластической деформации и образование ступенчатых поверхностей скола;

r - средний размер кристаллита (кластера);

KС- коэффициент вязкости разрушения;

Vn- пористость;

n - эмпирический коэффициент, который изменяется от 2,6 до 4,3.

82

кализованных напряжений в направлении к меньшим структурным масштабам от бόльших. И это может учитываться поуровневым коэффициентом k1…kn

концентрации напряжений от включений, последовательно (каскадно) всту-

пающих в действие в зонах повышенных напряжений, определяемых ролью бо-

лее крупных включений предыдущего масштабного уровня. Поскольку мас-

штабные уровни структуры как двухкомпонентные системы «матрица – вклю-

чение» подобны, то предложенные соотношения вполне применимы к любому структурному уровню при анализе явлений локализации и концентрации на-

пряжений в них. В связи с этим соотношение (37, 41) для loc.max i и класт ер

loc. maxi

получит свою «реализацию» как часть «каскадного» процесса возрастания на-

пряжений разрушения в n-многоуровневой структуре композита. При этом, ра-

зумеется, потребуется дополнительно учесть и определенную специфичность структур на их масштабных уровнях.

Вообще при конструировании структуры композита необходимо будет пройти шаги от наноструктуры до макроструктуры или, наоборот, от макро-

структуры до наноструктуры, то есть осуществить оптимизацию конструкции композита по принципу каскадности получения оптимальных решений в рам-

ках концепции многомасштабности моделирования структуры и процессов [68].

Для этого понадобится разработка соответствующих алгоритмов и программ

[69, 70].

Роль статистических критериев неоднородности строения в форми-

ровании поля напряжений. Представленный анализ роли критериев неодно-

родности структуры в формировании поля внутренних напряжений в нагру-

женном композите давался в детерминированной постановке. Фактически же численные значения всех критериев имеют статистическую реализацию в виде вероятностных функций распределения. А это означает «появление» дополни-

тельно статистического фактора неоднородности, что требует учета стати-

стических параметров распределения – оценки математического ожидания и коэффициента вариации величин всех конкретно рассматриваемых критериев неоднородности структуры.

84

В такой постановке очевиден вопрос о необходимости оценки меры влия-

ния фактора статистической изменчивости (коэффициента вариации Сv) величин критериев неоднородности на loc.max. Учет этого может исходить из экспоненциальной зависимости, показывающей возможность повышения концентра-

ции напряжений с ростом статистической вариативности критериев неоднород-

ности в структуре композита:

телем е pСv по каждому действующему критерию неоднородности Is, ts … и т. д.

(в формуле (42) р - коэффициент при Cv отражающий меру влияния изменения

Cv на коэффициент концентрации напряжений).

Рассматривая роль стохастичности структуры, следует остановиться и на

том, что и в строительной конструкции из композита всегда вероятна стати-

стическая вариация параметров структуры и свойств композита в отдельно взя-

тых объемах самой строительной конструкции. В результате этого объективно вероятно появление в ней областей (j- зон) с наиболее повышенным уровнем напряжений.

Величина loc.max ij дополнительно изменяется вследствие статистической вариации неоднородности на мегауровне структуры, то есть характеристик не-

однородности структуры композита на уровне конструкции. Поэтому соответ-

где Сv – статистическая изменчивость критериев неоднородности материала в объеме конструкции.

Проведенное рассмотрение роли стохастичности структуры в объеме кон-

струкции «обеспечивает» соотносимость неоднородности композита непосред-

ственно с потенциалом работоспособности конструкции. И это отвечает мето-

85

дологической концепции «материал – конструкция», существу категории «кон-

струкционный материал».

