Основы физики твердого тела для строителей

коэффициент интенсивности напряжений, если предел текучести материала составляет 1400 МПа.

Решение

Принимая, что пластина бесконечно большая, ry можно

З а д а ч а 7.2

На поверхностях разлома хрупких твердых тел часто видны характерные следы ряби, располагающиеся на одинаковых расстояниях порядка 1 мкм. Полагая, что эти следы создаются колебаниями конца трещины при ее взаимодействии со сдвиговыми волнами, рассчитать скорость вершины продвигающейся трещины. Изломы, при которых видна рябь, часто сопровождаются звучанием. Это наводит на мысль, что сдвиговые волны в данном случае генерируются самим процессом разрушения. Существует ли верхний предел для скорости продвижения вершины трещины?

Решение

Скорость продвижения вершины трещины обозначим v, частоту

Типичное значение частоты звуковых волн для хрупких кристаллов имеет порядок 5·106 Гц, так что v 10 м/с.

202

Верхний предел скорости распространения трещины в хрупком материале определяется частотой атомных колебаний 109 Гц. Связь между атомами у вершины трещины не может разорваться за время, меньшее, чем период атомных колебаний. Поэтому максимальное значение скорости движения вершины трещины vmax = 103 м/с.

8. ВЛИЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА РАЗРУШЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

8.1. Влияние среды на разрушение металла

По отношению к внешней среде поверхность металла обладает большой активностью. Это обусловлено тем, что внутри металла каждый атом окружен другими атомами металла и прочно связан с ними по всем направлениям. Атомы, расположенные на поверхности, не имеют соседей с внешней стороны. Наличие свободных связей у внешних атомов создает возможность удерживаться на поверхности молекулам газа, жидкости, которые являются составляющими внешней среды.

Образование на поверхности твердого тела пленок газа, пара растворенных веществ или поглощение этих веществ поверхностью называется адсорбцией. Наибольшей адсорбцией обладают поверхностно-активные вещества (ПАВ), к которым относятся органические кислоты, спирты, смолы. Особенностью молекул ПАВ является их поляризованность (несферическая симметрия заряда). Такие молекулы притягиваются и удерживаются поверхностью детали.

Адсорбция поверхностно-активных молекул приводит к активизации прежде всего подповерхностных источников дислокаций, которые создают на поверхности густую сеть следов скольжения (рис. 8.1) уже на ранних стадиях деформации.

203

Р = кристалл/воздух – кристалл/жидкость.

Это давление направлено внутрь кристалла и поэтому приводит

красклиниванию трещины. Это явление называется адсорбционно-

расклинивающим эффектом и представляет собой второе проявление эффекта Ребиндера.

Вслучае металлов особенно сильнодействующими ПАВ служит олеиновая и пальметиновая кислоты, цетиловый и пальмитоновый спирты, легкоплавкие металлы (ртуть, галлий). Например, если поместить кристалл цинка в ртуть так, чтобы он покрылся тонкой пленкой, а затем согнуть его, то свойственная цинку пластичность исчезает и кристалл оказывается очень хрупким.

Адсорбционное понижение прочности в присутствии ПАВ носит весьма общий характер. В качестве примера его распространения можно привести практически полную потерю прочности у гидрофильных осадочных твердых пород под действием воды.

Моделью здесь может служить пластичное тесто, сформованное из глины с водой. Глины, как и кремнеземнистые (кварцевые) и другие горные породы, обладают сильным молекулярным сродством

кводе, а потому и называются гидрофильными: вода для них – поверх-ностно-активное вещество. При осторожном удалении воды высушиванием кусок такого теста превращается в высокопрочный камень – необожженный кирпич (его прочность на раздавливание

достигает 5 107 Н/м2). Чешуйчатые глины в этом случае сближаются и образуют прочный монолит под действием сил сцепления. Если же погрузить такой «камень» в воду или просто увлажнить его, вода проникает по всем оставшимся в структуре порам и щелям, и оказывается достаточно тончайшего ее слоя, чтобы по тем участкам, куда проник этот слой, прочность была понижена практически до нуля.

Особенно резко на конструкционную прочность деталей влияет

коррозия (разрушение металла под воздействием окружающей среды). Мировые потери от коррозии металла достигают ежегодно около 30 млн т. Но коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения, наблюдаемым в них.

