STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

3.1.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Технологические свойства выражают способность материала к восприятию технологических операций, выполняемых с целью изменения его формы, размеров, характера поверхности, плотности и др. Эти свойства определяются числовыми значениями или визуальным осмотром с оценкой способности материала к формуемости (жесткие, пластичные и литые смеси), раскалываемости, шлифуемости, полируемости, дробимости, гвоздимости (удерживанию гвоздя при силовых воздействиях) и другим показателям технологических качеств. Для оценки свойств разработаны и, как правило, стандартизированы специальные методы и приборы, установлены определенные температурные условия для испытаний, скорости нагружения образцов и т. п.

Строительные материалы и изделия обладают многообразными свойствами, между которыми имеются не только различия, но и теснейшая взаимосвязь. Она нередко позволяет оценивать качественные показатели по другому свойству или комплексу других свойств того же материала. Так, например, на рис. 3.4, а показана зависимость теплопроводности от средней плотности органических и неорганических материалов разной влажности, а на рис. 3.4, б — зависимость предела прочности при сжатии от средней плотности известняков в сухом состоянии. Этим и другим аналогичным графи- ческим зависимостям могут быть приданы математические выражения в виде эмпирических формул с определением по ним числовых значений свойств, если заданы или известны другие.

Закономерная связь между пределом прочности (R) и величиной средней плотности (ρ0) используется для оценки эффективности материала в конструкциях вычислением условного коэффициента конструктивного качества (ккк) по формуле: ккк = R, кг/см2/ρ0, кг/м3. Он равен: у стали 0,5, у древесины — 0,7, специальной стали — 1,2, пластмассы — 0,5—2,5, кирпича керамического — 0,05—0,1, ситалла — 2,5—5,0. Чем выше ккк, тем выше техническая эффективность материала, выше качество его в конструкциях.

Четко выраженная закономерная взаимосвязь структурочувствительных свойств производится при оптимальных структурах. Экстремумы числовых значений этих свойств размещаются практически на одной прямой линии в плоскостной системе координат «свойства — структурный показатель», образуя общий створ из экстремумов свойств. Такая закономерность получила название закона створа (см. гл. 3.2).

71

Рис. 3.4. Зависимость теплопроводности от средней плотности материалов различной влажности; I —2%, II—3,8%, III— 8%, IV — 11% (а) и зависимость предела прочности при сжатии от средней плотности известняков в сухом состоянии (б)

72

3.1.5. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ

Качество материалов оценивают совокупностью числовых показателей технических свойств, которые были получены при испытаниях соответствующих образцов. Существуют стандарты, устанавливающие для .большинства материалов и изделий обязательные методы испытаний.

На продукцию, имеющую межотраслевое значение, разрабатываются Государственные стандарты (ГОСТы) Российской Федерации. Они содержат требования к безопасности этой продукции для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества, а также пожарной безопасности. Кроме того, в них приводятся основные показатели и методы контроля качественных характеристик материала. Нередко в ГОСТе сообщается классификация материала по одному или нескольким признакам. Указываются конкретные числовые зна- чения свойств с маркировкой выпускаемой продукции, правила приемки и хранения материала, допуски и посадки изделий.

Кроме государственных имеются стандарты отраслевые, разрабатываемые министерствами на свою продукцию, — материалы или сырье сравнительно ограниченного ассортимента и применения. Существуют стандарты на строительные материалы, выпускаемые отдельными предприятиями. Они обязательны для данного предприятия (фирмы) при доставке продукции по договору. Имеются стандарты научно- технических, инженерных обществ и других общественных объединений. Стандарты (ГОСТы) периодически обновляются на основе последних достижений науки, техники и технологии. Они имеют силу закона, т. е. их категорически запрещено нарушать. Они не являются объектом авторского права (ст. 6 Закона о стандартизации).

Большинство строительных материалов, применяемых для несущих конструкций и работающих под влиянием статических или динамических нагрузок, маркируют с учетом их реальных прочностных показателей. Для теплоизоляционных, гидроизоляционных, акустических и некоторых других материалов принимают с целью маркировки не прочностные, а другие физические свойства — теплопроводность, водонепроницаемость, морозостойкость, среднюю плотность и т. п.

