Вестник отделения строительных наук РААСН 2011 №15

Подождите немного. Документ загружается.

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

220

_________________________________________________________________________________________________________________

УДК 666.951

ЧЕРКАСОВ В.Д., БУЗУЛУКОВ В.И., КИСЕЛЕВ Е.В.

ЕМЕЛЬЯНОВ А.И., ДАВЫДОВ Д.Е., ЧЕРКАСОВ Д.В.

(Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск)

ЭФФЕКТИВНАЯ ДОБАВКА В ЦЕМЕНТНЫЕ КОМПОЗИТЫ

НА ОСНОВЕ ДИАТОМИТА

Кремнеземсодержащие природные минералы широко используются в строительстве в

качестве компонентов теплоизоляционных материалов, бетонов и других цементосодержа-

щих композитов. К высококремнеземистым сырьевым материалам относятся и диатомиты.

По своему химическому составу они состоят в основном из кремнезема и глинистых приме-

сей, содержание которых может меняться от 3 до 25% в зависимости от месторождения [1].

Ограниченное применение диатомитов в строительстве обусловлено понижением прочности

цементных композитов в их присутствии. Повысить эффективность использования диатоми-

тов в цементных системах, по нашему мнению, можно в результате изменения природы и

структуры поверхности частиц диатомита путем химического модифицирования. Указанное

модифицирование предлагается осуществить с помощью раствора гидроксида кальция. Бла-

годаря химическому взаимодействию силанольных и силоксановых групп, расположенных

на поверхности кремнеземсоставляющей диатомита, с гидроксидом кальция образуются

фрагменты молекул гидросиликата кальция, связанные химически с матрицей кремнезема:

≡Si–OH + Са(ОН)

≡Si–O–Ca–OH + Н

≡Si

O + Са(ОН)

≡Si– O–Ca–OH

≡Si

=Si=O + Са(ОН)

=Si– O–Ca–OH.

OH.

Возможность образования групп гидросиликата кальция типа (II) отмечена в работе [2].

Эти активные группы типа (I) и (II) будут служить центрами кристаллизации гидратов в

затворенных цементосодержащих системах. Благодаря относительно равномерному распределе-

нию пор в структуре диатомита [1], а, следовательно, и на его поверхности, в процессах структу-

рообразования будут принимать участие группы гидросиликата кальция, главным образом рас-

положенные на межпоровых участках поверхности диатомита. Учитывая размер этих групп и

строение поверхности диатомита, предлагаемое модифицирование приведет к локальному изме-

нению природы и структуры поверхности частиц диатомита на наноразмерном уровне.

В качестве добавок обычно используется высокодисперсный диатомит с большой

удельной поверхностью. Следовательно, количество модифицированного диатомита, кото-

рое можно использовать в цементных системах в качестве добавки-затравки, способствую-

щей кристаллизации гидратов и улучшающих структуру цементного камня, может быть

очень небольшим.

В настоящей работе приведены результаты изучения влияния условий модифициро-

вания диатомита гидроксидом кальция, а также состава цементных композитов на прочност-

ные свойства затвердевшего цемента.

Изменения в составе диатомита в результате модифицирования известкованием опре-

делялись с помощью химического анализа исходного и модифицированного диатомита. Со-

гласно полученным данным (см. таблицу 1) в модифицированных диатомитах происходит

увеличение относительного содержания оксида кальция и уменьшение содержания оксида

кремния и других оксидов, входящих в состав диатомита, по сравнению с природным диато-

митом. Такие изменения свидетельствуют о химическом взаимодействии диатомита с гидро-

→

(I)

(II

)

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

221

ксидом кальция, в результате которого происходит как бы замена части атомов кремния на

поверхности на ионы кальция.

