STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

смазка или стержень карандаша. Другой пример — кристаллические модификации железа, получающиеся при его нагревании и охлаждении: при высокотемпературной форме кристаллов железо способно сравнительно много растворять углерода, тогда как при низкотемпературной — углерод практически не растворим, а при охлаждении железа из растворенного состояния углерод переходит в механическую примесь. При модификации кристаллических тел изменяются и другие свойства.

Структура не остается неизменной, «застывшей». Она непрерывно претерпевает изменения в пространстве и во времени. Этому способствует, в частности, постоянное движение элементарных частиц, взаимодействие материала с окружающей средой, переход вещества из одного состояния в другое под влиянием перераспределения связей между атомами в молекулах, изменения в структуре молекул и других химических форм движения элементарных частиц. Относительная стабильность структуры и внешней формы макроскопических тел обусловлена определенными связями и отношениями структурных элементов, а формы изменений и переходов их состояний проявляются в неизбежных тепловых, тепломассообменных явлениях, процессах кристаллизации и т. п.

Микроструктура и кинетика ее изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и др. Сравнительно простым измерением, производимым на плоскости наблюдения, уста- навливается расчетным путем содержание некоторого ключевого элемента структуры в объеме материала1.

В зависимости от характера связей контактируемых частиц однородные микроструктуры делятся на коагуляционные, конденсационные и кристаллизационные.

Коагуляционными называют структуры, в образовании которых участвуют сравнительно слабые силы молекулярного взаимодействия между частицами — ван-дер-ваальсовые силы сцепления, действующие через прослойки жидкой среды.

Конденсационными называют структуры, возникающие при непосредственном взаимодействии частиц или под влиянием химических соединений в соответствии с валентностью контактирующих атомов или под влиянием ионных и ковалентных связей.

Кристаллизационными (или кристаллическими) называют структуры, образовавшиеся путем выкристаллизовывания твердой фазы из расплава или раствора и последующего прямого срастания отдельных кристаллов в прочный их агрегат, в том числе под влиянием химических связей.

Академик П.А. Ребиндер, разделивший микроструктуры на эти три разновидности, отмечал возможным, и даже более типичным образование смешанных структур как совокупности двух или трех однородных, например кристаллизационно-коагуляционной и др. При определенных условиях возможен самопроизвольный (спонтанный) переход с различной скоростью коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллизационную и др. С реальным характером микроструктур связаны в известной мере представления об их качественных характеристиках. Так, например, при коагуляционных структурах почти всегда наблюдается пониженная прочность вещества, способность к тиксотропному восстановлению структуры, разрушенной под влиянием механического воздействия, например вибрирования. Конденсационные и, особенно, кристаллизационные структуры придают веществу повышенную прочность, но вместе с тем и усиливают хрупкость, снижают тиксотропность. Некоторые модификации кристаллов одного вещества могут иметь низкую (например, графит) и очень высокую (например, алмаз) твердость и прочность.

Микроструктура в ИСК распространяется на вяжущую часть. Для придания вяжущему веществу необходимого качества вводят дополнительные активные компоненты — добавки. Размеры их частиц соизмеримы с размерами частиц исходных вяжущих веществ

1 Обоснованным выбором элементов структуры и количественной оценкой их содержания в структуре занимается специальная наука — стереология.

51

и возникающих новообразований, поэтому они являются элементом микроструктуры ИСК.

Иногда весьма значительный объем в микроструктуре занимают поры — замкнутые и сообщающиеся, или те и другие одновременно различного происхождения, что зависит от разновидности цементирующего вещества. Поры бывают мелкими, например до (1—2)·10- 7 см, как правило, замкнутыми, возникшими в результате усадочных явлений; более крупными после, например, испарения капиллярной влаги (капиллярные поры) с размером в поперечнике до 5·10-3 см, открытыми или сообщающимися между собой; еще более крупными (макропоры), условно принимаемыми сферической формы, размером от 50—100 мкм до 2—5 мм. Количество крупных пор зависит от того, как они возникли в вяжущем веществе: непроизвольно или преднамеренно. При непроизвольном вовлечении воздуха в период приготовления смеси их количество обычно невелико (2—5%). Если они возникают под влиянием специально вводимых воздухововлекающих или порообразующих добавок, то в поризованном вяжущем веществе может сосредоточиваться до 50% и более по объему сферических (ячейковых) пор, чаще всего замкнутых.

