Краткая характеристика. Принципы долговечности строительных материалов

При оценке ИСК первостепенное значение имеют их количественные характеристики физических и механических свойств, которые в значительной степени определяются его структурой.

Под влиянием бесконечного многообразия комбинаций микрочастиц в пространстве, или комплексов этих комбинаций, слагающих микрочастицы, возникают тела, которые между собой отличаются структурами и свойствами. В структуре возможны изменения установившихся сочетаний и отношений частиц под влиянием отклонений температурных факторов, величины внешнего давления или других внешних факторов. Изменения в структуре отражаются на числовых показателях свойств.

Одному и тому же показателю свойств, например, величине предела прочности, могут соответствовать различные микро- и макроструктуры данного материала. Одному и тому же структурному показателю конкретного ИСК может соответствовать различная прочность или другие свойства. Результаты испытаний при так называемых "равных" условиях опыта характеризуются большим разбросом числовых значений. Чтобы установить прямую или обратную взаимозависимость (корреляцию) между качественными и структурными показателями, не­обходимо сравнивать их не при "равных", а соответственных условиях, когда структуры являются оптимальными, а материалы (ИСК) становятся между собой подобными.

Характер оптимальной структуры зависит как от состава, так и от 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 и при иных соотношениях компонентов, новом вещественном составе конгломерата.

Необходимые условия оптимальности:

- равномерное распределение частиц;

- непрерывность среды;

- минимум фазового отношения (с/ф min)

При оптимальных структурах строительные материалы обладают общими закономерностями, которые именуются как «законы оптималь­ных структур».

Под законом, как известно, понимается существенная, устойчивая и необходимая (т. е. неслучайная) связь и взаимная обусловленность явлений и процессов. Законы оптимальных структур выражают внутреннюю вязь и взаимообусловленность свойств и структурных параметров материала.

ни распространяются на разнородные материалы и, подобно другим законам,

имеют объективный характер.

ЗАКОН СТВОРА устанавливает, что оптимальной структуре соот­ветствует комплекс экстремальных значений свойств. На рис. 1, закон створа представлен графически в прямоугольной плоскостной системе координат. Еще полнее он может быть изображен в пространственной системе координат (рис 2.)

Рис. 2 Графическое выражение закона створа: 1-средняяплотность; 2-экономическаяэффективность, 5-пределыпрочности; 4-морозостойкость; 5-внутреннее сцепление; 6-упругоэластическиесюйства; 7-ползучесть; 5-подвижность; 9—коэффициент выхода смеси

Получаемая по экспериментальным данным графическая зависимость в системе координат на плоскости или в пространстве для числовых значений каждого свойства, непосредственно связанного со структурой, имеет характер экстремальной кривой. В ней имеются две ниспадающие или возрастающие ветви с максимумом или минимумом между ними (рис. 3). Все экстремумы на этих кривых практически размещаются на одной прямой, т. е максимумы и ми­нимумы экстремальных кривых размещаются в общем «створе».

Рис 3. График зависимости прочности материала от фазового отношения вяжущего вещества и содержания заполнителя:

а—в плоскостной системе координат;

б - в пространственной системе координат (p<q<s<)

Каждая точка экстремума данного свойства отражает такую структуру, при которой она удовлетворяет всем необходимым условиям оптимальности. Другие точки правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответствуют условиям оптимальности структуры.

Для горной местности «Закон створа» - это:

- гряда холмов (водораздел) – max значений

- гряда впадин, ущелий (водослив) – min значений

Из графиков следует, что неоптимальных структур гораздо больше, чем оптимальных, поскольку на каждой экстремальной кривой имеется только один экстремум, соответствующий оптимальной структуре, тогда как на ветвях этой кривой справа и слева от экстремума имеется бесконечное множе­ство точек и каждая не соответствует оптимальной структуре.

Закон стеора является следствием комплексного воздействия физи­ческих, физико-химических и технологических факторов и явлений.

Научные принципы и этапы проектирования позволяют получать материал:

- оптимальной структуры;

- наилучший по заданным показателям технических свойств;

- наиболее выгодный по экономическим показателям;

Применительно к специфике строительных материалов закон створа выражает соответствие оптимальной структуры комплексу наиболее благоприят­ных показателей строительных и эксплуатационных свойств. Закон позволяет создавать новые материалы со строго заданным набором и уровнем показателей свойств, улучшать качество традиционных материалов, а также решать многие другие практические задачи.

Закон прочности оптимальных структур устанавлива­ет, что произведение числовых показателей свойств конгломератов на степен­ную функцию фазового отношения его вяжущего вещества есть величина постоянная. Здесь, как и выше, под фазовым отношением понимается величина отношения массы среды к массе твердой фазы в свежеизготовленном материале. Аналогично формулируется общий закон прочности оптимальных структур: произведение прочности (в любых показателях) конгломерата оптималь­ной структуры на фазовое отношение его вяжущего вещества в некоторой степени и есть величина постоянная

По своей физической сущности формула и закон прочности отражают максимальные величины сил сцепления микро- и макрочастиц при минималь­ных расстояниях между ними, минимальную дефектность и наибольшую одно­родность.