205

Коррозия в зависимости от характера окружающей среды может быть химической и электрохимической. Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а также в обыкновенной атмосфере, где имеется влага. Суть этой коррозии в том, что ионы металла на поверхности детали, имея малую связь с глубинными ионами, легко отрываются от металла поляризованными молекулами воды. Металл, потеряв часть положительно заряженных частиц (ионов), заряжается отрицательно за счет избыточного количества оставшихся электронов. Одновременно слой воды, прилегающий к металлу, за счет ионов металла приобретает положительный заряд. Разность зарядов на границе металл–вода обусловливает скачок потенциала, который в процессе коррозии изменяется, увеличиваясь от растворения металла и уменьшаясь от осаждения ионов из раствора на металл. Если

количество ионов, переходящих в раствор и осаждающихся на металле, одинаково, то скорости растворения и осаждения равны и процесса коррозии (разрушения) не происходит. Этому соответствует равновесный потенциал , при котором нет ни анодного (тока растворения), ни катодного тока (тока осаждения ионов из раствора). Такое же явление происходит на положительном и отрицательном полюсах при гидролизе. Растворяющийся элект-род, потенциал которого более положителен, называется анодом. Электрод, на котором происходит разряд катионов, имеющий более отрицательный заряд, называется катодом.

Вода, которая является средой, где происходит коррозия, частично диссоциирована на ионы Н+ и ОН–, которые могут участвовать в процессе электролиза

Н2О Н+ + ОН–.

Катион Н+ восстанавливается на катоде:

206

(е – электрон, который ион Н+ получает от катода).

Анион ОН‾ может окисляться на аноде с образованием молекулы кислорода:

4ОН– – 4е 2 Н2О + О2 (газ)

(уходят к аноду).

Равновесный потенциал водородного иона в водном растворе при концентрации Н+ ионов, равной 1 моль ионов Н+ на 1 л, принято считать равным нулю.

Стандартные потенциалы других элементов измерены по отношению к водородному потенциалу с j = 0 и относятся к элементам, находящимся в растворе своих солей, содержащих 1 моль ионов Н+ элемента в 1 л.

Металлы, стандартный потенциал которых отрицательней, чем водородный, корродируют в воде, в которой растворен кислород, тем более активно, чем отрицательней значение электрохимического потенциала. От металла с отрицательным стандартным потенциалом, находящимся в воде или во влажной атмосфере, будут уходить в растворы ионы металла, которые, взаимодействуя с гидроксил-иона-ми ОН–, образуют гидроксиды, не растворимые в воде, которые называют ржавчиной, а процесс их образования – ржавлением. Схема электролитического процесса ржавления железа следующая:

Гидроксид железа Fe(OH)2 в присутствии кислорода, растворенного в воде, превращается в Fe(OH)3.

Так как ионы железа связываются в нерастворимое соединение

Fe(OH)3, то равновесный потенциал не может быть достигнут и кор-

розия происходит до полного разрушения металла.

Коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой и при отсутствии влаги. При взаимодействии металла с кислородом продуктом коррозии являются оксиды

207

металла. Кислород в случае наличия его в окружающей среде всегда адсорбирован на поверхности металла. Кислород с ионами металла образует пленку оксида толщиной один–два периода кристаллической решетки. Этот слой, если он плотный, изолирует металл от кислорода и тем самым препятствует дальнейшему окислению. Роль оксидных пленок имеет большое значение и при нахождении металла в воде или в водных растворах. Так, судя по стандартному потенциалу алюминия, он должен активно корродировать в воде. Однако практически этого не происходит по причине того, что оксидная пленка, ранее образовавшаяся на поверхности алюминия, защищает его от электрохимической коррозии в воде.

Оксидная пленка образуется у всех металлов, в том числе у железа. Но у железа она менее устойчива. Оксидную пленку железа можно упрочнить, воздействуя сильными окислителями, богатыми кисло-родом, например, концентрированной азотной кислотой. После этого железо становится пассивным к действию водных растворов. Это явление называется пассивированием. Однако действие пассиватора у железа недолговременно и в кислой среде оксид разрушается.

Депассивация может происходить, в частности, и ионами хлора в морской воде. В случае разрушения пассивной пленки оксидов коррозия в водных растворах продолжается. При местных разрушениях пленки имеет место точечная коррозия. Быстро протекает коррозия в случае попеременного действия воды и воздуха: смоченный металл быстро ржавеет, потому что кислород воздуха через слой ржавчины легко проникает в металл. Ржавчина же вызывает конденсацию воды из ненасыщенного влагой воздуха, что благоприятствует развитию коррозии.

