Основные структурно-механические и энергетические принципы, демпфирование элементов структуры материала

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Основные структурно-механические и энергетические принципы, демпфирование элементов структуры материала

В процессе формирования дисперсных систем, составляющих основу свойств силикатных материалов, необходимо учитывать, что каждому микро-и макроскопическому состоянию отвечает свой энергетический уровень.

Физика разрушения твердого тела отражает прежде всего динамические эффекты коллективных возбуждений твердой и жидкой фаз. Теория коллективных взаимодействий в твердеющей сложной жизнеспособной системе основана на представлениях о зависимых и независимых друг от друга флуктуа-циях плотности. Физика разрушения твердых тел включает в себя два взаимосвязанных процесса: возникновение в упругом континиуме зародышевых трещин и накопление их в зоне разрушения до критической концентрации, при которой тело разрушается. Физическая суть механизма трещин может быть различной, например, накачка энергии из окружающей среды в разрушающуюся флуктуацию плотности, так называемый дилатон по Журкову. Согласно современным представлениям флуктуации в твердом теле связаны с процессами возбуждения, столкновения фотонов (с фотонами, дефектами кристаллической решетки, границей поверхности и др.). Фотон - квазичастица и существует лишь как элемент возбуждения в твердом теле.

Квазичастица - одно из фундаментальных представлений, лежащее в основе современной квантовой теории твердого тела. При этом следует акцентировать внимание на то, что флуктуации в твердом теле - эффект коллективный. В нем участвует группа атомов, создавая флуктуации энергии и очаги беспорядка. Эти процессы возникают самопроизвольно и существуют при температуре выше абсолютного нуля. Дилатон не только очаг локального разрушения, но и одновременно является точечным источником дислокации.

Рассмотрим данные по изменению удельной поверхности энергии разрушения некоторых поликристаллических материалов (табл.2.1). Как известно, поверхностная энергия является мерой прочности на разрыв твердых тел. Приведенные данные в определенной мере отражают физику разрушения в зеркальном отражении условий формирования прочности этих материалов, т.е. их генезис.

Таблица

2.1 Удельная поверхностная энергия разрушения некоторых поликристаллических материалов Вид материала Удельная поверхностная энергия, Дж/м Гранит 31 Клинкер портландцемента 12-22 MgO 20-40 А1203 18-46 Стекло 4 Искусственные керамические материалы получаются методом термической обработки различного минерального сырья и техногенных побочных продуктах промышленности. Выделение химически связанной воды при дегидратации обуславливает поризацию перлита и вермикулита. Для перлита характерны замкнутые сферические и капиллярные поры, которые образовались за счет паров воды. Вермикулит - слоистый пакет чередующихся многотысячных пластинок, образовавшихся на несовершенных плоскостях спайности природных слюд (биотита, флогопита). Фазовый состав в преобладающем виде для перлита - остеклованные кислые алюмосиликаты, кварц, полевые шпаты, пи-роксены.

Вспученные пластичные глины (керамзит) - один из наиболее популярных видов пористых заполнителей. Качество вспучивания пластичных каолиновых глин, как слоистых, ленточных гидросиликатов, высокое. Размер пор во вспученных глинах возрастает прямо пропорционально крупности гранул. Поры, как правило, замкнутые, сферические. Мелкие фракции керамзита обладают наибольшим водопоглощением и высокой морозостойкостью (табл.2.2).

Таблица 2.2

Водопоглощение и морозостойкость керамзитового песка, цементного камня и глиняного кирпича Вид материала Пористое Водопоглощен Объем пор, Морозостой ть ие за 1 час, % заполненных кость при - по объему водой, от общего 50°С Керамзитовый 65.5 3.5 5.4 35 песок Цементный 38.0 36.0 94.7 19 камень Кирпич 27.7 21.0 75.8 21 глиняный 80.9 27.5 34.0 28 Ячеистый бетон Определяющая роль в механизме разрушения материалов типа бетона и керамики принадлежит адгезионной и когезионной прочности связующих. С точки зрения распространения трещины в хрупком теле механизм разрушения силикатных материалов можно представить в следующем виде. Как только трещина начинает распространяться, скорость подвода движущейся ее энергии превосходит скорость ее потребления (диссипации) в форме поверхностной энергии и энергии деформирования (в случае постоянной нагрузки). Этот избыток может перейти в кинетическую энергию частей, смещаемых при продвижении трещины, и распространение трещины ускоряется. Расмотрим схему уровней возможных разрушений, которая показана на 2.2.