В микроструктурах могут встречаться другие виды неплотностей. Их относят обычно к дефектам микроструктуры, которые отрицательно влияют на качество материала. Среди них: дефекты кристаллической решетки в виде так называемых вакансий, вызванных «испарением» атома из узла решетки, или в виде дислоцированных атомов, т. е. перемещенных в междоузлии кристаллической решетки, или в виде примесей в кристаллической решетке с значительным искажением качества вещества по сравнению с чистыми и сверхчистыми веществами. Особо опасными являются дефекты в виде ммкротрещин, способных под нагрузками расти и переходить в макротрещину или магистральную трещину, схватывающую макрообъемы кристаллических агрегатов и тел. Кроме вяжущего вещества, микродисперсной структурой обладают также приповерхностные слои или контактные зоны в материале, отделяющие вяжущее вещество от поверхности другого компонента, например зерен заполнителя, фазы друг от друга. Состав и структура тонких контактных слоев (моно- и полимолекулярных) отличаются от основного вяжущего вещества. Отличается от других объемов материала и качество этих слоев, так как оно зависит от пограничных дефектов структуры, прочности сцепления контактируемых веществ и пр. Различие в качестве приповерхностного слоя и остального объема вяжущего не является скачкообразным, а довольно плавным. .

«Укладка» микрочастиц происходит компактно, по известному физико-химическому принципу наиболее плотной упаковки. Этот принцип характеризуется тем, что при укладке атомов, ионов или молекул в кристалле возникает наименьшее остаточное, свободное пространство. Однако такой принцип применим не ко всем видам кристаллов, так как при плотной упаковке может возникнуть меньшая устойчивость равновесия, которая зависит от направления валентностей контактируемых частиц.

Макроструктура ИСК различима невооруженным глазом. Она образована под влиянием цементирующей способности вяжущего вещества, благодаря чему полизернистые или иной формы частицы заполнителя — волокнистые, пластинчатые, угловатые, шаро- образные и т. п. — скрепляются между собой в общий монолит. В макроструктуре содержится также капиллярно-поровая часть, причем макродисперсные поры и капилляры в ячеистых бетонах в виде замкнутых ячеек, заполненных газовой или воздушной средой, являются как бы своеобразной разновидностью заполнителя.

Подобно компактной упаковке дискретных частичек в микроструктуре вяжущих веществ смесь грубозернистых заполнителей подбирают с наименьшим объемом межзерновых пустот, что позволяет экономить на расходе связующих веществ, как наиболее доро- гостоящих компонентов, и уменьшать усредненную толщину континуального слоя вяжущего вещества в конгломерате.

52

С этой целью зернистые заполнители предварительно разделяют на фракции по размерам, а затем опытным или расчетным путем находят содержание каждой фракции в плотной смеси заполнителя ИСК, которые следуют либо непрерывно друг за другом и с получе- нием, следовательно, непрерывного гранулометрического состава, либо с исключением некоторых фракций и с получением прерывистого гранулометрического состава смеси. Своеобразный метод подбора гранулометрического состава плотной смеси, пригодный для заполнителей безобжиговых и обжиговых ИСК, предложен П.И. Боженовым. В основе этого метода лежит прерывистая гранулометрия. Им установлено, что соотношение размеров зерен двух любых смежных фракций заполнителя в идеальном случае (при ша- рообразной форме зерен) равно:

di+1/di = 0,226, (2.8)

где di — средний диаметр зерен любой i-той фракции, мм; di+1 — средний диаметр зерен смежной фракции, мм.

Количество наибольшей по крупности зерен фракции Р1, входящей в заполнитель, численно равно ее средней плотности в уплотненном состоянии: Р1 = γоб1 ·V, где γоб1 — средняя плотность, кг/м3; V— объем фракции, м3.

Количество всех фракций, следующих за наиболее крупной (для размещения в том же объеме V), определяют по формуле:

Pi=(γ – γоб1 )(1– φ2) (1– φ3), …, (1– φ).

Здесь Pi — масса i-той фракции, кг; γ — плотность материала, кг/м3; φ2, φ3 …, φi— коэффициенты заполнения объема межзерновых пустот1.

