Студопедия — ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРИ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ ИСК
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРИ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ ИСК






 

Под влиянием многообразия комбинаций микрочастиц в про­странстве, или комплекса этих комбинаций, формируются материа­лы, которые отличаются между собой типом связей, порядком сцеп­ления частиц и свойствами. Возможны изменения установившихся сочетаний и отношений частиц или их комплексов под влиянием температурных отклонений, изменений в величинах внешних давле­ний или других внешних факторов, что отражается на устойчивости равновесия структуры и числовых значений свойств. При каждом отклонении, возникшем в структуре материала, наиболее быстрому изменению подвержены механические свойства. Однако, нелегко установить и, тем более, выразить в конкретной или абстрактно-ло­гической форме характер установившейся зависимости между структурой и свойствами. Одно­му и тому же показателю свойств, например величине пре­дела прочности, могут соответст­вовать различные микро- и макроструктуры материалов, а од­ному и тому же структурному показателю — разные прочност­ные или другие свойства (рис. 3.5). Следует отметить, что и результаты испытаний при так называемых «равных» условиях опыта значительно отличаются между собой. Чтобы установить прямую или обратную взаимоза­висимость (корреляцию) между качественными и структурными показателями, необходимо срав­нивать их не при «равных», а со­ответственных условиях, когда структуры — оптимальные, а материалы (ИСК) становятся подобными друг другу. В оптимальных структурах ча­стицы не только равномерно распределе­ны в объеме материала, особенно на мик­роуровне в кристаллических решетках, но и на расстояниях, при которых силы при­тяжения и отталкивания равны между со­бой, а величина их равнодействующей равна нулю, что характерно для равно­весного состояния атомов в решетке. Энергия принимает минимальное значе­ние (рис. 3.6), вследствие чего система (ма­териал) обладает относительно устойчи­вым равновесным состоянием, положите­льно влияя на стабильность показателей свойств. Последние при оптимальных структурах принимают экстремальные значения. Следует, однако, учесть, что равновесное состояние может быть не то­лько устойчивым, подобно состоянию час­тиц в кристалле, но и неустойчивым, как, например, состояние частиц в кристалли­тах и гелях. В твердых телах пребывание частиц в неустойчивом равновесии может продолжаться неограниченное время.

 

Рис. 3.5. График зависимости между структурными и качественными показа­телями материалов (линия АВ характе­ризует снижение прочности бетона при повышении его пористости. Линия CD характеризует снижение прочности кам­ня при повышении его пористости. Вид­но, что при равной пористости П1 проч­ность бетона может быть выше прочнос­ти камня и что при равной прочности R1 пористость камня меньше, чем бетона)

 

Рис. 3.6. Общий характер сил Р и энергии U взаимодейст­вия в зависимости от рассто­яния между частицами (а) и результирующая сила (б):

1 — силы притяжения возраста­ют с уменьшением расстояния r; 2 — силы отталкивания быстро возрастают с уменьшением r; 3 — результирующая сила. При r=r0 сила P=0, а энергия взаимодейст­вия Uc →min

 

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

Строительным материалам с оптимальной структурой присущи определенные закономерности в формировании и сохранении структурочувствительных свойств. Эти закономерности именуют как за­коны оптимальных структур. Известно, что под законом понимает­ся существенная, устойчивая, необходимая (т. е. неслучайная) связь и взаимная обусловленность явлений и процессов. Законы оптима­льных структур выражают внутреннюю связь и взаимообусловлен­ность свойств и структурных параметров материала. Они распро­страняются на разнородные по составу и технологии изготовления материалы и, подобно другим многим законам, имеют объективный характер. Последнее указывает на то, что в аналогичном выраже­нии они имеются также и в природе. Человек стремится познать их в природе и использовать в своей практической деятельности.

