3.2.4. Деформационные свойства иск оптимальной структуры

От искусственного строительного конгломерата, работающего в несущих конструкциях зданий и сооружений, требуется, чтобы до­статочная механическая прочность сочеталась с деформационной устойчивостью, т. е. с его способностью противостоять возникнове­нию и развитию необратимых деформаций (пластических, ползучести) или появлению и росту микротрещин. Деформационная устой­чивость проявляется в затухающем характере процесса формирования деформаций, в релаксационной способности материала, с повы­шением которой более интенсивно снимаются напряжения, возника­ющие под влиянием внутренних и внешних факторов — эксплуата­ционных нагрузок и собственного веса конструкции, тепловых и усадочных явлений. Имеются многочисленные примеры, когда кон­гломератный материал, обладая достаточной прочностью, прове­ренной по расчетным нагрузкам, преждевременно разрушается вследствие недостаточной деформационной устойчивости, появле­ния и развития необратимых деформаций. Чрезмерно большое вре­мя (или период) релаксации, превышающее на несколько десяти­чных порядков периоды наблюдений или действия нагрузки, влияет на повышение хрупкости материала с возможным образованием трещин.

Наиболее деформационно-устойчивыми являются те конгломе­раты, которые характеризуются высокими значениями упругих и упруго-эластических деформаций в области определенного интерва­ла температур и реального их перепада в конструкции. Упруго-элас­тические материалы характеризуются показателями эластично­сти — процентной долей спадающей деформации за определенный период времени (например, 5, 10, 30, 100 мин или больше) после их разгружения от нагрузки Р, равной по величине предельному напря­жению сдвига, или какой-либо иной силовой нагрузки. Показатель эластичности выражается:

(3.14)

где ε₀ — деформация сдвига (или другого характера), возникшая за время то под нагрузкой Р; ε_τ — деформация, оставшаяся после упру­го-эластического восстановления в течение выбранного периода вре­мени τ₁, когда нагрузка была снята (jP = 0).

По величине показателя эластичности ИСК условно разделяют на высокоэластичные, когда спад деформации наступает быстро, и низкоэластичные, при медленном спаде возникшей под нагрузкой деформации и после ее удаления. Очевидно, что, если материал в конструкции подвержен воздействию циклических нагружений и пе­риод между нагружениями (период «отдыха») будет соизмерим с продолжительностью спада низкоэластической деформации, то часть деформации сохраняется до нового цикла. С новым приложе­нием нагрузки накапливается величина не спавшей части эластиче­ской деформации, и она постепенно может перерасти в необрати­мую, что создает предпосылки к деструкции материала и разрушению конструкции. В этом смысле любая деформация, в том числе и упругая, влечет за собой предрасположение структуры к по­вреждению, развитию в ней дефектов и даже микрощелей, к длите­льному процессу разрушения. Прорастание микрощелей ускоряется по мере увеличения деформаций от многократного повторения (тем более при вибрационном характере нагружения) деформирования с переходом на конечной стадии в опасную трещину и разрушение.

Наибольшей упруго-эластической частью деформаций обладают вяжущие вещества при фазовых отношениях, равных с*/ф, т. е. когда их структура оптимальная. На графике в системе координат ε_уэ(с/ф), как и для прочностной зависимости, наблюдается максимум (рис. 3.12). Слева и справа от максимума ε*_уэ располагаются вяжущие вещества тех составов, при которых упруго-эластические деформа­ции имеют меньшую величину.

Наименьшей величиной необратимых деформаций обладает вя­жущее вещество при с*/ф, а слева и справа от минимума располага­ются те вяжущие вещества, у которых необратимые деформации бы­стро возрастают, например при использовании органических связующих материалов.

Снижение упруго-эластических и увеличение необратимых де­формаций в левых ветвях кривой при значениях с/ф < с*/ф происхо­дит вследствие возрастания пористости и дискретности пленки сре­ды на частицах твердой фазы вяжущего вещества. Необратимые деформации ИСК, у которых составы размещаются левее экстрему­ма, носят квазипластический характер.

