ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ИСК ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

От искусственного строительного конгломерата, работающего в несущих конструкциях зданий и сооружений, требуется, чтобы достаточная механическая прочность сочеталась с деформационной устойчивостью, т. е. с его способностью противостоять возникновению и развитию необратимых деформаций (пластических, ползучести) или появлению и росту микротрещин. Деформационная устойчивость проявляется в затухающем характере процесса формирования деформаций, в релаксационной способности материала, с повышением которой более интенсивно снимаются напряжения, возникающие под влиянием внутренних и внешних факторов — эксплуатационных нагрузок и собственного веса конструкции, тепловых и усадочных явлений. Имеются многочисленные примеры, когда конгломератный материал, обладая достаточной прочностью, проверенной по расчетным нагрузкам, преждевременно разрушается вследствие недостаточной деформационной устойчивости, появления и развития необратимых деформаций. Чрезмерно большое время (или период) релаксации, превышающее на несколько десятичных порядков периоды наблюдений или действия нагрузки, влияет на повышение хрупкости материала с возможным образованием трещин.

Наиболее деформационно-устойчивыми являются те конгломераты, которые характеризуются высокими значениями упругих и упруго-эластических деформаций в области определенного интервала температур и реального их перепада в конструкции. Упруго-эластические материалы характеризуются показателями эластичности — процентной долей спадающей деформации за определенный период времени (например, 5, 10, 30, 100 мин или больше) после их разгружения от нагрузки Р, равной по величине предельному напряжению сдвига, или какой-либо иной силовой нагрузки. Показатель эластичности выражается:

где ео — деформация сдвига (или другого характера), возникшая за время то под нагрузкой Р; є_т — деформация, оставшаяся после упруго-эластического восстановления в течение выбранного периода времени ті, когда нагрузка была снята (Р = 0).

По величине показателя эластичности ИСК условно разделяют на высокоэластичные, когда спад деформации наступает быстро, и низкоэластичные, при медленном спаде возникшей под нагрузкой деформации и после ее удаления. Очевидно, что, если материал в конструкции подвержен воздействию циклических нагружений и период между нагружениями (период "отдыха") будет соизмерим с продолжительностью спада низкоэластической деформации, то часть деформации сохраняется до нового цикла. С новым приложением нагрузки накапливается величина не спавшей части эластической деформации, и она постепенно может перерасти в необратимую, что создает предпосылки к деструкции материала и разрушению конструкции. В этом смысле любая деформация, в том числе и упругая, влечет за собой предрасположение структуры к повреждению, развитию в ней дефектов и даже микрощелей, к длительному процессу разрушения. Прорастание микрощелей ускоряется по мере увеличения деформаций от многократного повторения (тем более при вибрационном характере нагружения) деформирования с переходом на конечной стадии в опасную трещину и разрушение.

Наибольшей упруго-эластической частью деформаций обладают вяжущие вещества при фазовых отношениях, равных с*/ф, т. е. когда их структура оптимальная. На графике в системе координат Єу>(с/ф), как и для прочностной зависимости, наблюдается максимум (рис. 3.12). Слева и справа от максимума є*, располагаются вяжущие вещества тех составов, при которых упруго-эластические деформации имеют меньшую величину.

Наименьшей величиной необратимых деформаций обладает вяжущее вещество при с*/ф, а слева и справа от минимума располагаются те вяжущие вещества, у которых необратимые деформации быстро возрастают, например, при использовании органических связующих материалов.

Снижение упруго-эластических и увеличение необратимых деформаций в левых ветвях кривой при значениях с/ф < с7ф происходит вследствие возрастания пористости и дискретности пленки среды на частицах твердой фазы вяжущего вещества. Необратимые деформации ИСК, у которых составы размещаются левее экстремума, носят квазипластический характер.

Снижение упруго-эластических и увеличение необратимых деформаций в правых ветвях кривой при значениях с/ф > с*/ф происходит под влиянием возрастающего количества свободной среды (с) в конгломерате.

