Структурная механика, её составные части

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

Структурная механика, её составные части

Основы материаловедения должны базироваться, по крайней мере, на стыке трех фундаментальных наук - физической и коллоидной химии, физики твердого тела и механики твердого деформируемого тела. Поскольку строительные материалы - сложные, неоднородные и гетерофазные материалы, обеспечение надежного и современного управления их качеством-задача с многими неизвестными. Чтобы регламентировать технологические операции производства строительных материалов с заданными свойствами, сопоставлять современные представления о физике и механике процессов структурообразо-вания, о распределении внутренних напряжений и деформаций, механизме развития трещин в структуре на ее различных уровнях, должен быть единый подход на основе физико-химической механики.

Микроскопический уровень устанавливает фазовый состав новообразований, размеры и распределения пор, раскрывает взаимосвязь между дефектами структуры составляющих компонентов материала с учетом их химии поверхности.

Формирование структуры материалов с высокими технологическими свойствами должно базироваться на дискретной теории упругости, способной отражать взаимодействие как связующих частиц, кристаллогидратов, так и влияние системы, ранга пор, а также фазового состава заполнителя.

Преимущества структуры связующих с высокой удельной поверхностью новообразований состоят в том, что в ней сглаживаются (размазываются) типы условных микротрещин, уменьшаются их размеры и снижается концентрация напряжений. Связь между крупными кристаллами по точкам контакта подобна такой микротрещине, которая согласно критерию Гриффитса, приведет к большей концентрации напряжений в структуре монолита.

Поровая структура формируется от момента затворения водой до камне-образования материалов и заканчивается в течение длительного времени эксплуатации. По величине и происхождению поры, например цементного камня, подразделяются:

• поры геля, средний радиус около 2 нм - до 28 %;

• промежуточные, в т. ч. контракционные - с радиусом около 25-50 нм;

• капиллярные поры с радиусом 200-1500 нм.

Направление регулирования пористости включает снижение среднего и наибольшего размеров пор к варианту одноранговой пористости, т.е. принцип сближения пор по размерам смежных рангов.

Особый интерес принадлежит системе и размерам пор в пористом заполнителе.

Абсолютное значение условно замкнутых пор керамзита больше, чем у цементного раствора в структуре керамзитобетона: по объему в 2-4 раза, по количеству в 6-8 раз, по удельной поверхности в 2-3 раза. В искусственных

гранулах заполнителей содержится от 58 до 91% газовой фазы, от 8 до 33% аморфной и от 3 до 15 кристаллической фаз.

Для вулканогенных пористых заполнителей характерна микронеоднородность структуры:

• химическая, вызванная ликвационными явлениями;

• структурная, образовавшаяся с выделением упорядоченных микрозон в

стеклофазе;

• физическая, вызванная микропоровым пространством, нарушающим сплошность камня.

Микроскопический уровень материалов должен включать и кристаллохи-мические свойства воды, как матричной основы связующего. В большой мере это касается физически адсорбционно связанной (псевдотвердой) воды, а не свободной, и тем более химически связанной. Адсорбционная вода подразделяется на цеолитную (внутрифазовую), воду коллоидов, входящую в структуру связующего геля, и гигроскопическую.

Средняя энергия связи испаряемой воды по данным Пауэрса тем больше, чем ниже пористость связующих. При минимальной пористости цементного геля (28%) средняя энергия связи испаряемой воды составит около 3600 кал/моль. Энергия связи испаряемой воды в первом адсорбционном слое (монослой) составляет 8000 кал/моль.

Свободная (испаряемая) вода представляет собой отдельную фазу. Некоторая часть этой воды удерживается физической адсорбцией (ван-дер-ваальсовые силы). Если относительная влажность достаточна высока, некоторая часть воды может удерживаться за счет сил гидростатического действия, обусловленного капиллярными явлениями.

Вода, по современным представлениям, - трехмерная сетка из молекул, соединенных водородными связями. Каждая молекула может образовывать до четырех водородных связей, направленных приблизительно к вершинам правильного тетраэдра. Эта сетка существует во всем интервале температур и давлений, в котором вода находится в жидком состоянии. На 1.1 и 1.2 представлены строение молекулы воды и разные типы водородных связей.