Видно, чтобы повысить прочность ИСК, необходимо с помощью определенных мер повлиять на увеличение прочности вяжущего вещества и плотности упаковки макрочастиц, на снижение толщин пленок среды в свежеизготовленном конгломерате.

Во всех случаях не­обходимо стремиться к минимуму вяжущего при соблюдении других условий оптимальности структуры и комплекса данных свойств.

Закон конгруэнции устанавливает, что между свойствами вяжущего вещества и конгломерата на его основе или между свойствами различных конгломератов на основе общего вяжущего вещества при оптимальных структурах существует обязательное соответствие.

Rб = ¥ (Rц, А, Rа/б (М бит, А, tприч, уплотнение и т. д.)

Этот закон означает, что при улучшении или ухудшении качества вяжущего соответствующие изменения произойдут и с конгломератом, изготовляемом на его основе. При неоптимальных структурах нередко получают конгломераты худшего качества даже при повышении качества вяжущего вещества. Закон конгруэнции показывает, что одной из главных задач при повышении качества любого конгломерата является всемерное улучшение его вяжущей части. Конкретные меры зависят от разновидности вяжущего, но всегда определенную пользу приносят:

- сближение частиц до предельно возможного минимума;

- повышение дисперности частиц твердой фазы;

- применение добавочных веществ направленного действия;

- обработка вяжущего (и конгломерата) с помощью физических активаторов и т. п.

Исследования показали, что закон конгруэнции может быть распространен и выражен в виде уравнений на материалы оптимальных структур при различных вяжущих веществах и технологиях, т. е. он имеет более широкое обобщение, чем было указано выше. Его применение позволяет совершенствовать производство, открывать новые материалы с заданными и притом экстремальными свойствами, прогнозировать качество материала и т.п.

Закон оптимальных структур не изолированы друг от друга, а взаимосвязаны, поэтому их используют в совокупности. Особенно наглядным их комплексное использование проявляется при проектировании оптимальных составов. Метод проектирования предусматривает применение законов для получения не только оптимального состава по заданным показателям качества, но и обеспечения оптимальной структуры для принятой технологии, чтобы заданные свойства были одновременно и экстремальными (закон створа).

Комплексной характеристикой качества материалов является долговечность – способность сопротивляться внешним и внутренним факторам в течении возможно более длительного времени. О долговечности судят по продолжительности изменения до критических пределов прочности, упругости или других свойств. С этой целью образцы или изделия подвергают в лабораторных условиях или натурных (эксплуатационных) условиях воздействию комплекса механических, физических, химических и других факторов, реально воздействующих на конструкцию. После расчетного периода времени действия комплекса факторов, или определенного цикла испытаний, устанавливают степень изменения первоначальных числовых значений свойств и сравнивают с допустимой величиной их изменения.

О долговечности пока судят по отклонениям в структуре материала, хотя первопричиной изменения свойств обычно служит нарушение микро- или макроструктуры, отклонение общей структуры от оптимальной. В теории ИСК под долговечностью понимают способность материала сохранять в эксплуатационный период времени на допустимом уровне структурные характеристики (параметры, которые сложились в технологический, т.е. предэксплуатационный период.

Независимо от способа оценки долговечности – по изменению свойств или структуры – период долговечности условно можно разделить на три этапа:

- материал, помещенный в конструкции зданий и сооружений, на первом этапе долговечности характеризуется упрочнением структуры, или улучшением показателей свойств, второй этап – их относительной стабильностью, третий – деструкцией, т.е. медленным или быстрым нарушением структуры вплоть до ее критического уровня и даже полного разрушения, с соответствующим ухудшением показателей качества. У отдельных материалов в эксплуатационной период тот или иной этап в периоде долговечности может отсутствовать или его продолжительность столь мала, что принимается практически 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 наблюдаемый визуально. Гораздо реже деструкция протекает с огромной интенсивностью, когда временной элемент становится практически равным нулю.

Задача заключается в том, чтобы всемерно увеличивать долговечность, т. е., продолжительность каждого из трех взаимосвязанных временных элементов, особенно этапов упрочнения и стабильности структуры, добиваясь вместе с тем эффективного торможения деструкционных процессов.

При изучении структур обычно выбирают наиболее значимые (ключевые) характеристики. Количественной оценкой структур занимается стереология; ее методы используются и для изучения долговечности ИСК. Эти методы позволяют по плоскостным микрофотоснимкам или другим данным структурного анализа определять объемное содержане изучаемых структурных элементов: размер и объем пор, внутреннюю удельную поверхность твердой фазы, размер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды, соотношение объемов кристаллической и аморфной (стекловатой) частей в вяжущем, однородность расположения частиц в объеме и т. п.