Зависимость свойств от структуры материала. Закон створа

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. Так, пористости П1 соответствует прочность камня R1 и прочность бетона R2, или прочности - пористость камня П1 и пористость бетона П2. Видно, что при равной пористости прочность бетона может быть выше прочности камня и что при равной прочности пористость камня меньше. 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 взаимодействия принимает минимальное значение, 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.

Характер оптимальной структуры зависит от состава и технологий изготовления конгломерата. В природных условиях он связан с генетическими процессами, закономерное течение которых нередко нарушается стихийными факторами. С изменением технологических или генетических условии оптимизация структуры наступает при иных соотношениях компонентов, новом вещественном составе конгломерата.

Строительным материалам с оптимальной структурой присущи определенные закономерности в формировании и сохранении структурно-чувствительных 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 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.

Закон створа устанавливает: оптимальной структуре соответствует комплекс экстремальных значений свойств. Его можно выразить как соответствие комплексу наиболее благоприятных показателей строительных и эксплуатационных свойств конгломерата оптимальной структуры. Еще полнее он изображается в пространственной системе координат с отложением: на оси абсцисс О - 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 - (с + ф) - содержания вяжущего или заполнителя, %, по массе; на оси ординат 0-R - значений одного или нескольких технических свойств.

Химические, физико-химические и технологические свойства. Оценка качества материалов Строительное материаловедение Закон и формулы прочности ИСК оптимальной структуры. Часть 1