Рис. 3.12. Схема изменения деформационных свойств вяжущего вещества и конгломерата с изменением отношения с/ф:

/—/ — линия пластических деформаций £_М; //—// — линия упруго-эластических деформаций Єу>; III—III — линия модулей упругости Е, МПа; / — вяжущее вещество; 2 — ИСК с нарастающим количеством заполнителя

С постепенным добавлением к вяжущему веществу заполнителя (активного или неактивного) изменения деформаций, как и прочностных показателей, имеют экстремальный характер — минимум у необратимых и максимум у упруго-эластических свойств при фазовом отношении с/ф, при котором показатель прочности был максимальным (см. рис. 3.12). Чем больше содержится заполнителя в конгломерате, тем меньше величина упруго-эластических свойств и больше необратимых деформаций. Если соответствующие экстремумы соединить огибающей кривой, то, по аналогии с графиком прочности, получится линия, чаше всего в виде касательной к точкам максимумов или минимумов. Следовательно, все точки огибающей кривой обусловлены оптимальным составом конгломератов. Каждой точке кривой соответствует максимум прочности и упруго-эластических деформаций, но минимум пластических деформаций. Такое сочетание механических свойств является всегда наиболее желательным в отношении ИСК, используемых в строительных конструкциях зданий и сооружений. Точки на правых и левых ветвях кривых не обладают таким благоприятным сочетанием прочностных и деформативных свойств, а составы в этих точках не являются оптимальными. Структура содержит дискретность среды или повышенную пористость вторичного характера, например, под влиянием испарения части среды.

Огибающая кривая оптимальных составов, при которых в условиях принятой технологии обеспечиваются максимальные показатели упруго-эластических свойств, может быть с достаточной для практики точностью описана уравнением гиперболического вида, аналогичным уравнению (3.3):

В формуле показатель степени s определяют подобно тому, как показатель степени п в формуле (3.3).

Если величину напряжения, соответствующего прочности ИСК, разделить на относительную упругую деформацию, то получаемые значения модулей упругости можно нанести на общий график в системе Е(с/ф). С увеличением количества заполняющей части в конгломерате и соответственно с увеличением фазового отношения вяжущего вещества в нем снижается величина модуля упругости, т. е. конгломерат становится менее жестким.

Деформативность и модуль упругости, от которых зависит полная деформационная устойчивость ИСК, непосредственно связаны, как и прочность, со структурой материала. При этом, чем в большей мере структура вяжущего вещества соответствует коагуляционной, тем более типичными являются необратимые деформации, ниже показателя прочности и модуля упругости. С увеличением в

Рис. 3.13. График соответствия показателей качества ИСК в створах /—I и II—II заданному уровню III—III вяжущем веществе кристаллизационной фазы возрастает доля упругой или упруго-эластической деформации.

При постоянной структуре характер деформации обусловлен величиной напряжения и продолжительностью напряженного состояния, релаксационной способностью конгломерата. Последняя, в свою очередь, зависит от фазовых соотношений, содержания вяжущего и заполнителя, его разновидности, т. е. от структуры и отдельных структурных элементов.

Обобщая формулы (3.3) и (3.15), можно сформулировать общую закономерность механических свойств ИСК.

Общие и объективные законы оптимальных структур не изолированы друг от друга, а взаимосвязаны в единую систему, и их обычно используют в совокупности, например, при проектировании составов смесей или при разработке новых конгломератных материалов и технологий их изготовления. Важно, чтобы получаемые проектные составы обеспечивали при данной технологии оптимальную структуру, а технические свойства строго соответствовали нс только уровню заданных показателей, но и их экстремальным значениям (рис. 3.13), т. е. не участку abc, а экстремуму d. В точках "5" избыток показателя качества должен быть обоснован экономическим расчетом и эксплуатационными данными.