Временные элементы долговечности материала

 

Независимо от способа оценки — по изменению свойств или по отклонению структурных параметров от оптимальных — полный период долговечности начинается от момента вступления материала к выполнению своих функций в конструкции до предельно допусти­мого (критического) уровня соответствующего изменения свойств или структуры.

Целый период долговечности условно можно разделить на три этапа или временных элемента (рис. 4.1). Как отмечалось, до начала первого этапа имеется еще предэксплуатационный период, который в основном характеризуется набором и формированием структур­ных элементов и свойств в технологическом процессе. Однако он относительно кратковременный, хотя при длительном хранении го­товой продукции в складских помещениях и, тем более, на откры­тых площадках строительных объектов, возможны изменения при­обретенных в технологический период показателей свойств и структуры. При особо неблагоприятных условиях хранения отдель­ных изделий потребуется внести коррективы в первоначальную оценку качества или структуры перед отправлением их по назначе­нию.

Первый этап долговечности характеризуется упрочнением струк­туры или улучшением показателей свойств; второй — их относите­льной стабильностью; третий — деструкцией, т. е. медленным или быстрым наруше­нием структуры вплоть до ее кри­тического состоя­ния или даже до полного разруше­ния. У отдельных материалов тот или иной этап в периоде долговеч­ности может от­сутствовать, или его продолжите­льность практи­чески принимать­ся равной нулю. Может, напри­мер, полностью отсутствовать вре­менной элемент упрочнения структуры или ее стабильного состояния. Что же каса­ется этапа деструкции, то он почти неизбежен, хотя и не всегда на­блюдается визуально. Гораздо реже деструкция протекает с огром­ной интенсивностью, когда временной элемент становится равным нулю.

 

Рис. 4.1. Схема чередования временных элементов долго­вечности в эксплуатационный период 1 — уровень предельных (критических) значений ключевого структурного параметра; 2 — предэксплуатационный уровень клю­чевых структурных параметров; 3— увеличение продолжительно­сти τ_S торможением деструкции до τ₁₀

 

Задача технологов и строителей заключается в том, чтобы все­мерно увеличить долговечность конструкции и, следовательно, об­разующего ее конгломерата. Эта задача адекватна продлению про­должительности каждого из трех взаимосвязанных временных элементов, особенно этапов упрочнения и стабильности структуры, добиваясь вместе с тем эффективного торможения и удлинения сро­ка деструктивных процессов.

Сущность упрочнения структуры на первом этапе долговечно­сти заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок, инверсии фаз и т. п. в эксплуатационный период в материале, осо­бенно в вяжущей части, а также в контактных зонах, возникают вна­чале на микроуровне, а со временем укрупняются новые (вторич­ные) структурные центры. Совместно с теми, которые возникли на ранней стадии формирования структуры (первичными), они участ­вуют в дополнительном процессе уплотнения структуры с увеличе­нием концентрации той части твердой фазы, которая является основным носителем эффекта упрочнения. В результате не только наблюдается упрочнение структуры и рост прочности материала по отношению к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств. Примером материала с упрочнением структуры в эксплуатационный период может служить цементный бетон и его вяжущая (матричная) часть в виде цементного камня при контакте с водной средой и тем более с щавелевой кислотой. Последняя, про­никая в поры, образует малорастворимые соли и плотные продукты с очень низкой диффузионной проницаемостью. Особенно часто эф­фект упрочнения наблюдается в связи с уплотнением новообразова­ний при взаимодействии углекислого газа с известью в материале; переходом аморфного вещества в кристаллическое. Однако упроч­нение структуры в эксплуатационный период может составить толь­ко тогда положительный эффект, если оно не явилось следствием так называемого «старения». Под последним понимается нередко наблюдаемое явление охрупчивания конгломератов на основе поли­меров за счет химических реакций, или при рекристаллизации с уве­личением в объеме новообразований. Старение переводит материал в состояние хрупкого микротрещинообразования и, в конечном итоге, резкого сокращения долговечности.

Второй этап — стабилизация структуры — характеризуется сравнительно неизменной концентрацией структурных элементов в единице объема материала и относительным постоянством показа­телей свойств. Уровень этих показателей имеет колебания за счет местных процессов упрочнения и деструкции, например за счет кри­сталлизационных напряжений или агрессии внешней среды. Однако в целом сохраняется их сбалансированность на некотором среднем, стабильном уровне (см. рис. 4.1). Впрочем, явления деструкции распространяются и на первый этап упрочнения, но тогда силы разупрочнения сравнительно малы и суммарный эффект остается позитивным.

Третий этап долговечности — деструкция — самый типичный процесс эксплуатационного периода. Он может начаться с первого же этапа эксплуатации конструкции, но может следовать также за упрочнением и стабилизацией структуры. Третий этап характеризу­ется нарушением структуры с возможной потерей ее сплошности постепенным накоплением разрывов межатомных связей. Разрывы возникают под влиянием ускорения теплового движения атомов и молекул, развития механических, усадочных, осмотических и иных напряжений. Установлено, что процесс постепенного повреждения структуры сопутствует каждой, даже самой малой упругой дефор­мации.

Кроме физических, в период деструкции протекают химические и физико-химические процессы, которые именуют как коррозион­ные. В широком смысле коррозия означает разъедание металла или другого материала под влиянием контакта с внешней агрессивной средой, проникания ее в поры и капилляры. Процессы коррозии усиливаются при одновременном воздействии физических факто­ров, если, например, материал находится в напряженном состоянии под влиянием растягивающих или сжимающих усилий, или если вместе с агрессивной средой, например жидкой, материал подвер­жен воздействию отрицательных температур с циклическим замер­занием и оттаиванием жидкой среды в порах. На заключительной стадии деструкция переходит в интенсивный и даже лавинный про­цесс образования опасных микро- и макротрещин, завершается час­тичным или полным разрушением конгломерата.

Определение и изучение долговечности и составляющих ее вре­менных элементов производится на разных уровнях структуры — от молекулярной и надмолекулярной до макроскопической, причем всегда целесообразно начинать с характеристики структуры, а затем переходить к показателям свойств. Но они тесно взаимозависимые, а при оптимальных структурах между ними имеются закономерные связи.

При изучении состояния структур во времени обычно выбирают наиболее значимые (ключевые) характеристики. Количественной оценкой структур занимается стереология; ее методы используют и для изучения долговечности ИСК. Эти методы позволяют по плос­костным микрофотоснимкам или другим данным структурного анализа определять объемное содержание изучаемых элементов и коли­чественные изменения в эксплуатационный период: размер и объем пор, величину внутренней удельной поверхности твердой фазы, раз­мер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды, соотношения объемов или масс кристаллической и аморфной (стекловатой) час­тей в вяжущем, однородность в расположении ключевых частиц в определенных объемах и т. п.