Таблица 1 – Химический состав диатомитов, модифицированных гидроксидом кальция

№

Мольное

отношение

СаО

:Si

Состав

мас

. %

СаО

MgO

СО

Диатомит

немодифицированный

* 76,20 11,90 4,70 1,50 1,10 5,85·10

4,60

2 0,10 74,90 7,70 3,00 9,80 1,20 1,70 3,40

3 0,20 68,60 6,00 2,30 14,80 1,20 2,80 7,10

4 0,30 62,50 5,60 2,00 18,90 1,20 6,50 9,80

5 0,40 57,10 4,00 1,60 23,70 1,20 9,90 12,40

* –

диатомит

Инзенского

месторождения

Ульяновской

области

Увеличение содержания СО

в модифицированном диатомите (см. таблицу 1) связано

с частичной карбонизацией кальциевых гидросиликатных групп в условиях модифицирова-

ния диатомита.

Для установления изменений в структуре поверхности кремнезема (основной состав-

ляющей диатомита) проведен ИК-спектральный анализ немодифицированного и модифици-

рованного диатомитов. Полученные ИК-спектры показали, что с увеличением соотношения

CaO:SiO

происходит уменьшение интенсивности полос поглощения при 474 см

-1

и в облас-

ти 1000…1500 см

-1

, относящиеся к деформационным δ(≡SiOН) и валентным ассиметричным

(≡Si–O-Si≡) колебаниям группы кремний – кислород. Это связано с тем, что по мере уве-

личения содержания Са(ОН)

в реакционной смеси при модифицировании происходит по-

степенное заполнение поверхности кремнезема ионами кальция, которое на ИК-спектрах мо-

дифицированных диатомитов выражается постепенным уменьшением интенсивности полос

поглощения (≡Si–O) – групп.

При установлении эффективности известкового модифицирования диатомита было

изучено влияние соотношения CaO:SiО

, условий модифицирования, а также состава це-

ментной смеси на предел прочности при сжатии цементных композитов с различным содер-

жанием диатомита. В качестве исходного сырья использовался цемент М500 Д0 Алексеев-

ского ЦЗ. Основные результаты проведенных испытаний приведены в таблице 2. Из пред-

ставленных данных следует, что при введении модифицированного диатомита прочность

цементного камня увеличивается.

Таблица 2 – Оптимизация условий химического модифицирования диатомита

№

Мольное

отношение

СаО

:Si

Условия

модифицирования

Содержание

модифицированного

диатомита

цементе

мас

. %

Предел

прочности

при

сжатии

МПа

температура

, º

время

1 - - - 0,0 46,8

2 0,15 93-95 5,0 1,0 59,7

3 0,20 93-95 5,0 1,0 60,2

4 0,25 93-95 5,0 1,0 58,7

5 0,20 93-95 4,0 1,0 58,9

6 0,20 93-95 2,5 1,0 63,3

7 0,20 93-95 5,0 1,0 53,7

8 0,20 70-75 5,0 1,0 53,0

9 0,20 50-55 5,0 1,0 53,6

10 0,20 93-95 2,5 0,5 60,2

11 0,20 93-95 2,5 1,5 58,4

* –

после

суток

твердения

при

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

222

_________________________________________________________________________________________________________________

Согласно полученным данным, модифицирование диатомита необходимо произво-

дить при следующих оптимальных условиях:

– соотношение СаО:SiO

= 0,2 : 1;

– продолжительность процесса модифицирования 2,5 часа;

– температура среды 93-95ºС.

Значительное влияние на прочностные характеристики образцов оказывает содержа-

ние добавки. Максимальное увеличение предела прочности при сжатии цементных компози-

тов (на 35%) можно достичь при введении относительно небольших количеств химически

модифицированного диатомита (около 1% от массы цемента).

Это можно объяснить тем, что, во-первых, образовавшиеся при модифицировании

частицы гидросиликата кальция могут служить центрами кристаллизации этого соединения

из перенасыщенного раствора, образующегося при гидратации основного составляющего

цемента – трехкальциевого силиката; во-вторых – снижением общей пористости диатомита в

ходе модифицирования, вследствие частичного заполнения пор в результате хемосорбции

Са(ОН)

на их поверхности.

Было установлено, что модифицированный гидрооксидом кальция диатомит после

карбонизации практически полностью теряет свою эффективность как активная добавка. Это

может служить еще одним подтверждением того, что на поверхности модифицированного

диатомита образуются группы гидросиликатов кальция.

