STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

воздействия агрессивной среды1. Они не учитывают также возможного упрочнения и стабилизации структуры в эксплуатационный период, поэтому остаются пока недостаточно полными.

1 Патуроев В.В., Соловьев Г.К. Устойчивость полимерных бетонов. ФИП. 78 Eighth Congress, ProceeDynojs: Pariti, 1978.

111

4.5. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ МАТЕРИАЛА В КОНСТРУКЦИЯХ

Более широким и емким свойством ИСК и качеством конструкций из них, чем долговечность, является надежность. Она тоже выражает комплексное свойство материала или системы, но содержит в своей характеристике большее количество критериев: безотказность, сохраняемость, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность — свойство конгломерата (системы) сохранять работоспособность в течение определенного или возможно более длительного времени без вынужденных перерывов на ремонт, или замену забракованного в конструкциях изделия и т.,д. Показателем этого свойства служит вероятность безотказной работы материала, оцениваемой числовой величиной возможности появления случайного обстоятельства (события) с нарушением безотказности работы. Отказом называют потерю работоспособности материала (системы) вследствие недопустимого изменения структуры и свойств под влиянием внешних воздействий и внутренних процессов.

Сохраняемость — свойство конгломерата (системы) сохранять приданные ему в технологический период качественные характеристики на стадиях хранения, транспортирования и последующего времени, обусловленного технической документацией. Это свойство количественно оценивается продолжительностью хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

Долговечность — комплексное свойство, количественно выражаемое продолжительностью эффективного сопротивления сложному воздействию внешних и внутренних факторов в эксплуатационный период работы материала (см. 4.1) до соответствующего критического уровня.

Ремонтопригодность — свойство материала, выражающееся в способности к восстановлению неисправности, обнаруженной вследствие отказа. Показателем ремонтопригодности служит средняя продолжительность ремонта на один отказ данного вида, а также трудоемкость и стоимость устранения случайных дефектов, приведших к отказу.

С теоретических позиций за основной исходный принцип надежности ИСК принимают оптимальную структуру при условии правильно принятых компонентов, технологических параметров и режимов. Оптимальная структура, созданная с учетом эксплуатационных условий работы материала в конструкции, обеспечивает формирование повышенного ресурса как меры вероятности пребывания материала (системы) в безотказном состоянии: чем полнее прошла оптимизация структуры, тем выше ресурс; чем дальше реальная структура находится от оптимальной, тем меньшим ресурсом обладает ИСК, выше вероятность и ближе появление отказа.

Одним из числовых критериев оптимальных структур, как было показано выше, служит величина А в уравнении (3.15). Если А = 1, то структура — оптимальная, параметр А становится индикатором подобия, интенсивность отказов — наименьшая и равна λ0, время между двумя соседними отказами — наибольшее и равно τ0 = 1/ λ0. Если А ≠ 1, то структура — неоптимальная и поэтому интенсивность отказов λ нарастает тем в большей мере, чем дальше отстоит реальная структура от оптимальной по соответствующим критериям оптимальности. Время между двумя соседними отказами τ < τ0 и с ростом интенсивности отказов быстро уменьшается, поскольку τ = 1/λ. Таким образом, с увеличением или уменьшением индикатора А, по сравнению с его величиной, равной единице при оптимальной структуре, уменьшаются и ресурсы. Но вместе с тем следует учесть, что технологически полученная оптимальная структура в дальнейшем сохраняет тенденцию к непрерывному изменению под влиянием совокупности факторов, складывающихся при транспортировании, монтажных и других строительных работах и, главное, в эксплуатационный период с возможным проявлением временных элементов долговечности (см. 4.2), в том числе и упрочнения структуры, а следовательно, ростом ресурса, а также с деструкцией, т. е. снижением ресурса. В каждый данный момент

112

времени отмечается неустановившийся уровень ресурса и его колебания вплоть до веро- ятности первого отказа. По аналогии с принципами Л. Больцмана (S = k·lnW, где S — энтропия, W— термодинамическая вероятность, k — постоянная величина) можно, по- видимому, выразить и ресурс надежности: r = lnW. Это следует после логарифмирования

течение времени τ от момента начала его отсчета при τ = 0.