При этом следует представлять материалы типа бетонов и керамики в виде однородной и хрупкой пластины, находящейся под влиянием равномерно растягивающих напряжений (2.3).

Согласно теории распространения трещин в вязкоупругих средах, типа силикатных материалов, развитие трещины предлагается моделировать как совокупность элементов Фойгта (2.4). Каждый из элементов испытывает под напряжением определенную деформацию. Когда деформация первого элемента, соответствующего малой области в вершине трещин, достигнет критического значения, область разрушается, длина трещины возрастает, напряжение перераспределяется на соседние элементы, после чего процесс повторяется снова и снова.

е

е

Трещины распространяются преимущественно вдоль зоны меньшей плотности в перпендикулярном направлении возникших минимальных напряжений, то есть вдоль образца (вдоль волокон) и между фазами цементного камня, иногда разрушая их отрывом или скольжением ступеньками среза. Это типичные поверхности вязкого разрушения. Траектория развития продольных трещин относительно прямолинейна или с тенденцией ветвления.

Скорость, с которой будет уменьшаться внутриструктурная запасенная упругая энергия при силовом нагружении, реализуется способностью структуры к демпфированию и ее разрушению.

Руководствуясь изложенными выше основами и положениями структурной механики силикатных материалов, представляется возможным, в зависимости от уровня структурных фаз, их дефектов (включая поры и капилляры), с учетом поверхности раздела, классифицировать образование трещин по их размерам.

Субмикротрещины. Их длина соответствует размеру цементного геля, образовавшихся гидросиликатов кальция. Размер этого класса трещин и дефектов 10'9-10'7 м.

Микротрещины. Длина трещины больше, чем в первом случае, а вызванная ею концентрация напряжений больше концентрации напряжений, вызванной дефектами, т.е. субмикротрещинами. Их размер определяется верхней границей радиуса микропор, капиллярных пор цементного камня, цементирующими фазами кристаллической структуры - портландита и комплексами гидросульфоалюмоферрита. Класс этого рода трещин можно характеризовать размером в пределах 10-7 - 10-5 м. Он соответствует длине гриффитсовских трещин.

Макротрещины. Их длина соответствует размерам крупных кристаллов эттрингита, крупности зерен мелкого заполнителя, макропор и отдельных видов технологических дефектов в бетоне. Класс этих трещин определится размером в пределах 10-5 - 5 • 10-3 м и более.

При взаимодействии многокомпонентных составляющих бетона создается структура с определенными закономерностями. В процессе ее формирования каждому структурному уровню соответствует свой энергетический критерий. В этом аспекте особенно важно оценить возможность торможения роста трещины через дискретную систему демпфирования в структуре. Физическая природа затухания упругой энергии неоднозначна. Она может быть вызвана процессами, происходящими как в твердой фазе новообразований цементного камня, так и в результате термоупругой релаксации на границе фаз и заполнителей, диффузией жидкой фазы, т.е. ее вязким перемещением в поровом пространстве, инициированными переменными напряжениями процесса структу-рообразования.

В табл. 2.3 приведена классификация добавок демпфирования с учетом физического состояния и механизма их действия. В предложенной классификации добавок, с учетом весьма широкого диапазона регулируемых свойств бетона, в основе заложено физическое, агрегатное состояние и механизм их действия. Все эти добавки демпфирования имеют модуль деформации существенно ниже, чем у цементного камня, раствора и бетона.

Таблица 2.3

Классификация демпфирующих добавок бетона Регулируемые Груш чы х добавок свойства бетона твердый жидкие воз духововлекающи Прочность при сжатии, Керамзит, Водораствори СНВ,Л- изгибе, растяжении шлаки, золы, мые смолы С- 1,ЛСТМ,ГКЖ-94, С- Предельная шунгизит, 89, ДЭГ-1, 3+ЛСТ,ГКЖ-10,11, растяжимость Ударная аглопорит, ТЭГ-1, ВРП. ОП-6,СПД,СДО, вязкость вспученный Полимерные Сульфанол, Трещиностойкость вермикулит, дисперсии. нитрафен и др Выносливость вспученный Водная Морозостойкость перлит, фторан- дисперсия Солестойкость гидрит, асбест, латекса. Водонепроницаемость резиновая Суспензии Усадочные крошка, кремнеор- деформации древесные ганических опилки, горелая жидкостей, Поскольку трещина есть элемент структуры материала, конструкции, то ей присущи вполне определенные регулируемые параметры демпфирования, обеспечивающие зону пластической деформации в процессе развития трещин, что исключает хрупкое разрушение бетона, аварийное состояние конструкций на его основе..