При окончательном выборе материала для строительного объекта большую роль играет экономический показатель. При одинаковом качестве стремятся выбрать материал самый дешевый и доступный по его запасам в регионе строительства, особенно, если он местный, но с учетом, конечно, транспортных расходов, а также вероятной эксплуа- тационной стойкости (долговечности) в конструкциях.

Удовлетворение всех необходимых технических требований, отмеченных ранее, является обязательным условием выхода строительного материала хорошего качества. Однако этого условия недостаточно для выхода материала высшего качества. Тогда потребуется, чтобы те же числовые показатели свойств были равны экстремальным значениям их при оптимальных структурах. Высшее качество выпускаемой продукции служит первым и основным критерием прогрессивных технологий в строительном материаловедении (см.

гл. 6).

73

3.2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРИ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ ИСК

Под влиянием многообразия комбинаций микрочастиц в пространстве, или комплекса этих комбинаций, формируются материалы, которые отличаются между собой типом связей, порядком сцепления частиц и свойствами. Возможны изменения установившихся сочетаний и отношений частиц или их комплексов под влиянием температурных отклонений, изменений в величинах внешних давлений или других внешних факторов, что отражается на устойчивости равновесия структуры и числовых значений свойств. При каждом отклонении, возникшем в структуре материала, наиболее быстрому изменению подвержены механические свойства. Однако, нелегко установить и, тем более, выразить в конкретной или абстрактно-логической форме характер установившейся зависимости между структурой и свойствами. Одному и тому же показателю свойств, например величине предела прочности, могут соответствовать различные микро- и макроструктуры материалов, а одному и тому же структурному показателю — разные прочностные или другие свойства (рис. 3.5). Следует отметить, что и результаты испытаний при так называемых «равных» условиях опыта значительно отличаются между собой. Чтобы установить прямую или обратную взаимозависимость (корреляцию) между качественными и структурными показателями, необходимо сравнивать их не при «равных», а соответственных условиях, когда структуры — оптимальные, а материалы (ИСК) становятся подобными друг другу. В оптимальных структурах частицы не только равномерно распределены в объеме материала, особенно на микроуровне в кристаллических решетках, но и на расстояниях, при которых силы притяжения и отталкивания равны между собой, а величина их равнодействующей равна нулю, что характерно для равновесного состояния атомов в решетке. Энергия принимает минимальное значение (рис. 3.6), вследствие чего система (материал) обладает относительно устойчивым равновесным состоянием, положительно влияя на стабильность показателей свойств. Последние при оптимальных структурах принимают экстремальные значения. Следует, однако, учесть, что равновесное состояние может быть не только устойчивым, подобно состоянию частиц в кристалле, но и неустойчивым, как, например, состояние частиц в кристаллитах и гелях. В твердых телах пребывание частиц в неустойчивом равновесии может продолжаться неограниченное время.

Рис. 3.5. График зависимости между структурными и качественными показателями материалов (линия АВ характеризует снижение прочности бетона при повышении его пористости. Линия CD характеризует снижение прочности камня при повышении его пористости. Видно, что при равной пористости П1 проч- ность бетона может быть выше прочности камня и что при равной прочности R1 пористость камня меньше, чем бетона)

74

Рис. 3.6. Общий характер сил Р и энергии U взаимодействия в зависимости от расстояния между частицами (а) и результирующая сила (б):

1 — силы притяжения возрастают с уменьшением расстояния r; 2 — силы отталкивания быстро возрастают с уменьшением r; 3 — результирующая сила. При r=r0 сила P=0, а энергия взаимодействия Uc→min

Характер оптимальной структуры зависит от состава и технологии изготовления конгломерата. В природных условиях он связан с генетическими процессами, за- кономерное течение которых нередко нарушается стихийными факторами. С изменением технологических или генетических условий оптимизация структуры наступает при иных соотношениях компонентов, новом вещественном составе конгломерата.

Строительным материалам с оптимальной структурой присущи определенные закономерности в формировании и сохранении структурочувствительных свойств. Эти закономерности именуют как законы оптимальных структур. Известно, что под законом понимается существенная, устойчивая, необходимая (т. е. неслучайная) связь и взаимная обусловленность явлений и процессов. Законы оптимальных структур выражают внутреннюю связь и взаимообусловленность свойств и структурных параметров материала. Они распространяются на разнородные по составу и технологии изготовления материалы и, подобно другим многим законам, имеют объективный характер. Последнее указывает на то, что в аналогичном выражении они имеются также и в природе. Человек стремится познать их в природе и использовать в своей практической деятельности.