Отсюда следует, что чем прогрессивнее технология или отдельные ее переделы в процессе производства ИСК, чем полнее использованы способы упрочнения и стабилизации структуры, торможения деструкционных явлений, чем больше структура приведена в состояние устойчивости и равновесности с меньшей сохранившейся внутренней и поверхностной свободной энергией, тем выше ресурс как функциональная мера надежности избежать первого и последующих отказов, т. е. выше безотказность, сохраняемость, долговечность конструкции, изготовленной из этого ИСК, применительно к данным эксплуатационным условиям.

И тем не менее, хотя ресурс и выступает в качестве функциональной меры надежности, он за больший или меньший период эксплуатации объекта под влиянием внешних и внутренних факторов, неуч генных в период прогнозирования, может достичь своего минимума. Последнее неизбежно приведет к необходимости срочного капитального ремонта строительного объекта, а возможно — и к разрушению объекта или отдельных его конструктивных элементов. Теория ИСК на данном этапе своего развития придерживается дилатонно-компрессонной теории деформирования и разрушения1. Сущность ее в кратком изложении заключается в следующем.

Атомно-молекулярные частицы системы находятся во взаимосвязи и непрерывном движении. В этом атомно-молекулярном множестве внутренняя энергия распределена случайным образом. Если система представлена упорядоченной, оптимальной и даже кристаллической структурой, то и тогда возможны флуктуации значений энергии частиц. Значения флуктуации могут быть как меньше средней величины энергии частиц, т. е. отрицательное ее значение, называемое дилатоном, так и больше средней, т. е. положительное ее значение, называемое компрессоном. Воздействие на систему меха- нических эксплуатационных факторов приводит к новому перераспределению внутренней энергии, к прогрессирующему размножению флуктуации обоих знаков, изменению энергетического уровня атомно-молекулярных частиц в системе, нарушению орбит движения, в том числе валентных электронов, порождению ангармоничности тепловых колебаний атомов твердого тела.

Атомы могут оказаться в двух принципиально различных критических положениях: дилатонном и компрессонном. Первое возникает при увеличении доли кинетической энергии за счет уменьшения потенциальной, что в конечном итоге завершается отрывом атома от узла кристаллической решетки, неограниченным возрастанием площади эллиптических орбит валентных электронов, отрывом их от своих атомов с выходом из твердых или жидких тел (электронная эмиссия). Второе положение достигается при преобразовании кинетической энергии в потенциальную. При этом энергетический уровень атома опускается, амплитуда ангармонических колебаний уменьшается, эл- липтические орбиты валентных электронов вырождаются в круговые, атом теряет связь с ближайшим окружением. Если первое (дилатон-ное) критическое положение атома сопровождается появлением значительных внутренних усилий и микродеформированием с их переходом в дальнейшем на макроуровень (без механодеструкции), то второе (компрессонное) критическое положение сопровождается потерей связи между атомами,

1 Комаровский А.А. Механизм разрушения бетона и перспективные меры обеспечения его долговечности. Киев. 1988.

113

особенно между теми их группами, которые характеризуются пониженной температурой и высокой плотностью, что может завершаться появлением микроразрушений, чему благоприятствуют и рядом расположенные дилатоны. Микродеформирование и микроразрушение с переходом в перспективе на макроскопический уровень находятся как бы в единстве, а разрушение под силовым воздействием внешних нагружений системы имеет дилатонно-компрессионную природу. Достоверность такого механизма разрушения непосредственно следует из кинетического уравнения прочности (4.2)1, поскольку τ0 и τ

— периоды финитного движения атомов в компрессионном состоянии и на любом другом энергетическом уровне.

1 Журков С Н Дилатонный механизм прочности твердых тел // ФТТ. 1983, т. 25, № 10.

114

Глава 5

Элементы теории методов научного исследования и технического контроля качества

Теория методов научного исследования и технического контроля качества является четвертой частью общей теории искусственных строительных конгломератов. Она выражает совокупность приемов и операций в теоретическом познании качественных характеристик ИСК, закономерностей, лежащих в основе методов испытания материалов при оценке их свойств в лабораторных и производственных условиях разрушающими и адеструктивными способами, приборами, аппаратами и автоматизированными средствами.

