4.4. Теоретические расчеты долговечности и принятые в них ограничения

Согласно закону конгруэнции, между вяжущим веществом и конгломератом на его основе существует при оптимальных структу­рах обязательное соответствие свойств. Обеспечение условий, при которых создается необходимая долговечность вяжущего вещества оптимальной структуры, в значительной мере предрешает задачу обеспечения долговечности самого конгломерата. И хотя присутст­вие в ИСК, кроме вяжущего, других структурных элементов (запол­нителя, контактной зоны, пор и др.) вносит свои коррективы, ино­гда значительные, в долговечность, все же эти коррективы принципиально не изменяют характер основной зависимости между долговечностью ИСК и его вяжущей частью при оптимальных структурах. Для строительных конгломератов эта зависимость мо­жет быть выражена формулой:

(4.1)

где τ_T,σ — долговечность конгломерата оптимальной структуры, опре­деленная при температуре Т и напряжении σ; τ*_T,σ —долговечность вя­жущего вещества оптимальной структуры при тех же условиях ее определения, что и конгломераты; х — отношение фазовых отноше­ний в вяжущем веществе ИСК и в вяжущем веществе оптимальной структуры, т. е. (с/ф)/(с*/ф); n — комплексный показатель степени, от­ражающий нелинейность зависимости долговечности от фазового от­ношения вяжущего вещества в конгломерате и обусловленный разновидностью и характеристикой заполнителя, а при отсутствии его — величиной поверхности раздела фаз; как правило, показатель n является положительной величиной и, следовательно, τ < τ*.

Долговечность вяжущего вещества τ* как микродисперсной мат­ричной части конгломерата может быть выражена на участке кри­вой 3 (рис. 4.1) формулой, принятой в кинетической теории прочно­сти и развитой в работах С.Н. Журкова:

(4.2)

где τ₀ — кинетическая постоянная, характеризующая материал; γ — структурный коэффициент (кДж/моль∙МПа); σ_t — расчетное напря­жение при температуре t, МПа; k — постоянная Больцмана, как отно­шение универсальной постоянной к числу Авогадро: k = R/N_A; T — абсолютная температура по шкале К; τ₀, и₀, γ — постоянные величи­ны, зависящие от природы и структуры материала.

Числитель экспоненты и₀ - γσ_t имеет размерность энергии и на­зывается энергией активизации процесса разрушения, обозначае­мой и. Поэтому можно записать:

(4.3)

или нередко формулу (4.3) записывают в виде:

(4.4)

Подставляя то или иное выражение τ * в формулу (4.1) долговеч­ности конгломерата, можно написать, что

(4.5)

или, что то же,

(4.6)

Формулы (4.5) и (4.6) долговечности учитывают действие только механических напряжений — от момента нагружения до момента разрыва материала, но не учитывают воздействия агрессивной сре­ды¹. Они не учитывают также возможного упрочнения и стабилиза­ции структуры в эксплуатационный период, поэтому остаются пока недостаточно полными.

4.5. Некоторые вопросы надежности материала в конструкциях

Более широким и емким свойством ИСК и качеством конструк­ций из них, чем долговечность, является надежность. Она тоже вы­ражает комплексное свойство материала или системы, но содержит в своей характеристике большее количество критериев: безотказ­ность, сохраняемость, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность — свойство конгломерата (системы) сохранять работоспособность в течение определенного или возможно более длительного времени без вынужденных перерывов на ремонт, или замену забракованного в конструкциях изделия и т.,д. Показателем этого свойства служит вероятность безотказной работы материала, оцениваемой числовой величиной возможности появления случай­ного обстоятельства (события) с нарушением безотказности работы. Отказом называют потерю работоспособности материала (системы) вследствие недопустимого изменения структуры и свойств под влия­нием внешних воздействий и внутренних процессов.

Сохраняемость — свойство конгломерата (системы) сохранять приданные ему в технологический период качественные характери­стики на стадиях хранения, транспортирования и последующего времени, обусловленного технической документацией. Это свойство количественно оценивается продолжительностью хранения и транс­портирования до возникновения неисправности.

Долговечность — комплексное свойство, количественно выража­емое продолжительностью эффективного сопротивления сложному воздействию внешних и внутренних факторов в эксплуатационный период работы материала (см. 4.1) до соответствующего критиче­ского уровня.

Ремонтопригодность — свойство материала, выражающееся в способности к восстановлению неисправности, обнаруженной вследствие отказа. Показателем ремонтопригодности служит сред­няя продолжительность ремонта на один отказ данного вида, а так­же трудоемкость и стоимость устранения случайных дефектов, при­ведших к отказу.

С теоретических позиций за основной исходный принцип надеж­ности ИСК принимают оптимальную структуру при условии прави­льно принятых компонентов, технологических параметров и режи­мов. Оптимальная структура, созданная с учетом эксплуатационных условий работы материала в конструкции, обеспечивает формиро­вание повышенного ресурса как меры вероятности пребывания ма­териала (системы) в безотказном состоянии: чем полнее прошла оп­тимизация структуры, тем выше ресурс; чем дальше реальная структура находится от оптимальной, тем меньшим ресурсом обла­дает ИСК, выше вероятность и ближе появление отказа.