Снижение упруго-эластических и увеличение необратимых де­формаций в правых ветвях кривой при значениях с/ф > с*/ф проис­ходит под влиянием возрастающего количества свободной среды (с) в конгломерате.

Рис. 3.12. Схема изменения деформационных свойств вяжущего вещества и конгло­мерата с изменением отношения с/ф:

I—I — линия пластических деформаций e_пл; II—II — линия упруго-эластических деформаций буз; III—III — линия модулей упругости Е, МПа; 1 — вяжущее вещество; 2 — ИСК с нарастающим количеством заполнителя

С постепенным добавлением к вяжущему веществу заполнителя (активного или неактивного) изменения деформаций, как и прочно­стных показателей, имеют экстремальный характер — минимум у необратимых и максимум у упруго-эластических свойств при фазо­вом отношении с/ф, при котором показатель прочности был максимальным (см. рис. 3.12). Чем больше содержится заполнителя в кон­гломерате, тем меньше величина упруго-эластических свойств и больше необратимых деформаций. Если соответствующие экстрему­мы соединить огибающей кривой, то, по аналогии с графиком проч­ности, получится линия, чаще всего в виде касательной к точкам максимумов или минимумов. Следовательно, все точки огибающей кривой обусловлены оптимальным составом конгломератов. Каж­дой точке кривой соответствует максимум прочности и упруго-элас­тических деформаций, но минимум пластических деформаций. Та­кое сочетание механических свойств является всегда наиболее желательным в отношении ИСК, используемых в строительных кон­струкциях зданий и сооружений. Точки на правых и левых ветвях кривых не обладают таким благоприятным сочетанием прочност­ных и деформативных свойств, а составы в этих точках не являются оптимальными. Структура содержит'дискретность среды или повы­шенную пористость вторичного характера, например, под влиянием испарения части среды.

Огибающая кривая оптимальных составов, при которых в усло­виях принятой технологии обеспечиваются максимальные показате­ли упруго-эластических свойств, может быть с достаточной для практики точностью описана уравнением гиперболического вида, аналогичным уравнению (3.3):

ε_уэ = ε*/χ^S.(3.15)

В формуле показатель степени s определяют подобно тому, как пока­затель степени п в формуле (3.3).

Если величину напряжения, соответствующего прочности ИСК, разделить на относительную упругую деформацию, то получаемые значения модулей упругости можно нанести на общий график в сис­теме E(с/ф). С увеличением количества заполняющей части в конг­ломерате и соответственно с увеличением фазового отношения вя­жущего вещества в нем снижается величина модуля упругости, т. е. конгломерат становится менее жестким.

Деформативность и модуль упругости, от которых зависит пол­ная деформационная устойчивость ИСК, непосредственно связаны, как и прочность, со структурой материала. При этом, чем в боль­шей мере структура вяжущего вещества соответствует коагуляционной, тем более типичными являются необратимые деформации, ниже показателя прочности и модуля упругости. С увеличением в вяжущем веществе кристаллизационной фазы возрастает доля упру­гой или упруго-эластической деформации.

При постоянной структуре характер деформации обусловлен ве­личиной напряжения и продолжительностью напряженного состоя­ния, релаксационной способностью конгломерата. Последняя, в свою очередь, зависит от фазовых соотношений, содержания вяжу­щего и заполнителя, его разновидности, т. е. от структуры и отдель­ных структурных элементов.

Обобщая формулы (3.3) и (3.15), можно сформулировать общую закономерность механических свойств ИСК.

Рис. 3.13. График соответствия показателей качества ИСК в створах I—I и II—II

заданному уровню III—III

Общие и объективные законы оптимальных структур не изоли­рованы друг от друга, а взаимосвязаны в единую систему, и их обычно используют в совокупности, например при проектировании составов смесей или при разработке новых конгломератных матери­алов и технологий их изготовления. Важно, чтобы получаемые про­ектные составы обеспечивали при данной технологии оптимальную структуру, а технические свойства строго соответствовали не только уровню заданных показателей, но и их экстремальным значениям (рис. 3.13), т. е. не участку abc, а экстремуму d. В точках «δ» избыток показателя качества должен быть обоснован экономическим расче­том и эксплуатационными данными.