Таким образом, химическое модифицирование диатомита гидроксидом кальция по-

зволяет получить эффективную добавку в цементные системы, а также расширить ассорти-

мент используемых добавок.

Библиографический список

1. Дистанов, У.Г. Природные сорбенты СССР [Текст] / У.Г. Дистанов, А.С. Михай-

лов. – М.: Наука, 1990. – 168 с.

2. Айлер, Р. Химия кремнезема [Текст] / Р. Айлер. – М.: Мир, 1982. – Т. 2. – 706 с.

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

223

УДК 691:20.19

ЧЕРНЫШОВ Е.М.

(Воронежский государственный архитектурно-строительный

университет, г. Воронеж)

СТРУКТУРНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОМПОЗИТОВ: ВОПРОСЫ МАТ ЕРИАЛОВЕДЧЕСКОГО

ОБОБЩЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ (ЧАСТЬ 2)

Предисловие

Вторая часть публикации

∗

имеет целью:

1) обсуждение общих закономерностей формирования напряженно-деформирован-

ного состояния материала в строительной конструкции как следствия влияния однородности –

неоднородности его структуры на процессы диссипации энергии, локализацию и концентра-

цию напряжений и соответственно на показатели сопротивления разрушению (такое обсуж-

дение отвечает задаче выделения «центра» проблемы аналитического учета однородности –

неоднородности структуры с точки зрения определения материаловедческих направлений и

«структурных средств» повышения качества строительных композитов);

2) идентификацию структур строительных композитов (в первую очередь и в основ-

ном конгломератных) как иерархически организованных, многоуровневых по масштабу

структуры систем, наделяемых признаками однородности – неоднородности строения, и ха-

рактеризуемых соответствующими этому критериями;

3) формализацию структур конгломератных строительных композитов по признакам

однородности и неоднородности, реализуемым в материале как таковом и как образующем

строительную конструкцию.

О формировании напряженного состояния структурно-неоднородных

конгломератных композитов в строительных конструкциях

В первой части публикации уже затрагивались вопросы формирования напряженно-

деформированного состояния структурно-неоднородных строительных композитов при ме-

ханическом нагружении. Это давалось в контексте обобщения осуществленных нами нара-

боток [1-6] и касалось:

- схематизации процесса роста напряжений, развития деформаций и разрушения

конгломератных строительных композитов (на примере бетонов) как многоуровневых по

масштабу структур (полиструктурных систем);

- обсуждения существа роли структурных неоднородностей при формировании пара-

метров полей напряжения и деформаций в материале в ходе его механического нагружения;

- обоснования общего соотношения для величины локального максимального напряже-

ния как функции среднего макроскопического напряжения в расчете на все сечение, воспри-

нимающее внешнюю нагрузку, и коэффициентов усиления этого напряжения от действия со-

ответствующих концентраторов напряжения на n-масштабных уровнях структуры материала;

- характеристик введенных трех концептов управления процессом и показателями со-

противления разрушению.

Анализ механизма и качественной картины формирования напряженно-

деформированного состояния материала в условиях механического его нагружения исходил

из положения о том, что локализация и концентрация напряжений, являясь неотъемлемыми

чертами энергетического состояния композита, определяются характеристиками его состава,

структуры и состояния: структурно-неоднородный композит фактически является трансфор-

матором (преобразователем) энергии внешнего механического воздействия на материал в

энергию нагружения его внутренних структурных связей посредством ее диссипации, рас-

∗

Часть

см

Вестник

отделения

строительных

наук

. –

Вып

. 14,

. 1. –

Москва

Иваново

, 2009. –

. 196-221.

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

224

_________________________________________________________________________________________________________________

сеивания в структуре. И картина такого рассеивания определяется особенностями «конст-

рукции трансформатора», то есть состава, структуры и состояния материала.

В осуществленном анализе материал принимался как таковой, вне его связи со строи-

тельной конструкцией, которая обладает своей структурой и с которой материал с его структу-

рой находится в определенных отношениях соразмерности – в отношениях конгруэнтности.

