Основы физики твердого тела для строителей

Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технология строительного производства»

С.Н. Леонович С.И. Петренко

ОСНОВЫ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА для строителей

Пособие

Издание 2-е, исправленное и дополненное

М и н с к 2 0 1 0

3.3. Сложное упругодеформированное состояние. . . . . . . . . . 88 3.4. Обобщенный закон Гука и потенциальная энергия

деформации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.5. Концентрация напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.6. Упругий гистерезис. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.7. Эффект Баушингера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.8. Экспериментальное определение деформаций

и напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.9. Остаточные напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Примеры решения задач. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

4. Прочность твердых тел. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.1. Теоретическая и реальная прочность твердых тел. . . . . . 118 4.2. Деформационное упрочнение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3. Упрочнение изменением состава (легированием). . . . . . 122 4.4. Упрочнение термической обработкой. . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.5. Упрочнение термомеханической обработкой (ТМО). . . 130 4.6. Упрочнение взрывом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.7. Упрочнение без дислокаций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.8. Композитные материалы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.9. Конструкционная прочность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.10. Твердость и методы ее измерения. . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Примеры решения задач. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

6. Ползучесть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.1. Ползучесть материалов. Кривая ползучести.

Диаграмма ползучести. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.2. Неупругая (обратимая) ползучесть. . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.3. Низкотемпературная ползучесть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4

5

10. Особенности поведения трещин в неоднородных материалах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10.1. Физическая модель кинетики разрушения бетона

при тепловлажностных воздействиях. . . . . . . . . . . . . . 222 10.2. Образование трещин в армоцементе. . . . . . . . . . . . . . . 225

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

11. Экспериментальное определение параметров механики разрушения строительных материалов. . . . . . . . . . . . . . . 231 11.1. Экспериментальные методы определения

критического коэффициента интенсивности

напряжений KIc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 11.2. Устройство для получения равновесных диаграмм

деформирования бетона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

12. Применение методов механики разрушения для оценки трещиностойкости и долговечности бетона. . . . . . . . . . . . 242

12.1.Алгоритм расчета энергетических и силовых параметров бетона по полностью равновесным

диаграммам деформирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

12.2.Разрушение и трещиностойкость бетонов обычной прочности в зависимости от свойств цементного

камня. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 12.3. Трещиностойкость высокопрочного

вибрированного бетона. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

12.4.Разрушение, трещиностойкость и морозосолестойкость высокопрочного центрифугированного бетона

во взаимосвязи со структурой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

12.5.Разрушение и трещиностойкость бетона в зависимости от вида заполнителей

и их концентрации в объеме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

6

13.3. Теоретическое напряженно-деформированное состояние в сечениях железобетонных

элементов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 13.4. Расчет железобетонных элементов на основе

энергетической концепции Гриффитса. . . . . . . . . . . . . 312

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

14. Физические основы контроля и предотвращения разрушения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 14.1. Просвечивание. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 14.2. Ультразвуковая дефектоскопия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 14.3. Термодефектоскопия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 14.4. Магнитная дефектоскопия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 14.5. Контроль качества термической обработки

с помощью вихревых токов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 14.6. Капиллярный метод дефектоскопии. . . . . . . . . . . . . . . 327

Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга преподавателей Белорусского национального технического университета: доктора технических наук Леоновича С.Н. и кандидата технических наук Петренко С.И. «Основы физики твердого тела» – едва ли не первое учебное пособие для студентов строительных специальностей по этой дисциплине.

Из строительных материалов создаются несущие и ограждающие конструкции промышленных и гражданских сооружений специального назначения, включая крупные гидротехнические сооружения и корпуса атомных реакторов. Однако, как это ни парадоксально, для многих строительных материалов, в том числе и наиболее массового – бетона, до сих пор не существует законченной теории деформирования и разрушения. В связи с этим многие важные вопросы расчета конструкций решаются с использованием эмпирических и полуэмпирических зависимостей без глубокого проникновения в физическую сущность явления. Вот для этого проникновения будущему инженеру-строителю, конструктору-проектировщику, исследователю в помощь на нелегком пути познания предлагается эта книга, в которой кратко и доступно изложены основы теории строения и свойств твердого тела. На мой взгляд, от представлений о строении твердого тела удачно переброшен мостик к теории упругости, где подробно рассмотрены все виды деформации, сложное упругодеформированное состояние твердого тела, теория усталости и ползучести.

Эмпирический путь не пригоден и для решения актуальнейшей задачи современной науки о материалах – прогнозирования механических характеристик материала и создания материала с заранее заданными свойствами. Подход авторов к данной проблеме согласуется с современными тенденциями развития физики твердого тела, когда при изучении деформативных и прочностных свойств строительных материалов используются не классические представления о них как об идеально упругих, изотропных и сплошных телах, а рассматриваются реальные структуры с присущими им дефектами. Поэтому в книге так много внимания уделяется механизмам разрушения твердого тела, в том числе таких неоднородных материалов, каковыми являются древесина, железобетон.

8

Авторы не могли пройти мимо инженерных расчетов разной степени сложности, которые позволяют оценить те или иные свойства материала, напряженно-деформированное состояние конструкции.

Материалы и рекомендации этой книги отражают точку зрения авторов, однако написание ее не было бы возможным без современных исследований в области конструкционных материалов, изложенных в работах И.Н. Ахвердова, Ю.М. Баженова, З. Бажанта, В.Г. Батракова, О.Я. Берга, В.В. Болотина, Ф. Виттмана, А.А. Гвоздева, Е.А. Гузеева, Ю.В. Зайцева, И.И. Звездова, Ф.М. Иванова, Я.Н. Ковалева, Д.Н. Лазовского, И.И. Леоновича, Л.К. Лукши, Е.А. Морозова, В.В. Панасюка, В.З. Партона, Г.П. Пастушкова, Т.М. Пецольда, А.Б. Пирадова, Н.В. Савицкого, В.В. Тура, А. Хиллеборга, В.И. Шевченко и др.

Пособие «Основы физики твердого тела» будет полезно студентам строительных специальностей, которые в качестве инже-неров- строителей, технологов, конструкторов-проектировщиков, ис-следо- вателей будут создавать высококачественные и долговечные строительные материалы и конструкции в третьем тысячелетии.

9

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

10