Из рассмотрения проблемы статистической, вероятностной, стохастиче-

ской сущности неоднородности структуры очевидно, что строгая во времени последовательность появления и смены этапов концентрации напряжений и стадий разрушения во всем объеме материала не будет иметь места. В силу стохастической природы неоднородности структуры материала характерным окажется опережение или отставание во времени одних этапов и стадий от дру-

гих в разных зонах материала и объемах конструкции. Иными словами, в лю-

бой произвольный момент действия внешней нагрузки на материал отдельные его зоны в объеме конструкции могут отличаться напряженно-деформи-

рованным состоянием и степенью разрушения - количеством накопленных по-

вреждений структуры. И в этой связи можно говорить о функции распределе-

ния степени разрушения, неоднородности меры разрушения материала по этим отдельным его зонам и объемам. В итоге в неоднородном по структуре и по степени поврежденности материале статистически всегда вероятно появление отдельных зон, объемов, наиболее опасных с точки зрения возможности разви-

тия в них процесса необратимого разрушения. Такое положение, объяснимое в рамках статистической теории прочности [42], приводит к тому, что разру-

шение материала и потеря несущей способности конструкции из него оказыва-

ется связанным с развитием магистральной трещины, которая становится

«главным концентратором напряжений». Направление же магистральной тре-

щины будет определяться предпочтительным ее продвижением с минимумом затрат энергии, то есть по областям и зонам с наименьшим ресурсом сопротив-

ления разрушению, каковыми, как раз, и окажутся максимально напряженные и с наибольшим числом накопленных повреждений самые неоднородные по структуре объемы материала.

Влияние фактора технологической и эксплуатационной дефектности на формирование поля напряжений в композите. Проведенные аналитиче-

ские рассмотрения влияния факторов структурной неоднородности на формиро-

86

ны предложенными аналитическими соотношениями.

87

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Повышение эффективности строительных композитов может быть достиг-

нуто за счет управления перераспределением силовых (энергетических) потоков в теле композита при том же потенциале его внутренних структурных связей.

Распределение и диссипация энергии, связанные с параметрами концентрации и локализации напряжений и деформаций в теле композита, могут изменяться по-

средством регулирования и оптимизации параметров однородности-

неоднородности строения материала. В монографии рассмотрены основные тео-

ретические предпосылки такого регулирования и управления.

Характеризуя научные результаты исследований, отметим их значение как имеющих концептуально-методологическую ценность;

сближающих позиции «материаловедов-технологов» и «расчетчиков-

конструкторов» в их совместной работе;

открывающих новые или в новой постановке «страницы» в проблематике механики свойств материалов в соотнесении со строительной механикой кон-

струкций;

актуализирующих содержание материаловедческих разработок по про-

блемам управления сопротивлением разрушению конгломератных композитов,

предназначенных для работы в строительных конструкциях;

обеспечивающих, с учетом современных материаловедческих знаний,

более глубокую и более обоснованную постановку задач аналитических рас-

смотрений и математических описаний в проблемах синтеза и конструирования структур строительных композитов;

развивающих и расширяющих информационную базу для «компьютер-

ного материаловедения» и решения прикладных задач синтеза и конструирова-

ния структур строительных композитов.

88

технологии// Известия вузов. Строительство. №3. 1996.-С.43-48.

10. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И. Неоднородность строения как фундаментальная материаловедческая характеристика строительных композитов// Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 2.- М., 1999.-

С.390-402.

11. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И. Учет критерия неоднородности строения в задачах оптимизации структуры строительных композитов// Современные проблемы строительного материаловедения: Матер. Пятых академ. чтений РААСН.- Воронеж, 1999.- С.526-533.

12. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И.Неоднородность строения и закономерности формирования поля внутренних напряжений при силовом нагружении строительных композитов// Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып.3.- М., 2000.- С.183-193.

13. Чернышов Е.М., Славчева Г.С., Дьяченко Е.И. Нормирование размера зернистых включений в поризованных бетонах на основе моделирования и экспериментального исследования их структуры// Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы VI академических чтений РААСН. – Иваново, 2000.- С.585-595.

14. Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Коротких Д.Н. Эффективность работы зернистых и волокнистых включений в структуре строительных композитов// Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: Материалы Междунар. научно-

практ.конф./ Ростовский государственный строительный университет - Рос- тов-на-Дону, 2000.- С.346-352.

15. Коротких Д.Н. многоуровневое дисперсное армирование структуры мелкозернистого бетона и повышение его трещиностойкости: Дис. … канд. техн. наук, 2001.

16. Чернышов Е.М., Макеев А.И., Дьяченко Е.И. Исследования показателей сопротивления строительных композитов механическому разрушению в связи с их структурной неоднородностью// Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 4.- М., 2001.- С.196-202.

90