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.

 

3.2.1. ЗАКОН СТВОРА [17]

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 — коэф­фициент 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 правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответ­ствуют совокупности условий оп­тимальности 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 опти­мальных 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 сво­бодной 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.

 

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.