Иными словами, существует проблема учета роли «структуры материала в структуре

конструкции» (проблема мегаструктуры). И ясно, что отмеченное требует развития и соот-

ветствующего расширения представлений о механизме и содержании процесса формирова-

ния напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородных композитов в сис-

теме «материал – конструкция – среда».

Отправным моментом здесь является картина напряженного состояния материала в

конструкции в увязке со структурой конструкции как системного объекта строительной ме-

ханики [7, 8]. Имеется в виду идентификация и характеристика эпюр напряжений, которые

необходимы для определения величин осредненных напряжений в материале как «старто-

вых» при силовом нагружении структурно-неоднородного композита, работающего в струк-

туре строительной конструкции. Обоснованным в этом смысле представляется следующее

обобщающее суждение.

Формирование напряженно-деформированного состояния структурно-неоднородного

строительного композита, работающего в строительной конструкции, определяется: а)

структурой строительной конструкции с ее механикой формирования зон (объемов), сече-

ний, видов и величин напряжений (эпюр напряжений); б) структурой материала в структуре

конструкции в смысле меры конгруэнтности размера структурных элементов материала ха-

рактеристическим размерам строительной конструкции; в) структурой материала как таково-

го с присущими ему закономерностями трансформации, преобразования посредством дисси-

пации, то есть рассеивания, энергии внешнего механического воздействия в неоднородной

многоуровневой по масштабу системе структурных связей материала (в последнем случае

начальная, на момент получения по соответствующей технологии, структура материала как

такового принимается эволюционирующей во времени вследствие параллельного протека-

ния и наложения, с одной стороны, процессов самоорганизации под влиянием внутренних

факторов, а, с другой, – процессов ее преобразования под влиянием внешних факторов с со-

ответствующим изменением характеристик неоднородности строения).

Картина поля напряжений и деформаций в объеме композита, работающего в конст-

рукции, не статична, а динамична. И это является следствием:

1) возможного изменения во времени параметров внешнего силового воздействия на

конструкцию и собственно материал;

2) возможного изменения термодинамического состояния структуры материала в про-

цессе ее самоорганизации и эволюции (под действием внутренних факторов);

3) возможного изменения термодинамического состояния структуры материала в про-

цессе ее взаимодействия с внешней средой (под действием температурных, влажностных,

химических, физических, биогенных и др. факторов среды);

4) возможного изменения состояния материала вследствие накопления повреждений в

его структуре.

В соответствии с указанным величина локализованного напряжения в структуре ком-

позита: σ

loc i

=f (x

, y

)σ

, (1)

где x

, y

– координаты местоположения локализованного напряжения в объеме материала;

–

момент времени оценки локализованного напряжения; σ

o i

= Р/F – величина среднего макро-

скопического напряжения в расчете на сечение F

, воспринимающее внешнюю нагрузку Р

Максимальное локализованное напряжение σ

loc

max

в i-том объеме материала, рабо-

тающего в конструкции при действии внешней механической нагрузки, будет соответство-

вать величине:

loc max i

= Φ [(К

…К

); К

тд

; К

эд

;

км

; К

гк

;

] σ

, (2)

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

225

здесь К

…К

– коэффициенты усиления напряжений от действия структурных элементов как

концентраторов напряжений на n-масштабных уровнях структуры материала как такового;

тд

– коэффициент усиления напряжений как следствие существования возможных техноло-

гических неоднородностей и дефектов материала в конструкции; К

эд

– коэффициент усиле-

ния напряжений как следствие влияния эксплуатационных изменений, накопленных в мате-

риале в конструкции к моменту

под действием явлений самоорганизации структуры и де-

структивных факторов среды; К

км

– коэффициент усиления напряжений как следствие влия-

ния коэффициента конгруэнтности макроструктуры материала в соотнесении ее с геометри-

ей конструкции (коэффициент масштабного фактора и масштабного эффекта); К

гк

– коэффи-

циент усиления напряжений как следствие влияния геометрии строительной конструкции и

схем загружения, предопределяющих по этой причине формирование зон (x

, y

) наиболь-

ших напряжений в ней.