Первичным познавательным процессом служит наблюдение, проводимое в необходимых случаях с применением измерительных средств. Получаемых сведений обычно достаточно, чтобы судить о качестве материала при сравнении их со стандартными или проектными требованиями. Этот познавательный процесс как первая ступень экспериментального исследования по своему существу адекватен техническому контролю качества.

Высокой ступенью познания структуры и свойств ИСК является эксперимент. Научная глубина эксперимента зависит в первую очередь от состояния теории. Получаемые новые экспериментальные данные как дополнительные факты используются при дальнейшем развитии теории или служат объективным критерием достоверности теоретических положений, средством доказательства правильности научных предположений (вероятных гипотез). «Науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений» (Леонардо да Винчи).

Экспериментальные исследования ИСК производятся в основном с привлечением конкретных независимых методов1. Для получения надежных и объективных результатов одновременно может применяться несколько независимых методов, соединяемых в комп- лексы. Выбор методов научного познания, объединения их при необходимости в комплексы и обобщение методов исследования составляют главное звено методологии в общей теории ИСК. Для разных конгломератов могут использоваться одинаковые или близкие между собой независимые методы и их комплексы, особенно когда экспериментальные исследования проводятся на одном уровне дисперсности частиц материалов или на одном масштабном или структурном уровне.

В теории методов научного исследования ИСК установлено пять масштабных уровней и соответственно пять классов комплексов независимых методов научного познания (табл. 5.1). В них сосредоточены объективные комплексы независимых методов научного по- знания и отдельные независимые методы (табл. 5.2), что составляет основу согласованного, или гармонического, применения качественных и количественных методов научного исследования. Другая закономерность в этой теории устанавливает взаимосвязанный и взаимообусловленный характер классов, комплексов, независимых методов научного познания и получаемой с их помощью научной информации о структурных уровнях и объектах исследования в целом. Реальные возможности этой закономерности в методологическом отношении наглядно показаны на рис. 5.1.

Таблица 5.1. Классы комплексов и масштабные уровни исследований

1 Рыбьев И.А., Нехорошее А.В. Исходные методические позиции при исследовании ИСК // Строительные материалы. 1980, № 2. С. 24—26.

115

Выбор независимых методов, объединение их в классы и отбор в комплексы согласовывается с определением масштабного уровня объекта изучения. Выделяют его

116

существенные структурные характеристики и их влияние на ключевые свойства конгломерата. Устанавливают взаимосвязь и взаимозависимость между объектом, целью исследования и методами научного познания.

Рис. 5.1. Схема взаимосвязи и взаимозависимости:

a — между объектом изучения и методами научного познания (объект → структурный уровень → класс → комплексы); б — между целью исследования и методами научного познания (цель → комплекс → независимые методы)

Независимые методы познания могут быть прямые (например, оптические, микроскопические, электронно-микроскопические, рентгеновские) и косвенные (например, адсорбционные—для газов, пара, растворов, ртутной порометрии, капиллярной конденсации, проницаемости и др.). Из всех методов структурного исследования предпочтительнее, когда это возможно, пользоваться прямыми, хотя и встречаются трудности на некоторых уровнях исследования.

Для каждого структурного уровня выбирают свои классы, комплексы независимых методов, соответствующие явлениям и процессам, характерным для данного уровня, что обеспечивает наибольшую достоверность получаемых результатов исследования.

При разработке новых или совершенствовании традиционных методов и комплексов важно исходить не только из факторов, которые разделяют методы (цель исследования), но также из факторов, которые объединяют методы (объект и уровни исследования). На стадии экспериментальных работ предпочтение отдают комплексным методам, которые позволяют изучать как изменение свойств конгломерата, так и структурообразующие и деструкционные явления и процессы. При анализе результатов экспериментального изу- чения свойств ИСК устанавливают степень их соответствия закону створа и другим законам оптимальных структур. Последнее дополнительно позволяет убедиться в надежности и объективности принятых методов научного познания и их комплексов, а также в оптимальности структур ИСК.

