- •Теория строительного материаловедения
- •Глава 1 Общие сведения о строительном материаловедении
- •1.1. Некоторые исходные понятия
- •1.2. Исторические этапы развития строительного материаловедения
- •1.3. Теория искусственных строительных конгломератов
- •1.3.1. Классификация строительных материалов
- •1.3.2. Составные части общей теории иск
- •Глава 2 Теория структурообразования и оптимизации структуры иск (теоретическая технология)
- •2.1. Сырьевые материалы, поступающие на переработку в иск
- •2.2. Основные процессы в технологии строительных материалов
- •2.2.1. Подготовительные работы
- •2.2.2. Перемешивание отдозированных компонентов смеси
- •2.2.3. Формование и уплотнение изделий из смеси
- •2.2.4. Обработка отформованных изделий
- •2.2.5. Общая теория отвердевания матричных веществ в иск
- •2.3. Структура строительных материалов и изделий
- •Глава 3 Теория прочности, деформативности и конгруэнции свойств
- •3.1. Основные свойства строительных материалов
- •3.1.1. Механические свойства
- •3.1.2. Физические свойства
- •3.1.4. Технологические свойства
- •3.1.5. Оценка качества материалов
- •3.2. Основные закономерности при оптимальных структурах иск
- •3.2.1. Закон створа1
- •3.2.2. Закон и формулы прочности иск оптимальной структуры
- •3.2.3. Закон конгруэнции свойств
- •3.2.4. Деформационные свойства иск оптимальной структуры
- •3.3. Подобие оптимальных структур и две теоремы в теории иск
- •3.4. Научные принципы и общий метод проектирования состава иск оптимальной структуры
- •3.5. Корректирование проектного состава иск
- •3.6. Создание новых строительных конгломератов
- •3.7. Оценка технико-экономической эффективности иск оптимальной структуры
- •Глава 4 Теория долговечности иск в конструкциях
- •4.1. Общие понятия о долговечности материалов
- •4.2. Временные элементы долговечности материала
- •4.3. Критические уровни ключевых характеристик структуры и свойств
- •4.4. Теоретические расчеты долговечности и принятые в них ограничения
- •4.5. Некоторые вопросы надежности материала в конструкциях
- •Глава 5 Элементы теории методов научного исследования и технического контроля качества
- •Глава 6 Введение в практическую технологию
- •6.1. Основные компоненты и разновидности производственных технологий
- •6.2. Связь производственных процессов с общей теоретической технологией
- •6.3. Прогрессивные технологии в строительном материаловедении
- •6.3.1. Смысловые и количественные критерии
- •6.4. Оптимизирующие факторы при совершенствовании технологий до уровня прогрессивных
- •Практика строительного материаловедения (строительные материалы и изделия)
- •А. Природные строительные материалы и изделия
- •Глава 7 Древесина и древесные строительные материалы
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Состав, структурные элементы и свойства древесины
- •7.3. Анатомическое строение древесины
- •7.4. Качественные показатели древесных материалов
- •7.5. Пороки древесины
- •7.6. Защита древесины от гниения, поражения насекомыми и возгорания
- •7.7. Модификация древесины
- •7.8. Древесные породы в строительстве
- •7.9. Материалы и строительные изделия из древесины
- •7.10. Использование древесных отходов
- •Глава 8 Природные каменные материалы и изделия1
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Породообразующие минералы
- •8.3. Горные породы, применяемые в строительстве
- •8.4. Энергетическая активность минералов и горных пород
- •8.5. Закономерности свойств природного камня
- •8.6. Добыча и обработка природного камня
- •8.7. Материалы и изделия из горных пород
- •8.8. Защита природного камня в конструкциях
- •Б. Искусственные строительные материалы и изделия
- •1. Безобжиговые искусственные конгломераты
- •Глава 9 Строительные конгломераты на основе неорганических вяжущих веществ
- •9.1. Цементный камень как матричная часть в конгломератах и исходные компоненты
- •9.1.1. Вода и водные растворы
- •9.1.2. Неорганические вяжущие вещества
- •9.1.3. Воздушные вяжущие вещества и их производство
- •9.1.4. Гидравлические вяжущие вещества и их производство
- •9.1.5. Смешанные цементы как разновидности комплексных вяжущих веществ
- •9.2. Взаимодействие воды или водных растворов с неорганическими вяжущими веществами и процессы твердения
- •9.3. Заполняющие компоненты в конгломератах и добавки, вводимые в смеси
- •9.3.1. Заполнители неорганические
- •9.3.2. Заполнители органические
- •9.3.3. Наполнители
- •9.3.4. Добавочные вещества (добавки)
- •9.4. Основные разновидности строительных конгломератов
- •9.4.1. Общие сведения о бетонах
- •9.4.2. Тяжелые (обычные) бетоны
- •9.4.3. Легкие бетоны
- •9.4.4. Ячеистые бетоны
- •9.4.5. Арболиты (деревобетоны)
- •9.4.6. Специальные бетоны
- •9.5. Железобетон — изделия, конструкции
- •9.5.1. Общие сведения
- •9.5.2. Исходные материалы для железобетона
- •9.5.3. Производство сборных железобетонных изделий и конструкций
- •9.5.4. Технологические схемы изготовления сборных железобетонных изделий
- •9.5.5. Технология монолитного железобетона
- •9.5.6. Технический контроль и хранение железобетонных изделий
- •9.6. Разновидности других материалов и изделий на основе неорганических вяжущих веществ
- •9.6.1. Строительные растворы Общие сведения.