8.2. Влияние агрессивной среды на поведение бетона

Значительная часть возведенных из бетона зданий и сооружений в период эксплуатации подвергается действию агрессивных сред, могущих вызвать повреждение и даже выход из строя строительных конструкций. Воздействие агрессивной среды на бетон может приводить к коррозии трех основных видов.

208

Коррозия I вида. Растворимость продуктов гидратации цемента

вводе обусловливает возможность коррозии цементного камня в бетонах за счет растворения и выноса соединений, определяющих прочность кристаллизационных контактов в цементном камне. Этот коррозионный процесс относится к коррозии I вида.

Коррозия II вида связана с развитием обменных реакций между кислотами или солями окружающей среды, с одной стороны, и составными частями цементного камня – с другой. Наиболее часто

вприродных условиях встречается коррозия II вида – это коррозия под действием углекислых вод.

Коррозия III вида. Основным признаком коррозии III вида является накопление в порах и капиллярах бетона солей и последующая их кристаллизация, связанная с увеличением объема твердой фазы. Соли либо образуются вследствие химических реакций взаимодействия агрессивной среды с составными частями цементного камня, либо приносятся извне и выделяются из раствора вследствие постепенного испарения из него воды.

Выделение твердой фазы и рост кристаллообразований могут на определенной ступени развития вызвать значительные растягивающие усилия в стенках пор и капилляров и разрушение структурных элементов бетона.

Наиболее распространенной разновидностью коррозии, происходящей в результате кристаллизации продуктов реакции между цементным камнем и агрессивной средой, является сульфатная коррозия.

Сульфаты содержатся в грунтовых водах; в пресных озерах и реках – обычно не более 60 мг/л SO–2 и в морской воде при

обычном содержании солей 33–35 г/ л, количество SO 42 находится

в пределах 2500–2700 мг/л. Источником поступления сульфата в грунтовые и поверхностные воды является растворение сернокислых кальция, натрия и магния.

Действие на бетон сернокислого натрия вызывает реакцию сульфата натрия с гидратом окиси кальция цементного камня:

Са(ОН)2 + Na2SO4 + 2H2O CaSO4·2H2O + 2NaOH.

209

Получаемый гидрат окиси натрия легко вымывается из цементного камня. Гипс (CaSО4·2H2O) вступает в реакцию с трехкальциевым гидроалюминатом, в результате чего образуется гидросульфоалюминат кальция:

3СаSO4·2H2O + 3CaO·Al2O3·6 H2O 3CaSO4·3 CaO·Al2O3·31H2O.

Образующийся гидросульфоалюминат кальция увеличивается в объеме в 2,27 раза по сравнению с суммой объемов исходных продуктов, вследствие чего возникают напряжения в цементном камне и бетоне, достигающие предельных значений прочности.

Борьбу с коррозией III вида можно вести, принимая во внимание следующее:

а) применение глиноземистого цемента или цементов с уменьшенным содержанием гидрата окиси кальция (например, пуццоланового портландцемента) делает невозможным образование гипса и, следовательно, проявление коррозии;

б) введение в бетонную смесь воздухововлекающих добавок (СНВсмола), пластифицирующих веществ, химических добавок, повышающих растворимость гидрата окиси кальция и гипса (например, хлористого кальция), снижает активность проявления коррозии и повышает стойкость цементного камня и бетона;

в) повышение плотности цементного камня и бетона как за счет уменьшения содержания воды и надлежащего уплотнения смеси, так и за счет введения уплотняющих добавок, способствующих повышению стойкости бетона.

Создание изоляции на поверхности бетона в виде оклеенной, облицовочной или лакокрасочной защиты является также надежным средством борьбы с коррозией III вида.

Разновидностью коррозии III вида является разрушение бетона под действием кристаллизации солей в порах и капиллярах цементного камня и бетона вследствие их конденсации из агрессивных сред. Растворы солей вследствие капиллярных явлений мигрируют в теле цементного камня и бетона. При этом микрокапилляры пропускают только чистую воду, а соль остается в более крупных порах и капиллярах. Постепенно накапливая соль в крупных порах, растворы солей в них становятся насыщенными и

210