Имеются и другие формулы для расчета количества фракции y(%), проходящей через сито с ячейками размером di (мм) при размере самой крупной фракции смеси D (мм). Так, по формуле Андреасена у=( di/D)0,5 ·100; например, для фракции di = (0,2—0,1) мм и при D = 3 мм y = (0,15/3,00)0,5·100 = 22%. Для огнеупорных материалов [49] плотная упаковка достигается при использовании формулы: у = [α + (1 – α) (di/D)n]·100 (%), где α — коэффициент, зависящий от свойств массы и содержания в ней тонкомолотого компонента (находится в пределах 0 < α < 0,4); п — показатель степени, характеризующий распределение узких фракций внутри грубозернистой и тонкозернистой составляющих в смеси, равный 0,5—0,9. Так, например, если D = 3,0 мм, di = 0,06 мм, а коэффициент α = 0,31, то y = 0,31·(1 – 0,3)·(0,6/3,00)0,5 = 42%. Оптимальное значение величин α и п при заданном D находят опытным путем.

Если крупные частицы, например щебня и гравия, сближены в такой мере, что контактируют непосредственно друг с другом или через тонкие прослойки вяжущего вещества, то сформировавшаяся структура называется контактной. Если частицы разде- лены прослойками вяжущего вещества значительной усредненной толщины, то макроструктуру принято именовать

порфировой. В первом приближении оценить вид структуры можно по коэффициенту упаковки. Под коэффициентом упаковки Ку понимают величину; получаемую делением размера проекции расстояния (рис. 2.11) между соседними крупными зернами (частицами) на плоскость к их диаметрам: Ку - (l - d)/d, где l -проекция расстояния между центрами соседних зерен (частиц); d - диаметр частиц (зерен), для которых вычисляется этот коэффициент, а если частицы (зерна) имеют разный диаметр, то d = r1 + r2, где r1 и r2

— радиусы соседних частиц (зерен). Положительные значения коэффициента упаковки характеризуют порфировую структуру, а отрицательные — контактную структуру. При Ку

1 Баженов П.И. Улучшение качества конгломератных материалов фракционированием заполнителя // Строительные материалы. 1978, 9.

53

= 0 наблюдается соприкосновение частиц друг с другом без зацепления, т. е. без захода их одна за другую.

При максимальной плотной упаковке частиц шарообразной формы и одного диаметра с количеством их 74% по объему коэффициент упаковки равен -0,1. Увеличение количества частиц в конгломерате (например, щебня) приводит к дальнейшему увеличению отрицательной величины коэффициента упаковки, т. е. к большему зацеплению или заходу щебенок друг за друга, что характеризует законтактную структуру. Но на величину коэффициента упаковки влияет не только количество, но и размер крупнообломочных частиц. Чем крупнее зерна, тем меньшее количество щебня требуется для того, чтобы коэффициент упаковки оказался отрицательной величиной.

При оценке характера структуры вместо коэффициента упаковки можно пользоваться числовой величиной отношения объема заполняющей части к объему конгломерата. При отношениях, близких к единице, структура является контактной.

Кроме заполнителя в смесь нередко добавляется порошкообразный материал, частицы которого соизмеримы с размерами частиц используемого в ИСК вяжущего вещества и новообразованиями -кристаллическими, аморфными, кристаллитными и др. Их называют наполнителями.

Заполнители и наполнители могут быть активными, неактивными или малоактивными. К активным принадлежат те, которые при добавлении к вяжущему веществу повышают прочность ИСК оптимальной структуры хотя бы по одному виду напряжений — сжатию, растяжению, сдвигу и т. п.

Упрочнение вяжущего вещества при использовании активного заполнителя (наполнителя) происходит под влиянием дополнительных физико-химических или химических взаимодействий контактируемых веществ или вследствие армирующего эффекта (на- пример, при волокнистых разновидностях заполнителя или наполнителя).

Неактивные или малоактивные разновидности заполнителей и наполнителей не только не способствуют упрочнению оптимальной структуры ИСК по мере увеличения их содержания, но и снижают прочностные характеристики. Степенью активности этих компонентов конгломератной смеси возможно управлять с помощью твердых или жидких активизаторов и ПАВ, обогащением, дроблением округлых (например, гравийных, галечных) зерен, минерализацией (например, при использовании органических заполнителей в сочетании с неорганическими вяжущими веществами), промывкой, рифле- нием, распушкой и т. п. на стадиях подготовительных работ принятого технологического процесса. Ниже (см. гл. 3) приведена формула прочности ИСК оптимальной структуры, в которой числовое значение степенного показателя n достаточно полно отражает качественную характеристику заполнителя и размеры изменения прочностных показателей конгломератов под влиянием используемых способов активизации и уплотнения смеси. Одна из важных технологических задач на производстве — всемерное снижение числового показателя я.