В строительной конструкции и в материале, работающем в ней под нагрузкой, всегда

есть наиболее вероятные объемы (места) «перенапряжений» и вероятные «слабые звенья»

композита, обуславливающие возникновение критических, предельных состояний. Они по-

являются в зонах наибольшей концентрации напряжений из-за геометрии конструкции, а в

этих зонах – в местах технологической неоднородности и эксплуатационной дефектности

конструкции; в местах же технологической неоднородности и эксплуатационной дефектно-

сти – в зонах наибольшей структурной неоднородности (субстанциональной, геометриче-

ской, статистической) материала; а далее – в местах действия разномасштабных структуро-

образующих элементов материала, проявляющих себя в качестве концентраторов напряже-

ний на структурных уровнях материала.

Закономерное, детерминированное и одновременно вероятностное, стохастическое

сочетание и интегрирование этого и предопределяет потенциал и показатели сопротивления

композита разрушению в системе «материал – конструкция – среда».

Постулируемая (1, 2) трактовка процесса формирования напряженного состояния

структурно-неоднородных материалов, отвечающая методологическому условию рассмотре-

ния проявления свойств материала не только как такового, а как работающего в структуре

конструкции, «задает» содержание (состав) и соответственно алгоритм дальнейших аналити-

ческих рассмотрений. И главным здесь является, как раз, вопрос о величине осредненного

напряжения σ

, под действием которого оказывается «конструкция» структурно-

неоднородного строительного композита [8, 9].

В соотношении (2) величина σ

является функцией факторов геометрии конструкции,

схемы нагружения конструкции и времени:

(К

гк

; Р

;

). (3)

Проблема определения величины σ

в этом смысле решается в рамках положений ме-

ханики деформируемого твердого тела; действие фактора времени

на σ

выражается в реоло-

гическом поведении материала, в развитии в нем процессов ползучести и релаксации, что так-

же относится к предмету механики деформируемого твердого тела, строительной механики.

Анализируя формирование величины σ

в связи с проявлением категории неоднород-

ности строения материала, требуется учитывать влияние на нее фактора существования мак-

ромасштабной неоднородности и анизотропии структуры материала в структуре конструк-

ции. Это может являться следствием недостаточной однородности смешения, неравномерно-

сти уплотнения материала при формовании строительной конструкции, макроградиентности

степени его отвердевания, образования «пристенной» анизотропии макроструктуры, неодно-

родности температурно-влажностного состояния объема материала и т.п.

В результате чего σ

оказывается функцией, так сказать, технологической дефектно-

сти, усиливающей неоднородность. Соответственно:

(К

; σ

). (4)

Фактор времени

с развитием эксплуатационных воздействий среды и соответст-

вующим накоплением дефектов в материале, то есть нарастанием неоднородности во време-

ни, изменяет σ

в результате чего имеем:

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

226

_________________________________________________________________________________________________________________

III

= Θ[ К

эд

(

);

]. (5)

Очевидно, что σ

III

> σ

, (6)

поскольку формально вычисленное σ

в расчете на рабочее сечение в предположении бес-

структурности материала (модель сплошной среды) в реально структурированном материале

преобразуется в более высокие по сравнению с σ

внутренние напряжения.

Таким образом, еще до того как будет анализироваться формирование напряженного

состояния материала при учете влияния фактора мегаструктуры материала, то есть фактора

конгруэнтности его макроструктуры характеристическому размеру конструкции (масштаб-

ный фактор), потребуется учесть действие рассмотренных «атрибутов», то есть «появляю-

щихся» у категории неоднородность новых ее признаков, если (и когда) рассматривается

система «материал – конструкция – среда».

Учет фактора конгруэнтности дает:

= Z (К

км

;

III

). (7)

Ясно, что локальное максимальное напряжение в структурных связях материала, ра-

ботающего в строительной конструкции:

loc.max

>> σ

, (8)

так как величина σ

многократно возрастает при включении в действие концентраторов на-

пряжений К

…. К

на n-масштабных уровнях конгломератной структуры (внутренней струк-

туры) композита.

