Дефекты в структуре цементных и керамических материалов, теоретические концепции их прочности

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

Дефекты в структуре цементных и керамических материалов, теоретические концепции их прочности

Прочность твердых тел в значительной мере определяется видом и количеством дефектов в структуре материала. В реальных материалах имеется большое число различного рода микро- и макродефектов, развитие которых приводит к разрушению тела. Существует различная классификация дефектов в зависимости от рассматриваемого уровня их иерархической структуры. При рассмотрении материалов с зернистой дисперсной фазой - матрицы (связующее) и включений (заполнителей) - наибольшее признание получило разделение дефектов на два рода. Дефекты первого рода - округлые дефекты типа пор и дефекты второго рода - остроконечные дефекты типа трещин. Возможно совмещение дефектов, например, пора с трещиной.

Пользуясь классификацией, принятой Г.И. Горчаковым, М.М. Катанным и Б.Г. Скрамтаевым, и распространяя ее как на цементные, так и на керамические материалы, дефекты первого рода разделим на три вида: ультрамикропо-ры с размерами до 100 • 10-10 м; микропоры размером (100 - 1000) • 10-10 м; макропоры размером более 1000 • 10-10 м.

Анализ, проведенный Ю.В.Зайцевым показал, что различие в распределении напряжений у отверстий различной конфигурации, относящихся к дефек-

там первого рода (треугольник, прямоугольник, овал и др.), не очень существенны и поэтому отверстия случайной формы можно заменить эллиптическими отверстиями.

Формирование полостей и капилляров происходит с сохранением объективной закономерности - минимума поверхностной энергии, соответствующей круговым очертаниям поверхностей. Исследования пористости цементных материалов показывают, что коэффициент неравномерности пор в большинстве случаев составляет 1.15 - 1.40.

Дефекты в структуре материалов с пористыми заполнителями имеют место как у матрицы, так и включений. Материалы стенок пор их прочность и другие свойства в матрице и включениях различны. Рассмотрим, какое же влияние оказывают оба компонента структуры на свойства материала. Существуют теоретические концепции о зависимости прочности материалов с зернистой дисперсной фазой от объемного содержания и свойств компонентов. Они посвящены выявлению основных закономерностей формирования структуры материала, анализу влияния свойств и содержания компонентов на его прочность. С.В.Максимовым показано, что керамические материалы с повышенным содержанием отощителей можно рассматривать по аналогии с бетонами на пористых заполнителях. Предложенный ряд зависимостей для определения прочности бетонов и керамики на пористых заполнителях и отощите-лях можно разделить на три группы.

К первой группе можно отнести наиболее простые зависимости, в которых прочность материала зависит от свойств компонентов и их относительного содержания. Типичным представителем этой группы является зависимость Ю.Е.Корниловича:

е (2.10)

где RI - прочность растворной составляющей; R2 - прочность крупного заполнителя; ф - объемная концентрация заполнителя или отощителя.

Во вторую группу входят формулы, описывающие прочность материала в зависимости от деформативных свойств компонентов. Наибольшее признание среди них получила формула А.И.Ваганова, который выделяет две области разрушения. Так в первой области предел прочности им рекомендуется определять выражением:

е (2.11)

где ЕЬ - модуль деформации материала при сжатии в момент разрушения; sui -предельная сжимаемость скелета; sui ' - предельная растяжимость скелета; v - коэффициент Пуассона.

Разрушение материала в этой области будет начинаться с раствора.

После того как величина поперечных деформаций материала достигнет величины, равной предельной растяжимости заполнителя или отощителя, увеличение предельных деформаций материала прекратится. Разрушение в этой области начинается с заполнителя или отощителя. Предел прочности материала может быть определен выражением:

е (2.12)

где sU2 - предельная растяжимость заполнителя или отощителя.

Третья группа объединяет формулы, учитывающие прочность компонентов, их объемное содержание и деформативные свойства. При этом в зависимости от исходных позиций возможно использование формулы Б.Г.Скрамтаева, учитывающей начало разрушения материала с растворной части:

(2.13

где E1 и E2 - модули упругости заполнителя и раствора или с заполнителя у С.Е.Фрейфельда:

R2-[l

(2.14

Пористые заполнители перераспределяют напряжения в материалах, возникающие благодаря различным модулям упругости связующего и заполнителей. Это позволяет, по данным Л.П.Орентлихер, существенно снижать результирующие напряжения. Г.И.Горчаков и И.А.Иванов в связи с этим считают соотношение модулей упругости связующего материала и заполнителя одной из характеристик структуры силикатных материалов.

Пористые заполнители разгружают напряжения в материале, возникающие от внешней нагрузки. Напряжения в заполнителях превосходят средние по материалу. Контактная зона заполнителей, передающая напряжения от раствора на заполнители, оказывает определяющее влияние на свойства материала. Напряжения в контактной зоне подразделяются на тангентальные и радиальные. Образование контактной зоны, отличающейся большей плотностью и деформативностью по сравнению с растворной составляющей, повышает результирующую прочность материала. Обеспечение повышенной плотности контактной зоны пористых заполнителей, очевидно, может достигаться созданием оптимальных условий водомиграционных процессов в период формирования структуры, образованием новых соединений в процессе твердения и спекания связующих.