лекции по долговечности. Лекция-1674099643628. Протокол 7 от 17. 01. 2023 Руководитель оп о. Мирюк
 Скачать 262.5 Kb.
|
|
Ф. 4 – 35 Лекционный комплекс Некоммерческое акционерное общество «Рудненский индустриальный институт» Высшая школа экономики и строительства ЛЕКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС по дисциплине «Долговечность материалов» для обучающихся образовательных программ «Дизайн» и «Дизайн среды обитания»
Рудный 2023 Раздел 1. Основные понятия о долговечности материалов Комплексной характеристикой качества материалов является надежность – способность выполнять заданные функции, сохранять основные свойства в заданных условиях в течение расчетного периода времени. Надежность предполагает безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность. Долговечность – способность сопротивляться внешним и внутренним факторам в течение возможно более длительного времени. Долговечность – способность материала длительное время служить в реальных условиях внешней среды. Долговечность – интегральная характеристика. Долговечность – комплексное свойство, количественно выражается продолжительностью эффективного сопротивления сложному воздействию внешних и внутренних факторов в эксплуатационный период работы материала до соответствующего критического уровня. Безотказность – свойство системы сохранять работоспособность в течение определенного или возможно более длительного времени без вынужденных перерывов на ремонт, или замену забракованного в конструкциях изделия. Показателем этого свойства служит вероятность безотказной работы материала, оцениваемой числовой величиной возможности появления случайного обстоятельства 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 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. 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 принцип надежности 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 системы в безотказном состоянии: чем полнее прошла оптимизация структуры, тем выше ресурс; чем дальше реальная структура находится от оптимальной, тем меньшим ресурсом обладает система, выше вероятность и ближе появление отказа. О долговечности пока судят по отклонениям в структуре материала, хотя первопричиной изменения свойств обычно служит нарушение микро- или макроструктуры, отклонение общей структуры от оптимальной. Основные, или ключевые, характеристики свойств и структуры имеют критические уровни, переход за пределы которых сопряжен со сравнительно интенсивным разрушением материла или срочным капитальным ремонтом конструкции. При выборе критических уровней ключевых показателей свойств ориентируются на требования действующих стандартов и строительных норм. В них указаны числовые показатели технических свойств материала и допустимые пределы их изменения. Основные или ключевые, характеристики свойств и структуры имеют критические уровни, переход за пределы которых сопряжен со сравнительно интенсивным разрушением материала или срочным капитальным ремонтом конструкции. Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих негативное влияние на состояние строительных материалов, можно выделить: механические – воздействие внешних нагрузок различной величины и интенсивности статического и динамического характера, а также массы материал; температурные – воздействие устойчивой температуры и ее колебаний в конструкциях зданий и сооружений; воздушную и газовую среду с содержанием в ней углекислого газа, пара, пыли и других примесей; водную среду с широкими пределами ее агрессивности; кислоты, щелочи, солевые растворы разных концентраций и другие жидкие среды, например растительные масла, нефтепродукты, которые имеют различную степень агрессивности по отношению к материалу; климатические, к которым, кроме упомянутых выше факторов, относятся также солнечная радиация, ветер, влажность воздуха; воздействие некоторых других возможных физических факторов – электрического поля и тока, излучения, электромагнитного поля. Кроме того, нередко на структурные изменения влияют спонтанные негативные явления в материале. Большую разрушительную активность по отношению к строительным материалам и конструкциям проявляют животные и растительные микроорганизмы и их производные – органогенные агрессивные среды. В реальных условиях на конструкцию и ее материал воздействует комплекс из двух или большего количества эксплуатационных факторов. Экономические аспекты долговечности строительных материалов: необходимо максимально снизить затраты на ремонтно-восстановительные работы для поддержания должного состояния сооружений; не допускать перерасхода материалов, энергии при изготовлении изделий; обеспечить надлежащие условия транспортировки и хранения строительных материалов, исключающие нарушение структуры и нежелательное изменение свойств материала. По данным многих источников, до 1% стоимости строительного объекта приходится на ремонтно-восстановительные Первый этап долговечности характеризуется упрочнением структуры или улучшением показателей свойств; второй – их относительной стабильностью; третий – деструкцией. Сущность упрочнения структуры на первом этапе долговечности заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок, инверсии фаз в эксплуатационный период в материале, возникают вначале на микроуровне, а со временем укрупняются новые (вторичные) структурные центры. Совместно с теми, которые возникли на ранней стадии формирования структуры (первичными), они участвуют в дополнительном процессе уплотнения структуры с увеличением концентрации той части твердой фазы, которая является основным носителем эффекта упрочнения. В результате не только наблюдается упрочнение структуры и рост прочности материала по отношению к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств. Примером материала с упрочнением структуры в эксплуатационный период может служить цементный бетон и его вяжущая (матричная) часть в виде цементного камня при контакте с водной средой и тем более со щавелевой кислотой. Последняя, проникая в поры, образует малорастворимые соли и плотные продукты с очень низкой диффузионной проницаемостью. Особенно часто эффект упрочнения наблюдается в связи с уплотнением новообразований при взаимодействии углекислого газа с известью в материале. Второй этап – стабилизация структуры – характеризуется сравнительно неизменной концентрацией структурных элементов и единице объема материала и относительным постоянством показателей свойств. Однако упрочнение структуры в эксплуатационный период может составить только тогда положительный эффект, если оно не явилось следствием так называемого «старения». Под последним понимается нередко наблюдаемое явление охрупчивания конгломератов на основе полимеров за счет химических реакций, или при рекристаллизации с увеличением в объеме новообразований. Старение переводит материал в состояние хрупкого микротрещинообразования и, в конечном итоге, резкого сокращения долговечности. Чем прогрессивнее технология или отдельные ее переделы в процессе производства конгломератов, 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 материала, применительно к данным эксплуатационным условиям. Экологические аспекты долговечности строительных материалов: сохранение защитных функций строительных материалов и исключение вредного воздействия защищаемого объекта на окружающую среду: разрушаемый материал — потенциальный загрязнитель всех элементов окружающей среды; риск техногенной катастрофы, как за счет самопроизвольного разрушения материала, так и за счет его низких показателей в период экстремального воздействия. Раздел 2. Дефекты структуры материалов Структура (внутреннее строение) материала – пространственное расположение частиц разной степени дисперсности (измельченности) с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой. В понятие структуры входят также: расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и других структурных элементов. Микроструктура – расположение, взаимоотношение и взаимосвязь различных по размеру атомов, ионов и молекул, из совокупности которых слагаются различные вещества. Макроскопическое строение – устойчивое расположение, взаимосвязь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков, аморфных сравнительно крупных частиц, составляющих материалы, а также соотношения компонентов. Структура не остается «застывшей»: в пространстве и во времени непрерывно претерпевает изменения. Этому, в частности, способствует постоянное движение элементарных частиц, атомов, молекул; взаимодействия материала с окружающей средой. Микроструктуру изучают с помощью оптических методов, электронной микроскопии, дифференциально-термического анализа, рентгенографии и других методов. В реальных материалах имеется большое число различного рода микро- и макродефектов, развитие которых приводит к разрушению тела. Существуют различные классификации дефектов в зависимости от рассматриваемого уровня их иерархической структуры. Для материалов с зернистой дисперсной фазой – матрицы (связующее) и включений (заполнителей) – наибольшее признание получило разделение дефектов на два рода. Дефекты первогорода – округлые дефекты типа пор. Дефектывторогорода – остроконечные дефекты типа трещин. Возможно совмещение дефектов, например, пора с трещиной. Различия в распределении напряжений у отверстий различной конфигурации, относящихся к дефектам первого рода (треугольник, прямоугольник, овал), не очень существенны. Формирование полостей и капилляров происходит с сохранением объективной закономерности – минимума поверхностной энергии, соответствующей круговым очертаниям поверхностей. Разрушению предшествует длительный этап предразрушения. Этот этап характеризуется последовательным выходом из строя малопрочных и перегруженных элементов, с перераспределением доли нагрузки от разрушившихся на сохранившиеся прочные элементы. Пора – мельчайшая скважина (отверстие) между частицами вещества в твердом теле бетона. Поровое пространство материала – объем, не заполненный твердой фазой исходных материалов и новообразований (несплошности, полости). Определенный объем, иногда значительный, в микроструктуре занимают замкнутые и сообщающиеся поры или те и другие вместе. На поверхности материала за счет внешнего расслаивания появляются щели и рыхлые места, неплотности, иногда пустоты и микротрещины усадочного характера, возникающие при значительном температурном и влажностном перепадах. Основные поверхностные дефекты, проявляемые при эксплуатации изделий, обусловлены различными причинами: вздутие, растрескивании, расслоение и другие. Раздел 3. Методы оценки состояния материалов Долговечность может быть с некоторым приближением определена теоретическим методом, что позволяет ее прогнозировать. Более точное прогнозирование долговечности осуществляется при сочетании теоретического расчета и экспериментальных данных. Теория методов научного исследования и технического контроля качества выражает совокупность приемов в теоретическом познании качественных характеристик, закономерностей, лежащих в основе методов испытания материалов. 