Именно на основе рассмотренных положений и постулируется выражение (2), которое

вытекает из логического сочленения выражений (3-7). Выражение (2) объединяет в себе все

возможные атрибуты категории неоднородность при рассмотрении проявления ее роли в

системе «материал – конструкция – среда».

Важно, что выражение (2), интегрирующее концепции и подходы расчетчиков и мате-

риаловедов-технологов, позволяет одновременно разделить задачи и тех и других в проблеме

повышения качества материала и конструкций по показателям эффективности их (материала

в конструкции и конструкции из материала) работы, предопределяемой возможностями

управления сопротивлением строительных композитов разрушению на основе оптимизируе-

мых процедур конструирования их структур с учетом доминантного положения и системно-

го расширенного толкования роли категории неоднородность строения в функционирующих

системах «материал – конструкция – среда».

В этом смысле в составе задач для материаловедов-технологов выделим:

1) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твердого тела в

отвлеченности от структуры конструкции;

2) задачу идентификации технологической дефектности как атрибута структурной не-

однородности композита в строительной конструкции;

3) задачу идентификации эксплуатационной дефектности, то есть «наведенной неодно-

родности» при работе композита в конструкции (по терминологии академика В.В. Петрова);

4) задачу идентификации композита как структурно-неоднородного твердого тела в

структуре конструкции, то есть материала, характеризуемого по параметрам мегаструктуры

и критериям ее конгруэнтности структуре конструкции, по параметрам технологической и

эксплуатационной дефектности и соответствующей неоднородности;

5) задачу аналитического учета показателей, критериев структурной неоднородности

в явлениях, процессах и параметрах формирования напряженного состояния материала в

строительной конструкции.

Разрешение этих задач является необходимой предпосылкой для обоснования материа-

ловедческих и технологических условий управления сопротивлением конгломератных строи-

тельных композитов разрушению, для обоснования процедур оптимизируемого конструирова-

ния их структур с целью повышения эксплуатационных качеств строительных конструкций.

Идентификация структурно-неоднородных конгломератных строительных ком-

позитов. Исходные посылки

Распознавание и представление, отождествление строения конгломератных по струк-

туре композитов понимается как этап, предшествующий формализации структурно-

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

227

неоднородных строительных композитов – формализации, необходимой для их физического

моделирования в целях соответствующих аналитических описаний напряженно-

деформированного состояния на основе постановки задач механики деформируемого твер-

дого тела для композитов этого рода. Такие постановки могут касаться вопросов совместной

работы системы «матрица – включение» из разнодеформируемых компонент, локализации и

концентрации напряжений в матрице от включений в нее твердых составляющих и пор, от

трещин и т.д. и т.п.

Идентификация как этап формализации структуры должна отвечать условию адекват-

ного отображения реального строения неоднородного композита в его моделях механики

деформируемого твердого тела, в соответствующих аналитических описаниях закономерно-

стей формирования напряженно-деформированного состояния, знание которых рассматрива-

ется в качестве фундаментального основания для решения вопросов управления сопротивле-

нием конгломератных строительных композитов разрушению через конструирование и оп-

тимизацию их структур, работающих в строительных конструкциях.

В контексте такого понимания места проблемы идентификации строения структурно-

неоднородных конгломератных строительных композитов обоснованной следует считать ло-

гику ниже представляемой схемы (рисунок 1). В логике данной схемы отражается важней-

шее концептуальное положение и развивающаяся тенденция сближения и интегрирования

интересов и подходов специалистов по механике деформируемого твердого тела [7, 8, 10],

механике материалов (композитов), механике конструкций [11-15], с одной стороны, мате-

риаловедов-технологов, с другой [9, 16-20].