 


3.2.1. ЗАКОН СТВОРА [17]

Закон створа устанавливает: опти­мальной структуре соответствует комп­лекс экстремальных значений свойств. Его можно выразить и как соответст­вие комплексу наиболее благоприят­ных показателей строительных и эксп­луатационных свойств конгломерата оптимальной структуры. На рис. 3.7 за­кон створа представлен графически в прямоугольной плоскостной системе координат «свойства — структурный фактор». Еще полнее он изображается в пространственной системе координат с отложением: на оси абсцисс 0-(с+ф) — одной из структурных ха­рактеристик, например содержания среды, фазового отношения, толщины (абсолютной или относительной) плен­ки среды в свежеизготовленном мате­риале и др.; на оси аппликат 0-(П+Щ) — содержания вяжущего или заполнителя, в % по массе; на оси орди­нат O-R — значений одного или неско­льких технических свойств (рис. 3.8).

 

Рис. 3.7. Графическое выражение закона створа:

1 — средняя плотность; 2 — экономическая эффективность; 3 — преде­лы прочности; 4 — морозостойкость; 5 — внутреннее сцепление; 6 — упругоэластические свойства; 7 — ползу­честь; 8 — подвижность;9 — коэф­фициент выхода смеси

 

Полученные по экспериментальным данным графические зависимости в си­стеме координат на плоскости или в пространстве для числовых зна­чений каждого свойства, непосредственно связанного со структу­рой, имеют характер экстремальных кривых. В них имеются две ниспадающих или возрастающих ветви с максимумом или миниму­мом числовых значений свойств между ними. Последние практиче­ски размещаются на одной прямой линии, т. е. в общем створе.

Все точки экстремумов данного свойства отражают структуру, при которой удовлетворяются необходимые требования ее оптима­льности: равномерное расположение частиц, минимум дефектов; непрерывность слоя вяжущего (или среды) при минимальной его тол­щине с минимумом фазового отно­шения (с/ф→min). Очевидно, что другие точки правой и левой ветвей экстремальной кривой не соответ­ствуют совокупности условий оп­тимальности структуры.

Из графиков видно, что неопти­мальных структур гораздо больше, чем оптимальных, поскольку на каждой экстремальной кривой име­ется только один экстремум пока­зателя свойств, тогда как на ветвях этой кривой, справа и слева от эк­стремума, имеется бесконечное

множество точек и каждая из них не соответствует условиям опти­мальной структуры. Вместе с тем линия МN, соединяющая вершины отдельных экстремальных кривых, представляет собой непрерыв­ную систему оптимальных структур и им соответствующих створов с определенными комплексами экстремумов свойств. Для конкрет­ных строительных целей выбирается тот створ, который удовлетво­ряет основным показателям качества материала по техническому проекту здания или сооружения, конструкции или ГОСТа. Выбору необходимого створа помогает общий метод проектирования опти­мальных составов ИСК. В кратком изложении он приводится ниже (см. 3.4).

У природных материалов, например горных пород (камня), та­кого рода непрерывно сменяющиеся системы оптимальных струк­тур встречаются реже. Для них более частым является формирова­ние отдельной оптимальной структуры какого-либо камня. И тогда для такой породы (песчаника, известняка и др.) действуют общие закономерности изменения свойств, аналогичные тем, которые от­мечались в отношении ИСК: по мере увеличения пористости как структурного показателя снижается величина упругих деформаций, прочности, средней плотности и других свойств. Закон створа в от­ношении природных материалов (горных пород, минералов, древе­сины) действует так же, как у ИСК, т. е. он является объективной за­кономерностью.

Возможно обратное действие закона створа: если материал об­ладает одним или большим количеством экстремальных значений свойств, непосредственно отражающих его структуру, то она, следо­вательно, оптимальная. Нередко достаточно и одного экстремума свойств, например максимума той или иной прочности, чтобы судить об оптимальности структуры материала.