Практическая значимость отмеченных выше закономерностей и правил применения объективных методов научного познания и их комплексов состоит еще и в том, что они позволяют совершенствовать известные и прогнозировать, разрабатывать новые методы исследования и технического контроля качества. Последнее составляет важную задачу общей теории ИСК и в целом строительного материаловедения. Теория методов научного исследования и технического контроля качества продолжает развиваться и совершенство- ваться в направлении увеличения количества независимых методов и их комплексов, базирующихся не на условных, а на инвариантных характеристиках качества, находить более точные выражения в физическом и математическом моделировании технологий в лабораторных условиях и конгломератов со сходными (подобными) оптимальными структурами. Некоторые новые физические и физико-химические методы исследования служат и для технического контроля как в процессе изготовления, так и при оценке качества готовой продукции. Особенно полезными в технологиях материалов являются методы определения: удельной поверхности измельченных твердых материалов — порошков как наполнителей, цементов как вяжущих и др.; влияния поверхностно-

117

активных веществ на величину поверхностного натяжения на границе двух фаз, вводимых в систему с целью гидрофобизации, гидрофилизации, воздухововлечения, пластификации и т. п.; количества выделяемой теплоты при различных процессах (смачивания, адсорбции, твердения цемента, кристаллизации и других) с помощью микрокалориметров или других методов (термосного, адиабатического, изотермического и пр.); структурно- механических свойств пластично-вязких систем с помощью пластометров, вискозиметров, сдвиговых приборов; кинетики схватывания и отвердевания материалов с использованием электрических и ультразвуковых методов и соответствующих им приборов; характеристик пористости строительных материалов различными методами — сорбционными, микроскопическими, ртутной порометрии, основанными на взаимодействии материала с жидкостями и газами, рентгенографическими, механическими. Каждый из этих методов имеет свои пределы измерения радиусов пор, как правило, в пределах 10-7 — 10-3 см.

Особым вниманием пользуются в строительном материаловедении адеструктивные методы измерений количественных показателей свойств изделий или образцов. Испытания не сопровождаются разрушением или нарушением структуры материала. Наиболее распространены акустические, комплексные, магнитные и электромагнитные, механические, радиометрические, рентгеновские и электрические методы. Они основаны на прямых и обратных зависимостях между физическими значениями, получаемыми при испытании неразрушающим прибором, и традиционными показателями свойств. Зависимости выражаются в виде формул, графиков, таблиц. С помощью этих методов определяют прочностные и деформативные показатели, модули упругости, среднюю плотность, влажность, фазовый состав; производят контроль качества и дефектоскопию. Измерения становятся более эффективными при комплексном использовании адеструктивных методов исследования с получением двух или нескольких физических характеристик.

В технологический и, особенно, в эксплуатационный периоды возникает необходимость в измерениях деформаций, вызываемых влиянием набухания, силовых, усадочных, температурных и других внешних и внутренних факторов с помощью оптических компараторов, индикаторов часового типа, дилатометров, тензометрических приборов, а также путем комбинирования различных методов и приборов; коррозионной стойкости к действию агрессивных сред в напряженном и свободном от напряжений состояниях. В целях сокращения сроков практикуются ускоренные физико-химические методы испытания морозостойкости, микротрещинообразования, определения тепловых и акустических характеристик и др.

118

Глава 6

Введение в практическую технологию

6.1. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И РАЗНОВИДНОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специфика производственной технологии заключается в ее конкретном предназначении и регламентации. Производственные технологии подразделяются по характеру выпускаемой продукции. Поскольку разновидностей строительных материалов и изделий насчитывается множество, то и количество соответствующих им специфических технологий также составляет весьма значительную величину. Некоторые виды продукции изготовляют по нескольким технологиям и за счет этого возможно превышение числа технологий над количеством этой продукции. Но на практике возможно и уменьшение числа технологий в связи с выпуском по одной технологии нескольких разновидностей продукции.

Более широкое обобщение производственных технологий позволяет разделить их всего на две группы. К одной группе относятся технологии, в которых четко представлена физико- механическая переработка сырья. К другой группе относятся технологии в промыш- ленности строительных материалов с четко выраженной химической переработкой сырья; чаще их называют химическими технологиями.