- •9.6.2. Сухие строительные смеси
- •9.6.3. Гипсовые и гипсобетонные изделия
- •9.7. Силикатные изделия автоклавного твердения
- •9.7.1 Общие сведения о силикатных материалах
- •9.7.2. Силикатный (известково-песчаный) кирпич
- •9.7.3. Известково-шлаковый и известково-зольный кирпич
- •9.7.4. Силикатные бетоны
- •9.7.5. Силикатные изделия ячеистой структуры
- •9.8. Асбестоцементные изделия
- •9.8.1. Общие понятия
- •9.8.2. Краткие сведения об исходных материалах
- •9.8.3. Основы производства асбестоцементных изделий
- •9.8.4. Продукция асбестоцементных заводов
- •9.8.5. Основные свойства асбестоцементных изделий
- •9.9. Строительные материалы на основе магнезиальных вяжущих веществ
- •9.10. Коррозия строительных конгломератов в эксплуатационных условиях
- •Глава 10 Искусственные строительные конгломераты на основе органических вяжущих веществ
- •10.1. Основные исходные материалы для получения иск
- •10.1.1. Битумы
- •10.1.2. Дегти
- •10.1.3. Отвердевание битумов и дегтей
- •10.1.4. Минеральные наполнители в качестве асфальтирующих добавок
- •10.1.5. Формирование асфальтового вяжущего вещества
- •10.2. Заполняющие компоненты в иск на основе органических вяжущих веществ
- •10.3. Основные разновидности иск на основе органических вяжущих веществ
- •10.3.1. Асфальтовые бетоны
- •10.3.2. Разновидности асфальтовых бетонов
- •10.3.3. Дегтебетоны
- •10.4. Деструкция асфальтобетона при эксплуатации покрытий
- •Глава 11 Строительные конгломераты на основе органических полимеров и пластмассы
- •11.1. Природные и искусственные органические полимеры
- •11.1.1. Полимеризационные полимеры (термопласты)
- •11.1.2 Поликонденсационные полимеры (реактопласты)
- •11.2. Наполнители, заполнители и добавочные вещества в иск
- •11.3. Основные технологические операции
- •11.4. Отверждение полимерных и наполненных вяжущих веществ
- •11.5. Разновидности искусственных полимерных конгломератов и пластических масс
- •11.5.1. Полимербетоны и полимеррастворы
- •11.5.2. Полимерные строительные материалы и изделия
- •11.5.3. Материалы для санитарно-технического оборудования и трубы
- •11.5.4. Отделочные полимерные материалы и изделия
- •11.5.5. Гидроизоляционные и герметизирующие материалы
- •11.6. Старение и деструкция полимерных материалов
- •Глава 12 Строительные конгломераты с применением комплексных вяжущих веществ
- •12.1. Конгломератные материалы на основе смешанных вяжущих веществ
- •12.2. Материалы и изделия на основе компаундированных и комбинированных вяжущих веществ
- •Глава 13 Теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.1. Общие сведения
- •13.2. Способы поризации материалов
- •13.3. Неорганические теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.4. Органические теплоизоляционные материалы и изделия
- •13.5. Полимерные теплоизоляционные материалы
- •Глава 14 Акустические материалы и изделия
- •14.1. Общие сведения
- •14.2. Звукопоглощающие материалы
- •14.3. Звукоизоляционные материалы и изделия
- •Глава 15 Гидроизоляционные материалы и изделия
- •15.1. Общие сведения
- •15.2. Жидкие гидроизоляционные материалы
- •15.3. Пластично-вязкие гидроизоляционные материалы
- •15.4. Упруго-вязкие и твердые кровельные и гидроизоляционные материалы и изделия
- •Глава 16 Материалы для отделочных работ: краски, лаки, обои
- •16.1. Общие сведения
- •16.2. Исходные основные связующие и вспомогательные вещества для лакокрасочных материалов
- •16.3. Пигменты в красочных составах
- •16.4. Основные разновидности красочных веществ
- •16 5. Антикоррозионная защита полимерными материалами
- •16.6. Обои для отделки стен
- •2. Обжиговые искусственные конгломераты
- •Глава 17 Керамические материалы и изделия
- •17.1. Общие сведения
- •17.2. Глина — основное сырье для строительной керамики
- •17.3. Краткие сведения из технологии керамики
- •17.4. Структура и природа свойств керамических материалов
- •17.5. Керамические материалы и изделия
- •Глава 18 Стеклянные и другие плавленые материалы и изделия
- •18.1. Значение стеклянных изделий в строительстве
- •18.2. Состав и строение стекол