Одним из числовых критериев оптимальных структур, как было показано выше, служит величина А в уравнении (3.15). Если А = 1, то структура — оптимальная, параметр А становится индикатором подобия, интенсивность отказов — наименьшая и равна λ₀, время между двумя соседними отказами — наибольшее и равно τ₀ = 1/ λ₀. Если А ≠ 1, то структура — неоптимальная и поэтому интенсив­ность отказов λ нарастает тем в большей мере, чем дальше отстоит реальная структура от оптимальной по соответствующим критери­ям оптимальности. Время между двумя соседними отказами τ < τ₀ и с ростом интенсивности отказов быстро уменьшается, поскольку τ = 1/λ. Таким образом, с увеличением или уменьшением индикато­ра А, по сравнению с его величиной, равной единице при оптималь­ной структуре, уменьшаются и ресурсы. Но вместе с тем следует учесть, что технологически полученная оптимальная структура в да­льнейшем сохраняет тенденцию к непрерывному изменению под влиянием совокупности факторов, складывающихся при транспор­тировании, монтажных и других строительных работах и, главное, в эксплуатационный период с возможным проявлением временных элементов долговечности (см. 4.2), в том числе и упрочнения струк­туры, а следовательно, ростом ресурса, а также с деструкцией, т. е. снижением ресурса. В каждый данный момент времени отмечается неустановившийся уровень ресурса и его колебания вплоть до веро­ятности первого отказа. По аналогии с принципами Л. Больцмана (S = k∙lnW, где S — энтропия, W— термодинамическая вероят­ность, k — постоянная величина) можно, по-видимому, выразить и ресурс надежности: r = lnW. Это следует после логарифмирования уравнения справедливого для системы, сохраняющейся безотказной в течение времени τ от момента начала его отсче­та при τ = 0.

Отсюда следует, что чем прогрессивнее технология или отдель­ные ее переделы в процессе производства ИСК, чем полнее исполь­зованы способы упрочнения и стабилизации структуры, торможе­ния деструкционных явлений, чем больше структура приведена в состояние устойчивости и равновесности с меньшей сохранившейся внутренней и поверхностной свободной энергией, тем выше ресурс как функциональная мера надежности избежать первого и последу­ющих отказов, т. е. выше безотказность, сохраняемость, долговеч­ность конструкции, изготовленной из этого ИСК, применительно к данным эксплуатационным условиям.

И тем не менее, хотя ресурс и выступает в качестве функциональ­ной меры надежности, он за больший или меньший период эксплуа­тации объекта под влиянием внешних и внутренних факторов, неуч генных в период прогнозирования, может достичь своего минимума. Последнее неизбежно приведет к необходимости срочно­го капитального ремонта строительного объекта, а возможно — и к разрушению объекта или отдельных его конструктивных элементов. Теория ИСК на данном этапе своего развития придерживается дилатонно-компрессонной теории деформирования и разрушения¹. Сущность ее в кратком изложении заключается в следующем.

Атомно-молекулярные частицы системы находятся во взаимо­связи и непрерывном движении. В этом атомно-молекулярном мно­жестве внутренняя энергия распределена случайным образом. Если система представлена упорядоченной, оптимальной и даже кристал­лической структурой, то и тогда возможны флуктуации значений энергии частиц. Значения флуктуации могут быть как меньше сред­ней величины энергии частиц, т. е. отрицательное ее значение, назы­ваемое дилатоном, так и больше средней, т. е. положительное ее значение, называемое компрессоном. Воздействие на систему меха­нических эксплуатационных факторов приводит к новому перерас­пределению внутренней энергии, к прогрессирующему размноже­нию флуктуации обоих знаков, изменению энергетического уровня атомно-молекулярных частиц в системе, нарушению орбит движе­ния, в том числе валентных электронов, порождению ангармонич­ности тепловых колебаний атомов твердого тела.

Атомы могут оказаться в двух принципиально различных крити­ческих положениях: дилатонном и компрессонном. Первое возникает при увеличении доли кинетической энергии за счет уменьшения потен­циальной, что в конечном итоге завершается отрывом атома от узла кристаллической решетки, неограниченным возрастанием площади эллиптических орбит валентных электронов, отрывом их от своих ато­мов с выходом из твердых или жидких тел (электронная эмиссия). Вто­рое положение достигается при преобразовании кинетической энер­гии в потенциальную. При этом энергетический уровень атома опускается, амплитуда ангармонических колебаний уменьшается, эл­липтические орбиты валентных электронов вырождаются в круговые, атом теряет связь с ближайшим окружением. Если первое (дилатон-ное) критическое положение атома сопровождается появлением зна­чительных внутренних усилий и микродеформированием с их перехо­дом в дальнейшем на макроуровень (без механодеструкции), то второе (компрессонное) критическое положение сопровождается потерей связи между атомами, особенно между теми их группами, которые ха­рактеризуются пониженной температурой и высокой плотностью, что может завершаться появлением микроразрушений, чему благоприят­ствуют и рядом расположенные дилатоны. Микродеформирование и микроразрушение с переходом в перспективе на макроскопический уровень находятся как бы в единстве, а разрушение под силовым воз­действием внешних нагружений системы имеет дилатонно-компрессионную природу. Достоверность такого механизма разрушения не­посредственно следует из кинетического уравнения прочности (4.2)¹, поскольку τ₀ и τ — периоды финитного движения атомов в компресси­онном состоянии и на любом другом энергетическом уровне.