Из изложенного следует, что все ИСК обладают микро- и макроструктурами. Иногда еще при необходимости условно выделяется мезоструктура, т. е. промежуточная по дисперсности частиц между микро- и макрочастицами. Само собой разумеется, что такое подразделение монолитной структуры ИСК является чисто условным. В реальных условиях выделить такие структурные элементы без разрушения монолитности всей системы нельзя. Структура ИСК, тем более оптимальная, составляет единую, неделимую, цельную систему. Однако мысленное выделение отдельных ее частей из монолитной структуры имеет большое методологическое значение, так как позволяет с некоторым приближением моделировать расчетные реологические схемы, соответствующие им математические формулы по определению качественных показателей, которые зависят от физических характеристик упомянутых основных структурных элементов. На технологической стадии изготовления ИСК условное разделение структуры на две-три части может быть использовано и для практических целей, например при выполнении

54

операций так называемой раздельной технологии, когда приготовленную вяжущую часть определенного состава соединяют с помощью совместного перемешивания с подготовленной отдельно заполняющей частью1. Однако, независимо от последовательности чередования операций в технологический период с учетом всех их позитивных и негативных особенностей, сформировавшаяся структура после отвердевания вяжущего элемента и ИСК в целом становится монолитной, единой и неделимой.

Неоднократно проводившиеся исследования показали, что при селективном (выборочном) растворении микро- и макроструктурных частей конгломерат либо полностью разрушался, либо почти полностью терял свои качественные показатели. Поэтому иногда используемое выражение для характеристики конгломерата (композиционного материала) как «структура в структуре» можно относить только к комбинированным системам, упомянутым в классификации ИСК (см. рис. 1.1); к ним принадлежат изготовленные ИСК, пропитанные на последующей стадии технологии еще и другим вяжущим веществом с заполнением полостей и образованием второй непрерывной пространственной сетки вя- жущего вещества, например в цементополимербетонах. Образуются две взаимосвязанные структуры, которые возможно не только мысленно, но и практически отделить друг от друга, хотя, естественно, с некоторым ухудшением качества комбинированного конгломерата.

Единая и монолитная структура конгломерата может быть оптимальной и неоптймальной. Оптимальная структура характеризуется: равномерным распределением по объему заполнителя, фаз, компонентов, пор и других составляющих ее элементов; отсутствием или минимальным содержанием дефектов как концентраторов напряжений или аккумуляторов агрессивной среды; наличием непрерывной пространственной сетки, или матрицы, из вяжущего вещества; минимальным значением отношения массы среды к массе твердой фазы, именуемого условно как фазовое отношение; наибольшей плотностью упаковки твердых частиц как в микро-, так и в макроструктурной частях. Если в материале отсутствуют вяжущие прослойки, то одним из условий оптимальности структуры служит наибольшая поверхность контактирования и взаимосвязи твердых частиц или ее уменьшение, если химические связи, например ван-дер-ваальсовые, не обеспечивают эффективного упрочнения контактов.

Не всегда изделие обладает одинаковой оптимальной структурой во всех своих деталях, например поверхностный слой может отличаться от его внутренней части. Однако оптимальная структура всегда является отражением принятых технологических особенно- стей формирования ее в производственных условиях.

Неоптимальными называют структуры, которые не удовлетворяют хотя бы одному из вышеуказанных обязательных условий оптимальности.

При одинаковой технологии изготовления смеси и изделия, других одинаковых условиях можно получить неограниченное количество неоптимальных структур, гораздо меньше — оптимальных и одну-две — рациональных. К последним относятся оптимальные структуры, при которых конгломерат в полной мере соответствует заданным и притом экстремальным показателям качества, а также реальным параметрам производства. При проектировании важно остановиться на составе, при котором структура, сформировавшая- ся при данной технологии и при принятых режимах, является не только оптимальной, но и рациональной.

Оптимальным структурам соответствуют улучшенные показатели качества материалов по сравнению с неоптимальными структурами. Это улучшенное качество обусловлено повышенной плотностью, минимальным количеством жидкой среды, повышенной концентрацией твердой, например кристаллической, фазы, минимумом объема пор в

1 Раздельная технология в 1920-х годах была впервые предложена д.т.н., проф. П.В. Сахаровым применительно к производству асфальтобетона.

