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 проч­ность бетона может быть выше прочнос­ти камня и что при равной прочности R₁ пористость камня меньше, чем бетона)

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 U_c→min

Характер оптимальной структуры за­висит от состава и технологии изготовле­ния конгломерата. В природных условиях он связан с генетическими процессами, за­кономерное 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.