Активность воды в силу различных факторов: дефектов граничной поверхности, температуры, давления, наличия в ней электролитов, газовых включений, примесей, влияющих на ориентацию водородных связей и их энергию, изменяется в диапазоне от 2.6 до 388.46 ккал/моль. Молекула воды

О О

радиусом 1 ... 38 А (1 А =10 см)составляет всего десятую долю размера частиц твердой фазы цементного геля, имеет структуру тетраэдра с углом ме-

0 жду связями О-Н 109 градусов. Длина связи О...Н равна 1.8А, расстояние

о

О...О равно 2.82 А. В двух связях она может выступать в качестве донора, и в двух - в качестве акцептора протона, т.е. участвовать в четырех водородных связях.

Если разогнать молекулы воды до высоких скоростей, увеличится ее энергия. Для активации воды применимы общие законы термодинамики, отражающие энергетические изменения ее внутренней энергии.

Природа несплошности цементных материалов определена самим физико-химическим процессом гидратации цемента. Поэтому в цементном камне уже на ранней стадии структурообразования развиваются два различных взаимозависимых процесса - деформирование и разрушение. Количество и размеры кристаллических образований - эттрингита и портландита, их взаимодействие с коллоидной массой геля определяют характер формирования и разрушения структуры, прочность и упругость цементного камня. Не только вид внутренних связей фаз новообразований является важным фактором в значении модуля упругости, но и плотность новообразования имеет для него большое значение (табл. 1.1). Существенна роль новообразований в физике и механике разрушения. Упруговязкие и слоистые образования в структуре цементных материалов уменьшают локальные напряжения и гасят энергию роста трещин.

Таблица 1.1

Характеристика прочности и модуля упругости фаз новообразований

в цементном камне Фаза новообразования Размер, мкм Прочность, МПа Динамический модуль упругости, МПа

сжатие растяжение

Эттрингит Портландит C-S-H а) низкоосновный б)высокоосновный 50-1000 500 - 200

10-10000

°А 320 -700

1500 70 75 • 10-4 15 • 10-4

5 -6 -10-4 8 - 9 • 10-4 Уровень макроструктуры определяет принципы конструирования бетона и керамики как композиционных материалов, характеризующихся относительным содержанием компонентов, их свойствами и однородностью распределе-

ния. Данный уровень структурной механики способен интегрально отражать формирование структуры с заданными свойствами, развитие и торможение трещин за счет взаимодействия отдельных фаз и включений, вызываемых как локальными внутренними напряжениями, так и прилагаемыми внешними силами.

Третья составная часть структурной механики - это поверхности раздела. Граница раздела фаз - это область природы формирования прочности твердого тела включает коллоидно-химические явления и связанные с ними поверхностные явления и эффекты: электростатический потенциал; адсорбцию, десорбцию и хемосорбцию, диффузию и осмос; гидролитическое воздействие при разрушении связей.

Принципиально важное значение принадлежит механико-энергетическим показателям на границе контакта. К ним относятся плотность энергии когезии, диэлектрические свойства жидкой фазы, полярность молекул воды и поверхности твердой фазы, межфазное натяжение, включая расклинивающий эффект Дерягина ( 1.3).

1.3. Возникновение структурной силовой составляющей расклинивающего давления в прослойках жидкости между частицами: а - положение частиц до перекрытия граничных слоев толщиной «Z», б - после перекрытия граничных слоев

Для цементных и глинистых дисперсий влияние поверхностных явлений оказывается превалирующим. С природой подложки, с плотностью воды для адсорбционного слоя жидкой фазы связано образование двойного электрического слоя - дзета потенциала (Д.П.). Д.П. выражает уровень электрических зарядов и кулоновского взаимодействия между частицами твердой поверхности. Любое механическое возмущение (перемешивание и другое) ведет к перераспределению электрокинетических свойств дисперсной фазы. Происходит перестройка ориентационной упорядоченности молекул воды.