55

контактных зонах и рядом других причин, особенно энергетического характера. При оптимальных структурах свободная энергия Гиббса и свободная энергия Гельмгольца становятся минимальными, так как переходят в более эффективные формы связи.

Втеории ИСК разработан, а в практике используется общий метод проектирования оптимальных составов и оптимальных структур различных безобжиговых и обжиговых материалов (см. гл. 3). С его помощью получают из принятых компонентов материал, удовлетворяющий заданным техническим требованиям при оптимальной структуре, т. е. экстремальным показателям качества.

Достоинство оптимальных структур заключается также в подобии их между собой, что означает, в частности, принципиальную общность закономерности, вскрываемой в отношении какого-либо одного материала. О подобии материалов оптимальной структуры изложено в 3.3.

Внастоящее время уточняются нормативные параметры оптимальных структур и технических свойств взамен устаревших стандартов1.

1 Рыбьев И.А. Типизация параметров взамен устаревших стандартов. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, № 5, 2003.

56

Глава 3

Теория прочности, деформативности и конгруэнции свойств

3.1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При выборе материала и обосновании целесообразности применения в строительной конструкции учитывают его способность сопротивляться реальным нагрузкам без нарушения сплошности и размеров. Одни материалы успешно сопротивляются сжимающим усилиям, другие — растягивающим, которые возникают под действием нагрузки или других силовых факторов. Аналогичная сопротивляемость материалов характерна при воздействии сил, способных вызвать изгиб, сдвиг, раскалывание и т. п. Материал должен надежно сопротивляться этим воздействующим силам при работе конструкции в эксплуатационный период.

Одновременно необходимо, чтобы материал проявлял достаточную стойкость к воздействию физических (например, температуры и ее колебаний, в особенности при переходе ч'ерез 0°С, водной среды и др.) и химических (кислоты, щелочи, солевые растворы и др.) факторов. Нередко одним из главных показателей качества служит спо- собность материала к восприятию технологической обработки, например шлифования, распиливания, раскалывания на части правильной формы и т. п. Следовательно, для обоснованного выбора материала приходится учитывать комплекс его так называемых свойств. Под свойствами строительных материалов понимают их способность определенным образом реагировать на отдельные или совокупные внешние или внутренние воздействия — силовые, тепловые, усадочные, водной или иной среды и т. д. Свойства разделяют на четыре группы: механические, физические, химические, технологические, иногда выделяют еще физико-химические. В совокупности все свойства именуют как технические свойства строительных материалов. Числовые значения свойств получают при лабораторных или полевых испытаниях материалов с помощью соответствующих приборов и аппаратов. Испытания производят с разрушением специально подготовленных образцов или отдельных элементов конструкции или без их разрушения, т. е. адеструктивными методами.

3.1.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства выражают способность материала сопротивляться напряжениям силовым (от механических нагрузок), тепловым, усадочным или другим без нарушения установившейся структуры. Чаще всего напряжение обусловлено внутренней механической силой, а его числовая величина определяется как отношение силы к единице площади. Под внутренней подразумевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону площадки, на частицы, находящиеся по другую сторону этой площадки (рис. 3.1). Расчетом определяют нормальные (перпендикулярные к площадке) и касательные напряжения, выражаемые в размерности «сила/площадь» (МПа).

Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

57

Деформационные свойства характеризуют способность материала к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимыми. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших. Необратимые деформации, или остаточные, называемые также пластическими, накапливаются в период действия этих факторов; после их снятия деформации сохраняются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полностью, называются упругими; исчезающие в течение некоторого времени — эластическими.

Деформации могут быть также сложными — упруго-пластическими или упруго-вязко- пластическими, если достаточно четко выражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эластическая и пластическая части (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Графики зависимости деформаций (ε) от времени (τ) действия нагрузок:

а — упругая деформация; б — упругоэластическая деформация; в — пластическая деформация; г — упругопластическая деформация

На характер и величину деформации влияют не только величина механического нагружения, но и скорость приложения этой нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему характеру

58

приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличения напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползучестью, или крипом.