75

3.2.1. ЗАКОН СТВОРА1

Закон створа устанавливает: оптимальной структуре соответствует комплекс экстремальных значений свойств. Его можно выразить и как соответствие комплексу наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств конгломерата оптимальной структуры. На рис. 3.7 закон створа представлен графически в прямоугольной плоскостной системе координат «свойства — структурный фактор». Еще полнее он изображается в пространственной системе координат с отложением: на оси абсцисс 0-(с+ф) — одной из структурных характеристик, например содержания среды, фазового отношения, толщины (абсолютной или относительной) пленки среды в свежеизготовленном материале и др.; на оси аппликат 0-(П+Щ) — содержания вяжущего или заполнителя, в % по массе; на оси ординат O-R — значений одного или нескольких технических свойств (рис. 3.8).

Рис. 3.7. Графическое выражение закона створа:

1 — средняя плотность; 2 — экономическая эффективность; 3 — пределы прочности; 4 — морозостойкость; 5 — внутреннее сцепление; 6 — упругоэластические свойства; 7 — ползучесть; 8 — подвижность;9 — коэф- фициент выхода смеси

Полученные по экспериментальным данным графические зависимости в системе координат на плоскости или в пространстве для числовых значений каждого свойства, непосредственно связанного со структурой, имеют характер экстремальных кривых. В них имеются две ниспадающих или возрастающих ветви с максимумом или минимумом числовых значений свойств между ними. Последние практически размещаются на одной прямой линии, т. е. в общем створе.

Все точки экстремумов данного свойства отражают структуру, при которой удовлетворяются необходимые требования ее оптимальности: равномерное расположение частиц, минимум дефектов; непрерывность слоя вяжущего (или среды) при минимальной его толщине с минимумом фазового отношения (с/ф→min). Очевидно, что другие точки

1 Рыбьев И.А. Открытие закона створа, его сущность и значимость // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI в. 1999. 3-4.

76

правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответствуют совокупности условий оп- тимальности структуры.

Из графиков видно, что неоптимальных структур гораздо больше, чем оптимальных, поскольку на каждой экстремальной кривой имеется только один экстремум показателя свойств, тогда как на ветвях этой кривой, справа и слева от экстремума, имеется бесконечное множество точек и каждая из них не соответствует условиям оптимальной структуры.

Вместе с тем линия МN, соединяющая вершины отдельных экстремальных кривых, представляет собой непрерывную систему оптимальных структур и им соответствующих створов с определенными комплексами экстремумов свойств. Для конкретных строительных целей выбирается тот створ, который удовлетворяет основным показателям качества материала по техническому проекту здания или сооружения, конструкции или ГОСТа. Выбору необходимого створа помогает общий метод проектирования опти- мальных составов ИСК. В кратком изложении он приводится ниже (см. 3.4).

У природных материалов, например горных пород (камня), такого рода непрерывно сменяющиеся системы оптимальных структур встречаются реже. Для них более частым является формирование отдельной оптимальной структуры какого-либо камня. И тогда для такой породы (песчаника, известняка и др.) действуют общие закономерности изменения свойств, аналогичные тем, которые отмечались в отношении ИСК: по мере увеличения пористости как структурного показателя снижается величина упругих деформаций, прочности, средней плотности и других свойств. Закон створа в отношении природных материалов (горных пород, минералов, древесины) действует так же, как у ИСК, т. е. он является объективной закономерностью.

Возможно обратное действие закона створа: если материал обладает одним или большим количеством экстремальных значений свойств, непосредственно отражающих его структуру, то она, следовательно, оптимальная. Нередко достаточно и одного экстремума свойств, например максимума той или иной прочности, чтобы судить об оптимальности структуры материала.

Закон створа является следствием воздействия физических, физико-химических и технологических факторов и явлений.

Физическая природа явлений, обусловливающих действие закона створа, состоит в том, что при оптимальных структурах наступает уравновешивание сил притяжения и отталкивания между структурными микрочастицами. Вследствие этого значения сво- бодной энергии Гиббса и свободной внутренней энергии Гельмгольца становятся минимальными. И тогда в данных условиях возникает равновесная система, устойчивая или иногда может быть и неустойчивая, но стабильная в течение длительного времени. Чем полнее в технологический (или генетический у горных пород) период была израсходована свободная энергия с переходом ее в энергию связи между микрочастицами, тем ярче выступают экстремумы свойств как функции энергии. Положение экстремума обусловлено также минимумом микропор или других микродефектов в структуре.