Действительно, реализуя позиции 1, 2 представленной схемы, материаловеды дают

материаловедческую информацию для специалистов по строительной механике, механике

деформируемого твердого тела, механике композитов, разрабатывающих позиции 3, 4; затем

материаловеды, опираясь на эти разработки, аналитически раскрывающие существо влияния

характеристик и критериев структурной неоднородности на свойства композитов, решают

вопросы конструирования структур композитов (позиции 5, 6), а далее технологи выбирают

и реализуют рецептурно-технологические решения по получению композитов и конструкций

задаваемого качества (позиция 7, 8).

Методология идентификации структуры опирается на концепцию системно-

структурного подхода в строительном материаловедении, предусматривающем комплекс-

ность постановки задачи идентификации, системность представления строения композита,

качественную и количественную характеристику структуры, выполнение требования адек-

ватности ее отображения, достоверности оценки.

В соответствии с этим идентификация структуры должна осуществляться с учетом

следующих исходных посылок:

1) структурные элементы необходимо выделять по масштабным уровням материала,

располагаемым в определенной иерархической последовательности, отражающей, во-первых,

функциональную роль каждого масштабного уровня структуры в материале и, во-вторых, ха-

рактеристический размер его структурного элемента. Эта первая посылка связывается с рас-

смотрением возможностей и условий управления качеством материала через регулирование

параметров структуры на всех доступных технологическому влиянию масштабных уровнях;

2) структурные элементы масштабных уровней следует вычленять на основе значи-

мых признаков, которые, с одной стороны, связаны с особенностями возникновения и форми-

рования соответствующего структурного элемента (технологически значимые признаки), а с

другой, – с действием этого элемента на эксплуатационные свойства материала (функциональ-

но значимые признаки). Такое выделение структурных элементов позволяет обеспечить пред-

посылки как для оценки механизма действия структурного элемента на свойства материала,

так и для обоснования позиций по направлениям регулирования параметров этого элемента с

помощью технологических факторов управления структурообразованием;

3) структурные элементы должны рассматриваться во взаимной обусловленности.

Это положение вытекает из того, что изменение параметров любого структурного элемента

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

228

_________________________________________________________________________________________________________________

материала оказывает системное влияние на условия формирования в параметры других из

них. Например, величина объема порового пространства влияет на условия кристаллизации

новой фазы и ее характеристики; с другой стороны, изменение вследствие этого режима кри-

сталлизации отражается на морфологии и функции распределения по размерам частиц обра-

зующейся твердой фазы, что приводит к изменению распределения пор по размерам в объе-

ме порового пространства;

4) выделяемые структурные элементы должны быть измеряемыми, что является не-

обходимым условием их количественной оценки, установления количественных соотноше-

ний (зависимостей) между рецептурно-технологическими факторами, параметрами состава,

структуры, состояния и свойствами получаемого материала;

5) выделяемые структурные элементы должны приниматься с присущей им неодно-

значностью – двойственностью в смысле их роли в материале: с одной стороны, они явля-

ются его необходимыми конструктивными частями, обеспечивающими получение требуе-

мых, задаваемых свойств, а с другой, выступают как своеобразные «дефекты» структуры,

способные ухудшать другие свойства. Например, введение в материал дополнительного объ-

ема пор повышает термическое сопротивление материала, но одновременно вызывает сни-

жение его прочности.

Рисунок 1 – Место идентификации в логике решения задачи оптимизации строения

структурно-неоднородных конгломератных строительных композитов

Идентификация структуры конгломератного строительного композита (на при-

мере бетонов)

Строительные конгломератные материалы с полным основанием относятся к классу

композитов.