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 требованиями. Этот познавательный процесс как первая ступень экспериментального исследования по своему существу адекватна техническому контролю качества. Более высокой ступенью познания структуры и свойств материалов является эксперимент. Научная глубина эксперимента зависит от состояния теории. Получаемые новые экспериментальные данные как дополнительные факты используются при дальнейшем развитии теории или служат объективным критерием достоверности положений. Дилатонно-компрессонная теория деформирования и разрушения. 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. Для получения объективной информации о долговременном поведении бетона необходимо исследовать его свойства не только в проектном возрасте, но также в более поздних сроках, проводить исследования поведения материала на основе сопоставления кинетики изменения свойств по сравнению со стандартными материалами или ужесточить методы исследований известными способами. Такие методы исследований должны показать не только проектные, но и предельные свойства бетона с использованием исследуемого материала в качестве сырьевого компонента бетонной смеси. Важно обеспечить требуемую повторяемость результатов при стандартных испытаниях. Разработан способ оценки параметров поровой структуры с помощью телевизионной установки, совмещенной с компьютером. Метод определяет показатели интегральной и дифференциальной пористости: площадь пор, расстояние между ними, форму пор. Такой метод в сочетании с определением характеристик открытых пор позволяет прогнозировать морозостойкость бетона. Этот метод может быть использован также при оценке эффективности воздухововлекающих добавок. Систематизация методов оценки свойств материалов, используемых при определении долговечности, приведены в таблице 1. Выбор независимых методов, объединение их в классы и отбор в комплексы согласовывается с определением масштабного уровня. Для разных материалов 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 уровне. В теории методов научного исследования конгломератов установлено пять масштабных уровней и соответственно пять классов комплексов независимых методов научного познания (таблица 1). Таблица 1 – Классы комплексов методов оценки долговечности материалов
В них сосредоточены объективные комплексы независимых методов научного познания и отдельные независимые методы , 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. 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). Из всех методов структурного исследования предпочтительны 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. 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. Это составляет важную задачу материаловедения. Теория методов научного исследования и технического контроля качества продолжает развиваться и совершенствоваться 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. Раздел 4. Характеристика трещин в материалах Трещины в материалах уменьшают жесткость конструкции, увеличивают их проницаемость, понижают морозостойкость, способствуют коррозии. Общими характеристиками трещин являются: – размеры – длина, глубина, ширина раскрытия; – форма продольного и поперечного сечения (прямые и косые по отношению к арматуре; расположенные вдоль арматуры; клиновидные и с прямыми стенками); – сообщаемость с гранями конструкции (сквозные, несквозные, замкнутые). По ширине раскрытия различают трещины: волосные; видимые невооруженным глазом; зияющие. Ширина раскрытия допустима в пределах 0,1 – 0,3 мм (в зависимости от вида конструкции). Магистральная трещина – прорастает через сечение материала, сквозная. Трещина – признак нарушения целостности, предтеча разрушения; ворота для агрессии. По происхождению трещины различают: технологические – образование связано с изготовлением изделий; эксплуатационные – появляются в процессе службы изделий. По условиям образования трещин: растрескивание материала под влиянием внешних сил окружающей среды (связано с физико-механическими свойствами компонентов бетона); растрескивание под влиянием сил взаимодействия материала, как изотропной сплошной системы, с окружающей средой; в основном образование трещин связано с небольшой растяжимостью бетона (0,1 – 0,2 мм/м); растрескивание в результате взаимодействия компонентов материала под влиянием окружающей среды; возникающие напряжения обусловлены разнородными свойствами компонентов, под влиянием которых действуют разные по значению и знакопеременные деформации, приводящие к собственному напряженному состоянию. По характеру воздействия окружающей среды на материала: под действием усилий (нагрузка, собственная масса, сейсмические воздействия, сейсмические воздействия и другие, форма различная); усадочные ( при интенсивной потере влаги поверхностными слоями по сравнению с ядром; форма — клиновидная, глубина до десятка см, но не насквозь; являются причинами образования сквозных трещин при внешней нагрузке; при отсутствии внешних сил поверхносные силы имеют тенденцию к закрытию); температурные (образуются в местах больших перепадов температур при колебаниях температуры конструкций большой протяженности); коррозионные (образуются в защитном слое за