Еще более полно обобщение производственных технологий с объединением их как бы в единую технологическую систему возможно на базе ограниченного числа основополагающих элементов. К последним могут быть отнесены три главных: сырье; энергия; оборудование (аппаратура). Поэтому, когда, например, оценивается степень прогрессивности той или иной технологии (см. 6.3), то эти элементы выступают в качестве главных критериев. По ним проводят сравнения с соответствующими показателями мировых достижений в аналогичных отраслях промышленности строительных материалов. Присутствуя во всех технологиях, они отличаются, в каждой из них своими специфическими особенностями.

Сырье может быть: минеральным и органическим; природным и искусственным; жидким, твердым или газообразным. Для каждой разновидности строительных материалов и изделий имеются и свои традиционные или наиболее эффективные новые виды сырья, своя степень их готовности к участию в технологии переработки, свой рациональный технологический регламент и ему соответствующий технический контроль качества как на стадии прохождения сырья, так и при оценке готовых материалов и изделий.

Энергия на предприятиях применяется механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и др. Наибольшим расходом отличаются электрическая и тепловая; пока слабо используются на предприятиях строительных материалов атомная и нетрадиционные виды энергии — солнечная, ветровая, гравитационная и др. Основным источником энергии служит топливо — горючие вещества, при сжигании которых возникает тепловая энергия. По происхождению топливо делится на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.). В настоящее время понятию «топливо» придается более широкое значение. Оно распространяется на все материалы, которые в состоянии быть источниками энергии, например ядерное топливо, ракетное топливо и др. Тепловая энергия преобразуется на ТЭЦ в электрическую. В свою очередь электроцентраль вырабатывает также теплоту, отпускаемую потребителям в виде пара и горячей воды. Теплота преобразуется и в механическую энергию. Последняя генерируется в теплоси- ловых установках и используется для привода в движение механических машин, используемых, в частности, для производства строительных материалов и изделий.

119

Оборудование (аппаратура) в технологиях отличается многообразием. О нем обычно судят по наиболее значимым конструктивным узлам и деталям, а также по производительности в единицу времени, степени автоматизации, металлоемкости, безотказности и другим показателям надежности, качеству выпускаемой продукции (полуфабриката). Следует выделить оборудование, используемое на основных переделах. На стадии подготовительных работ используют механические дробильные машины и мельницы как непрерывного, так и периодического действия. Среди них — центробежные, шахтные, струйные, вибрационные, конусные инерционные, шаровые, вальцевые, дезинтеграторные, стружечные (дисковые, барабанные, роторные и другого типа станки), дереводробилки молоткового и других типов, голлендеры и бегуны для распушки асбеста, гасители для распушки извести. Эти машины переводят сырье в дис- персное состояние разного масштабного уровня.

На стадии фракционирования сырья или измельченной массы применяют грохота и вибрационные сита, установки барабанного типа. При выполнении подготовительных работ обычно требуются вращающиеся сушильные барабаны или другие виды нагревательной аппаратуры, затем по технологической цепочке — дозаторы для порошкообразных, зернистых и жидких компонентов автоматические периодического и непрерывного действия, в том числе с фотоэлектрической системой управления.

На стадии приготовления смеси (массы) функционируют смесители гравитационные периодического или непрерывного действия; принудительного действия с включением при необходимости системы нагрева смеси; мельницы-мешалки; оборудование для дистанционной или полной автоматизации операций по приготовлению смеси с поточным или противопоточным нагревом смеси, с принудительным или свободным перемешиванием; оборудование для формования изделий, полотен или покрытий вибрационными и невибрационными методами, в частности, ленточные, шнековые, вакуумные и безвакуумные прессы, экструдеры, центрифуги, торкретные установки, прессующие штампы, трамбовки, машины листо-формующие и стеклоформующие, моторные катки обычные и вибрационные, а также комбинированные; установки для обработки отформованных изделий, в том числе камерные туннельные сушилки, другие тепловые камеры периодического и непрерывного действия, горизонтальные и вертикальные сушилки, автоклавы. Используют установки для электропрогрева горячим формованием; обогрева в электромагнитном поле и при различных иных источниках теплоты — электрических, газовых, лучистой энергии, солнечной и др.; химической обработки с помощью введения химически активных порошков в формуемые смеси, инъекцией химически активного газа или жидкости; комбинированных методов обработки-физико-химических, окрасочно-адсорбционных и др.

120