- •18.3. Свойства стекол
- •18.4. Основы производства стекла
- •18.5. Стеклянные материалы и изделия
- •18.6. Материалы и изделия из шлаковых расплавов
- •18.7. Каменное литье и материалы на его основе
- •Глава 19 Металлические материалы и изделия
- •19.1. Общие сведения
- •19.2. Основы получения чугуна и стали
- •19.2.1. Получение чугуна
- •19.2.2. Получение стали
- •19.3. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •19.4. Углеродистые стали
- •19.5. Углеродистые конструкционные стали
- •19.6. Легированные стали и твердые сплавы
- •19.7. Термическая обработка стали
- •19.8. Сортамент стального проката
- •19.9. Алюминий и его сплавы
- •19.10. Коррозия железа и других металлов
- •Глава 20 Заключительная
4.4. Теоретические расчеты долговечности и принятые в них ограничения
Согласно закону конгруэнции, между вяжущим веществом и конгломератом на его основе существует при оптимальных структурах обязательное соответствие свойств. Обеспечение условий, при которых создается необходимая долговечность вяжущего вещества оптимальной структуры, в значительной мере предрешает задачу обеспечения долговечности самого конгломерата. И хотя присутствие в ИСК, кроме вяжущего, других структурных элементов (заполнителя, контактной зоны, пор и др.) вносит свои коррективы, иногда значительные, в долговечность, все же эти коррективы принципиально не изменяют характер основной зависимости между долговечностью ИСК и его вяжущей частью при оптимальных структурах. Для строительных конгломератов эта зависимость может быть выражена формулой:
(4.1)
где τT,σ — долговечность конгломерата оптимальной структуры, определенная при температуре Т и напряжении σ; τ*T,σ —долговечность вяжущего вещества оптимальной структуры при тех же условиях ее определения, что и конгломераты; х — отношение фазовых отношений в вяжущем веществе ИСК и в вяжущем веществе оптимальной структуры, т. е. (с/ф)/(с*/ф); n — комплексный показатель степени, отражающий нелинейность зависимости долговечности от фазового отношения вяжущего вещества в конгломерате и обусловленный разновидностью и характеристикой заполнителя, а при отсутствии его — величиной поверхности раздела фаз; как правило, показатель n является положительной величиной и, следовательно, τ < τ*.
Долговечность вяжущего вещества τ* как микродисперсной матричной части конгломерата может быть выражена на участке кривой 3 (рис. 4.1) формулой, принятой в кинетической теории прочности и развитой в работах С.Н. Журкова:
(4.2)
где τ0 — кинетическая постоянная, характеризующая материал; γ — структурный коэффициент (кДж/моль∙МПа); σt — расчетное напряжение при температуре t, МПа; k — постоянная Больцмана, как отношение универсальной постоянной к числу Авогадро: k = R/NA; T — абсолютная температура по шкале К; τ0, и0, γ — постоянные величины, зависящие от природы и структуры материала.
Числитель экспоненты и0 - γσt имеет размерность энергии и называется энергией активизации процесса разрушения, обозначаемой и. Поэтому можно записать:
(4.3)
или нередко формулу (4.3) записывают в виде:
(4.4)
Подставляя то или иное выражение τ * в формулу (4.1) долговечности конгломерата, можно написать, что
(4.5)
или, что то же,
(4.6)
Формулы (4.5) и (4.6) долговечности учитывают действие только механических напряжений — от момента нагружения до момента разрыва материала, но не учитывают воздействия агрессивной среды1. Они не учитывают также возможного упрочнения и стабилизации структуры в эксплуатационный период, поэтому остаются пока недостаточно полными.
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 времени отмечается неустановившийся уровень ресурса и его колебания вплоть до вероятности 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 уравнения справедливого для системы, сохраняющейся безотказной в 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 механических 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, эллиптические 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, 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.