Идентификация

отождествление

строения

структурно

неоднородного

композита

Формализация

строения

структурно

неоднородного

композита

Обоснование

моделей

механики

композита

как

деформируемого

твердого

тела

Разработка

аналитических

соотношений

для

явлений

формирования

(

диссипации

локализации

концентрации

)

напряженно

деформированного

состояния

структурно

неоднородного

композита

учетом

факторов

строения

Обоснование

направлений

принципов

конструирования

структур

структурно

неоднородных

композитов

повышенным

уровнем

качества

по

потенциалу

сопротивления

разрушению

Алгоритмизация

процедур

конструирования

структур

Экспериментальные

исследования

по

конструированию

структурно

неоднородных

сис

тем

их

оптимизации

Обоснование

выбор

технологических

решений

по

получению

композитов

конструкций

задаваемого

качества

РОССИЙСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АРХИТЕКТУРЫ

СТРОИТЕЛЬНЫХ

НАУК

МОСКВА

–

ОРЕЛ

–

КУРСК

, 2011

_________________________________________________________________________________________________________________

229

Общими признаками структуры строительных материалов являются их многокомпо-

нентность, многофазность, полидисперсность, гетерогенность, полиструктурность, детерми-

нированность, стохастичность, дефектность, однородность – неоднородность.

Строительные конгломератные композиты постулируются как однородно-

неоднородные системы с многоуровневой иерархически организованной структурой, каж-

дый масштабный уровень которой представляет собой двухкомпонентное образование из

пространственно непрерывной матрицы и детерминированно-стохастически распределен-

ных в ней дискретных твердофазовых и газофазовых включений.

Объективной характеристикой двухкомпонентных образований «матрица-включение»

каждого масштабного уровня является граница раздела, имеющая контактную поверхность

и приграничный объем, то есть контактную зону, со свойствами, предопределяемыми меха-

но-физико-химическим взаимодействием субстанции матрицы и субстанции включения.

В рамках решения задачи идентификации строения бетона как структурно-

неоднородного твердого тела предложена соответствующая систематизация составляющих

его элементов, дана их иерархия (таблица 1) и охарактеризованы двухкомпонентные системы

«матрица – включение» по масштабным уровням структуры (таблица 2).

Опираясь на эти предложения, остановимся на вопросах идентификации матриц.

включений, контактной их зоны и границ раздела.

Касаясь матриц, прежде всего, отметим, что их субстанция явно неоднородна. По-

скольку речь идет о матрицах разномасштабного структурного уровня, она (субстанция) ока-

зывается различной по составу, плотности, пористости, механическим свойствам и т.п. При

формализации, физическом и математическом моделировании структурно-неоднородным

матрицам «будут присваиваться» признаки сплошной среды, основанием к чему может яв-

ляться принятие и обеспечение условия квазиоднородности структуры матричной субстан-

ции в межчастичных, межзерновых и межпоровых зазорах включений структуры более

крупного масштаба, в которой эта субстанция играет роль матрицы.

В бетоне, в качестве матричной субстанции, последовательно по масштабным уров-

ням структуры будут выступать (см. таблицу 1) цементно-песчаный камень, цементный ка-

мень (микробетон), цементирующее вещество, новообразования цементирующего вещества,

твердая фаза новообразований, субстанция единичного структурного элемента новообразо-

вания. И это будет соответствовать масштабному порядку от макроструктурного до наност-

руктурного уровня.

Идентификация включения должна касаться их субстанции и соответственно свойств,

а также размера и формы. Очевидно, что соответственно структурному масштабу включения

будут различаться по виду и своим характеристикам. В этом отношении, прежде всего, сле-

дует говорить о твердофазовых и газофазовых включениях (порах). В принципе к включени-

ям следует относить разновидности армирующих элементов дисперсного типа; к включени-

ям должны относиться и дефекты структуры, трещины.

Особо необходимо остановиться на включениях типа кластеров [21]. Дело в том, что

всегда существует и действует фактор кластеризации структуры, когда в первичной структу-

ре на разных ее масштабных уровнях возникают укрупненные образования, как бы «над-

структурные» объемы. Кластеризация – процесс объединения в некоем объеме, пространстве

некой системы ее составных частей в некое образование, дифференцирующее объем, про-

странство этой системы на более крупные составные части. Следствием кластеризации явля-

ется изменение характеристик однородности – неоднородности структуры системы, выра-

жающееся в появлении новых поверхностей, границ раздела. Реализация процессов образо-

вания кластерных единиц происходит при формировании ансамблей в ходе агрегации, фло-

кулирования, глобулизации, кристаллизации и т.п.