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.

<14 15 161718 19 20 >

Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 859;