Описание процесса разрушения композиционных материалов с позиции структурной механики представлено в таблице 1.2.

Таблица

1.2 Описание процесса разрушения с позиции структурной механики бетона Что определяет разрушение Уровень рассмотрев 1ия (масштабный эффект)

Микроструктура и поверхность раздела цементирующих фаз Макроструктура и поверхность раздела системы цементный камень Физика разрушения Атомно-молекулярные актеристики, строение, хар размер состав и плотность и виды новообразований, дефектов, 1ассоперенос, внутреннее трение, скорости деформа-)сти волн теплое ций и роста напряжений активация Механика разрушения Поля напряжений, вызываемые новообразованиями, порами, трещинами, соединение пор и дефектов Расклинивающее Локальные напряжения от заполнителя, макропор и трещин, взаимодействие трещин и пор молекул воды, тепловыделение аторы напряжений, класс трещин Критерий разрушения Одноосное, двухосное хьемное напряженные и ос определяющие состояния, ду напряжением связь меж течения и пластического шряжением Критерий прочности Устанавливается с видаб деформаций: упругие, учетом говязкие, упру-<ие. Структурные типы разрушения Хруп кий, вязкий Морфология поверхности разрушения Ступеньки скола, юверхность скола и отрыва, гладкая г рушение раз-излом, зернограничный В последние годы для повышения адгезионной прочности на контакте поверхности связующее - пористый заполнитель применяется модифицирование поверхности за счет специальной пропитки заполнителя растворами солей, содержащими катионы алюминия, марганца, никеля и др.

При рассмотрении изделий на основе силикатов дефекты структуры следует подразделять на два рода. Дефекты первого рода - округлые дефекты типа пор, дефекты второго рода - остроконечные дефекты типа трещин. Возможно совмещение дефектов, например, пора с трещиной. Поры можно рассматривать как концентраты напряжений при условии, что расстояние между порами не менее двух диаметров, т.к. в противном случае на локальном напряженном состоянии сказывается эффект взаимодействия, который может выровнять напряжение между порами.

Дефекты второго рода в виде микротрещин присутствуют в бетоне до приложения внешних нагрузок.

В последние годы большое развитие получила механика хрупкого разрушения, берущая начало от работ Гриффитса, Орована, Ирвина и занимающаяся изучением процесса разрушения. Бетоны и керамика являются неоднород-

ными материалами и полностью переносить на них механику хрупкого разрушения не представляется возможным. Но вместе с тем многие закономерности остаются справедливыми при их рассмотрении как двухкомпонентных материалов отдельно на уровне матрицы и заполнителя с учетом влияния контактной зоны.

Для роста трещин характерно преимущественное развитие одной, наиболее опасной трещины. На деформативные свойства материала оказывает влияние не только наиболее опасная трещина, но и общее количество и ориентация всех трещин. Распространение трещин в хрупком или квазихрупком теле в условиях локальной симметрии наступает тогда, когда интенсивность напряжений у вершины трещины достигает своего критического значения.

При прочности и модуле упругости заполнителя, превышающих данные показатели у связующего, прочность материала определяется в основном прочностью связующего. Истинная прочность заполнителей в материале выше, чем при испытании дроблением. Объясняется это их большим объемным сжатием по сравнению с раствором.

При конструировании и изготовлении материалов следует получать новые типы структуры, обладающие лучшими свойствами по сравнению со свойствами отдельных составляющих компонентов. Такой неаддитивный эффект можно представить в виде схемы, в которой обозначим цементный раствор как компонент А, а заполнитель упругости - В. Для таких композитов типична формула: А + В = С, где С не является алгебраической суммой А и В. Эта концепция для материаловедения не нова. И тем не менее, приняв ее за основу на макроуровне структурной механики, появляется надежность управления качеством материала с его полезными техническими свойствами и недостатками. Иначе говоря, новый материал сможет унаследовать от исходных составляющих сочетание полезных свойств и недостатков материалов А и В с возможностью ликвидации определенных недостатков за счет введения дополнительного компонента. Так создается строго научный принцип конструирования композитных материалов.