77

Рис. 3.8. Изменение прочности ИСК в пространственной системе координат

Физико-химическая природа закона створа связана с поверхностной энергией, возникающей в результате дробления и измельчения исходных твердых материалов, а также под влиянием некоторых других технологических операций, например введения добавок, нагрева. Увеличение дисперсности частиц и поверхностной энергии, равной произведению прироста поверхности на величину поверхностного натяжения, повышает активность компонентов к процессам структурообразования. В соответствии с принципом Гиббса-Кюри ускоряется выделение из растворов и расплавов новой, например кристаллической, фазы. Процесс же роста концентрации кристаллической фазы обуславливает упрочнение материала, повышение плотности и улучшение качественных показателей, что при оптимальных структурах приводит к возникновению комплекса экстремальных показателей свойств.

Технологическая природа закона створа (у искусственных) или генетическая природа его (у природных материалов) заключается соответственно в принудительном создании или формировании естественным путем структуры, которая характеризуется минимальным содержанием микро дефекте в, минимумом капиллярных пор, способных удерживать инородный ингредиент (например, влагу), оптимальной плотностью. Общий метод проектирования оптимальных составов и структур материалов обеспечивает не только заранее заданный комплекс требуемых свойств, но и их экстремальные числовые значения. Реализация запроектированного состава в технологическом процессе позволяет получать материал оптимальной структуры и на уровне заданных показателей свойств, наиболее выгодный по экономической эффективности. Последнее следует, в частности, из того, что эффективность входит в створ наилучших показателей качества материала, становясь при оптимальной структуре как бы материализованной оценкой экономической эффективности.

Закон створа позволяет создавать новые материалы со строго заданным набором и уровнем показателей свойств, улучшать качество традиционных, решать другие практические задачи.

78

3.2.2. ЗАКОН И ФОРМУЛЫ ПРОЧНОСТИ ИСК ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

Общий закон прочности ИСК оптимальной структуры устанавливает, что произведение прочности (в любых показателях) конгломерата оптимальной структуры на фазовое отношение его вяжущего вещества в некоторой степени есть величина постоянная: Rиск·(с/ф)n = const. Эта закономерность может быть выражена и в отношении некоторых других свойств, чувствительных к изменениям в структуре. И тогда закон устанавливает, что произведение числовых значений функциональных свойств искусственных строитель- ных конгломератов оптимальной структуры на степенную функцию фазового отношения его вяжущего вещества является величиной постоянной. Как отмечалось ранее, под условным выражением «фазовое отношение» понимается величина отношения массы среды к массе твердой высокодисперсной фазы в свежеизготовленном материале. Под постоянной величиной в законе прочности (и других свойств) имеется в виду произведение R*·(с*/ф)n, что указывает, в частности, на динамичный характер закона, зависимый от качества вяжущего вещества и технологии, принятой на производстве.

В непосредственной связи с законом прочности находятся и формулы для определения прочности конгломерата оптимальной структуры. Они следуют из анализа соответствующих графических зависимостей, наиболее четко выраженных в пространственной системе координат (см. рис. 3.8). Из графика на плоскости x—y видно, что

k R*

Rиск = 1xn в , (3.3)

на плоскости y—z видно, что

(c + ф)m

а на плоскости x—z —

пористость сухой смеси вяжущего вещества, %; px — пористость вяжущего вещества оптимальной структуры, равная обычно 2—3 %; b — показатель степени, равный 0,85— 1,15. Учитывая относительно большую величину p0 и малую px в экстремальной точке вяжущего вещества, значение k1 практически приближается к единице, и поэтому нередко в формулах прочности коэффициент опускается, а в расчетах не учитывается (в плотных

ИСК); x — отношение фазовых отношений, т.е. x = с/ ф . Показано, что это отношение

с* / ф

по величине адекватно отношению осредненных толщин (δ, δ *) пленок среды соответственно в вяжущем веществе конгломерата и в вяжущем веществе оптимальной структуры (в свежеизготовленных материалах). Действительно,

где ν и ν* — объемы среды в вяжущем веществе соответственно конгломерата и при с*/ф; Sсум и S*сум — суммарные поверхности твердой фазы ф в вяжущем веществе конгломерата

79