Явление ползучести выражается в непрекращающемся изменении размера тела (образца) под влиянием 'растягивающих или сжимающих силовых воздействий (напряжений ниже предела прочности) при постоянной температуре (ниже .температуры плавления). Ее обычно выражают в единицах скорости деформации, т. е. как относительное изменение размеров образца (в мм) за время (в ч): τ= (∆l/l)·(1/ τ), где ∆l — линейное изменение образца, мм, за время τ, ч; l — начальная длина, мм.

Деформационные свойства строительных материалов, как и других тел, обусловливаются периодом, или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например, из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время, или период, релаксации определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снизилась в е раз (е — основание неперовых логарифмов, равное 2,718...). Так, например, если у материала в виде образца напряжение было равно 5,0 МПа, а возникшая деформация под влиянием этого напряжения была жестко зафиксирована, то время (θ с), за которое напряжение самопроизвольно снизилось до величины 5,0:2,718 = 1,85 МПа, называется временем, или периодом, релаксации, выражаемым в секундах или минутах. Эта величина — важная характеристика строительных материалов: чем она меньше, тем более деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испытания и скорости приложения нагрузки, являясь непостоянной величиной.

При весьма малой продолжительности (τ с) действия сил (или кратковременном наблюдении) по сравнению с величиной времени релаксации (τ << 6) все материалы (тела) ведут себя как упругохруп-кие тела и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их сплошности. Однако наиболее типичным случаем деформации хрупких тел (материалов) является отсутствие структурных изменений, а упругая энергия, затрачиваемая на деформацию, не успевает рассеиваться под влиянием релаксационных процессов. У упругохрупких тел возможно накопление малой упругой энергии, а за счет местных разрушений структуры происходит частичная релаксация напряжений. Приближенным значением меры хрупкости служит ψ = εy/εпред и при ψ = 1— 0,8 разрушение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.

При очень длительных (τ >> 9) наблюдениях за действием нагрузки (по сравнению с временем релаксации) материал подобно жидкости течет. При очень коротких наблюдениях (по сравнению с временем релаксации) даже жидкий материал проявляет хрупкость твердого кристаллического тела. Так, например, при весьма коротком времени действия силы на воду, время релаксации которой равно порядка 10-11 с, она ведет себя как кристаллическое твердое тело; при весьма длительном периоде действия сил (или наблюдения) природный камень в виде горных пород, время релаксации которого равно 1010 с, ведет себя как текучая жидкость. Но эти крайние условия не встречаются в практике строительства и эксплуатации конструкций зданий и сооружений, поэтому вода всегда кажется жидкой, а камень — твердым. Однако многие материалы остаются весьма чувствительными к различию между временем действия нагрузки и временем релаксации,

59

особенно при повышенных температурах, когда процесс релаксации напряжений в некоторых материалах заметно интенсифицируется, особенно при местных (локальных) перенапряжениях в материале.

Кроме времени релаксации, в расчетах пользуются коэффициентом у релаксации, показывающим долю спада напряжений за определенный период времени: ψ = στ/σ0, где στ

— напряжение в момент времени τ при постоянной деформации; σ0 — начальное напряжение.

Коэффициент релаксации позволяет расчетным путем определить релаксационную характеристику с помощью опытных значений деформации ползучести, точнее — скорости ползучести, получаемых менее трудоемким измерением, чем релаксации напряжений. С некоторым приближением к опытным данным можно воспользоваться зависимостью: ln ψ = -φ , где φ — коэффициент ползучести, равный ετ/ε0 = Е0/εS; ετ — деформация ползучести в момент времени τ при постоянном напряжении σ0; ε0 — начальная упругая деформация, равная σ0/Е0; Е0 — начальный модуль упругости, равный σ0/ ε0; εS — удельная деформация ползучести в момент времени τ, равная ετ/ σ0.

Прочность характеризует способность материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений.

Типичными прочностными характеристиками служат предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упругости соответствует

напряжение материала при максимальной величине упругой деформации; пределу теку- чести — постоянное напряжение при нарастании пластической деформации; пределу прочности — максимальное напряжение в момент разрушения материала (рис. 3.3). Эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки (табл. 3.1). При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала. Даже сравнительно малые величины напряжения (например, от собственной массы) могут вызвать ползучесть и заметное ухудшение структуры с потерей прочности. Нередко измеряют длительную прочность материала не только при статической (неподвижной), но и динамической нагрузках. Материал может резко терять свою прочность после приложения к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность материала называется усталостной и определяется специальным испытанием образцов.

60