счет растягивающизх напряжений в материале, которые развиваются). В подавляющем большинстве случаев процесс разрушения бетона происходит в результате прорастания одной из трещин или семейства разветвленных трещин через его сечение. Такие трещины часто называют магистральными. После нагружения материала магистральная трещина в течение долгого времени не наблюдается, а затем, появившись и с большой скоростью “пробегая” через образец быстро его разрушает. Как показывает анализ сложившихся к настоящему времени представлений о закономерностях хрупкого разрушения, в материалах типа бетона протекают следующие физические процессы: 1) образование зародышевых микротрещин; 2) страгивание микротрещин (нестабильный рост); 3) распространение или блокировка (торможение) трещин в достаточно характерном для данного материала объеме, содержащем такие структурные элементы (границы заполнителей, поры и полости различного происхождения), которые могут быть препятствиями для микротрещин, а также при попадании трещины в зону действия сжимающих напряжений. Раздел 5. Воздействие воды на состояние и свойства материалов Значение воды для материалов трудно переоценить. Вода – компонент сырьевых смеси, определяющий ее реологические свойства. Вода – неотъемлемая активная составляющая многих разрушительных процессов материалов. Цель защиты материалов от разрушительного влияния окружающей среды фактически сводится к защите от воздействия воды. Выявленные (количественные) признаки увлажнения определяют отбором проб и их обработкой по измерениям электропроводности и других параметров. Внешние (качественные) признаки увлажнения материалов: – изменение цвета конструкций – мокрые, наличие темно-серых или выцветших пятен, потеки краски и другое; – вспучивание, растрескивание штукатурки, образование «дутиков»; – застойный, затхлый воздух в помещении; – коррозия металлических конструкций. Известные способы защиты стен от увлажнения объединяют в группы. Первая группа – создание препятствий на пути влаги к конструкциям: – водонепроницаемые преграды в грунте на пути воды к конструкции, выполняемые набивкой глины, нагнетанием битума, петролатума, путем электросиликатизации; – дренаж вокруг здания или со стороны притока воды; – водонепроницаемый экран (гидроизоляция) на поверхности конструкции из битума, химических пленок, рулонных материалов на битуме; – защита бетонных изделий от капиллярного всасывания влаги или ликвидация самого эффекта всасывания (гидрофобизация). Вторая группа – восстановление или устройство новой гидроизоляции путем пробивки в цокольной части паза с закладкой в него слоя гидроизоляции; плавления кладки током и другие. Третья группа – электроосмотическая защита – пассивная и активная, в том числе гальваноосмос. Четвертая группа – устройство водонепроницаемой преграды – тампонаж. Водостойкость материалов зависит от растворимости соединений. Понятие водостойкости неразрывно связано с водонепроницаемостью материала. При этом водостойкость и водопроницаемость неравнозначны понятию гидрофобности – несмачиваемости водой. Материалы, обладающие полной водонепроницаемостью, могут быть как гидрофобными, так и гидрофильными. Водостойкость материала определяется факторами: – способностью взаимодействовать с водой и растворенными в ней веществами или растворятся в воде; – величиной активной поверхности взаимодействия, определяющей скорость гетерогенной реакции. Большое влияние на эти факторы оказывает структура твердого тела. Характер структурного построения твёрдых тел определяют основные физико-механические свойства. Скорость разрушения бетона в водной среде зависит от концентрации агрессивно действующих веществ и интенсивности их притока к поверхности. При благоприятных сочетаниях характеристик агрессивной среды и свойств находящегося в ней бетона процессы коррозии могут протекать в направлении образования новых частей цементного камня, приводящих к уплотнению и упрочнению бетона. Следовательно, при определенных условиях возможно управление процессами коррозии для обеспечения высокой долговечности материалов. Раздел 6. Агрессивные среды, действующие на материалы Изменение свойств материалов во времени носит необратимый характер и зависит от эксплуатационных нагрузок и взаимодействия со средой. Воздействия агрессивной среды приводят к существенным изменениям деформационно-прочностных свойств материалов. Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих негативное влияние на состояние строительных конструкций и материалов, можно выделить механические – воздействие внешних нагрузок различной величины и интенсивности статического и динамического характера, а также собственного веса изделий; температурные – воздействия устойчивой температуры и ее колебаний; воздушную и газовую среду с содержанием в ней углекислого газа, пара, пыли, и других примесей; водную среду с широкими пределами ее агрессивности; кислоты, щелочи, солевые растворы разных концентраций и другие жидкие среды, например растительные масла, нефтепродукты; климатические, к которым. Кроме упомянутых факторов солнечная радиация, ветер, влажность воздуха; воздействие некоторых других возможных физических факторов – электрического поля и тока, излучения, магнитного поля. Изменение свойств материалов во времени носит необратимый характер и зависит от эксплуатационных нагрузок и взаимодействия со средой. Воздействия | |||||||||||||||||||||||||||||||||||