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

Физическая природа явлений, обусловливающих действие зако­на створа, состоит в том, что при оптимальных структурах насту­пает уравновешивание сил притяжения и отталкивания между структурными микрочастицами. Вследствие этого значения сво­бодной энергии Гиббса и свободной внутренней энергии Гельмгольца становятся минимальными. И тогда в данных условиях воз­никает равновесная система, устойчивая или иногда может быть и неустойчивая, но стабильная в течение длительного времени. Чем полнее в технологический (или генетический у горных пород) пе­риод была израсходована свободная энергия с переходом ее в энергию связи между микрочастицами, тем ярче выступают экстре­мумы свойств как функции энергии. Положение экстремума обу­словлено также минимумом микропор или других микродефектов в структуре.

 

Рис. 3.8. Изменение прочности ИСК в пространственной системе коор­динат

 

Физико-химическая природа закона створа связана с поверхно­стной энергией, возникающей в результате дробления и измельче­ния исходных твердых материалов, а также под влиянием некото­рых других технологических операций, например введения добавок, нагрева. Увеличение дисперсности частиц и поверхностной энергии, равной произведению прироста поверхности на величину поверхно­стного натяжения, повышает активность компонентов к процессам структурообразования. В соответствии с принципом Гиббса-Кюри ускоряется выделение из растворов и расплавов новой, например кристаллической, фазы. Процесс же роста концентрации кристалли­ческой фазы обуславливает упрочнение материала, повышение плотности и улучшение качественных показателей, что при оптима­льных структурах приводит к возникновению комплекса экстрема­льных показателей свойств.

Технологическая природа закона створа (у искусственных) или генетическая природа его (у природных материалов) заключается соответственно в принудительном создании или формировании ес­тественным путем структуры, которая характеризуется минималь­ным содержанием микро дефекте в, минимумом капиллярных пор, способных удерживать инородный ингредиент (например, влагу), оптимальной плотностью. Общий метод проектирования оптималь­ных составов и структур материалов обеспечивает не только заранее заданный комплекс требуемых свойств, но и их экстремальные чис­ловые значения. Реализация запроектированного состава в техноло­гическом процессе позволяет получать материал оптимальной структуры и на уровне заданных показателей свойств, наиболее выгодный по экономической эффективности. Последнее следует, в частности, из того, что эффективность входит в створ наилучших показателей качества материала, становясь при оптимальной структуре как бы материализованной оценкой экономической эффектив­ности.

Закон створа позволяет создавать новые материалы со строго заданным набором и уровнем показателей свойств, улучшать каче­ство традиционных, решать другие практические задачи.








Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 666. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Шрифт зодчего Шрифт зодчего состоит из прописных (заглавных), строчных букв и цифр...

Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...

Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...

Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...

Репродуктивное здоровье, как составляющая часть здоровья человека и общества   Репродуктивное здоровье – это состояние полного физического, умственного и социального благополучия при отсутствии заболеваний репродуктивной системы на всех этапах жизни человека...

Случайной величины Плотностью распределения вероятностей непрерывной случайной величины Х называют функцию f(x) – первую производную от функции распределения F(x): Понятие плотность распределения вероятностей случайной величины Х для дискретной величины неприменима...

Схема рефлекторной дуги условного слюноотделительного рефлекса При неоднократном сочетании действия предупреждающего сигнала и безусловного пищевого раздражителя формируются...

Решение Постоянные издержки (FC) не зависят от изменения объёма производства, существуют постоянно...

ТРАНСПОРТНАЯ ИММОБИЛИЗАЦИЯ   Под транспортной иммобилизацией понимают мероприятия, направленные на обеспечение покоя в поврежденном участке тела и близлежащих к нему суставах на период перевозки пострадавшего в лечебное учреждение...

Кишечный шов (Ламбера, Альберта, Шмидена, Матешука) Кишечный шов– это способ соединения кишечной стенки. В основе кишечного шва лежит принцип футлярного строения кишечной стенки...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.014 сек.) русская версия | украинская версия