М.М.ЛОРДКИПАНИДЗЕ, д-р техн.наук, проф. (Гоузинский технический ун-т), Механизм деформирования бетона и твердых тел при повторных нагрузках в поверхностно-активных средах
При исследовании несущей способности некоторых материалов было обнаружено, что после их нагружения наряду с упругой деформацией постепенно развивается замедленная ползучесть, затухающая во времени. Особенно подробно это явление было изучено на бетоне, деформируемом в обычных тепловлажностных условиях [1]. Проведенные нами совместно с В.К.Балавадзе эксперименты показали, что эта ползучесть обусловлена исключительно действием поверхностно-активных сред и носит обратимый характер. Исследования, проведенные на материалах разного состава и структуры (бетон, туф, гипс, стекло при увлажнении, сталь в водороде, резина и органическое стекло в бензине, монокристаллы нафталина в парах бензола), показали, что такая обратимая ползучесть носит самый общий характер и может рассматриваться как новая форма проявления эффекта Ребиндера, заключающегося в полном исчезновении этой дополнительной деформации при удалении поверхностно-активной среды [2-5].
При феноменологическом описании затухающей ползучести бетона в обычной тепловлажностной атмосфере использовались те или иные реологические модели [6]. Мы предложили модель, в которой главным элементом служило тело Кельвина.
При изучении обратимой затухающей ползучести бетона и других материалов в поверхностно-активных средах выяснилось, что на большинстве материалов наблюдается большое ускорение ползучести, если образец подвергается циклическому нагружению-разгружению в поверхностно-активной среде [2,3]. Такой режим может быть реализован двумя способами: а) при действии постоянной нагрузки (например, путем подвешивания к образцу груза) она снимается и затем вновь прикладывается; и так - несколько раз до достижения максимальной деформации обратимой ползучести; б) на разрывной машине (при растяжении) или на механическом прессе (при сжатии) образец при небольшой скорости нагружения доводится до заданного напряженного состояния, затем также медленно разгружается; такие циклы повторяются несколько раз, пока процесс нагружения-разгружения не будет давать прироста деформации. Схематически эти два вида испытаний представлены на рис. 1.
При нахождении образца без нагрузки в течение продолжительного времени накопившаяся деформация ползучести исчезает (на рис. 1 показано стрелкой) в результате проявления упругого последействия [7,8].
Результаты, полученные на разнообразных материалах в жидких поверхностно-активных средах, имеют аналогичный характер. Все они свидетельствуют, что предельная деформация обратимой ползучести достигается при циклическом нагружении во много раз быстрее, чем при постоянной нагрузке. Исключение представляют только опыты по изучению обратимой ползучести стали в среде газообразного водорода. Это наводит на мысль, что именно фазовое состояние поверхностно-активной среды играет первостепенную роль. Природу такого ускоренного развития докритических трещин при действии жидкой поверхностно-активной среды можно представить следующим образом. При растяжении образца в среде под постоянным растягивающим напряжением образуются докритические (по Гриффитсу) трещины-микрощели, развитие которых обеспечивается совместным действием механического напряжения и поверхностно-активной среды, с одной стороны, облегчающей разрыв связей в твердом теле, а с другой, - обусловливающей стабилизацию зародышевых трещин, которые, согласно термодинамике, должны были бы сомкнуться. Кинетика роста таких микротрещин определяется скоростью поступления поверхностно-активной среды в вершину трещины по тонким каналам.
В качестве конкретной модели можно предложить следующую простейшую дислокационную схему, представленную на рис. 2. Источник дислокаций Франка-Рида S под действием напряжения генерирует дислокации в плоскость скольжения, которые встречают на своем пути препятствие в виде границы зерна G и накапливаются перед ним. Передние дислокации сливаются, образуя совместное ядро D, представляющее собой выходящую на поверхность дислокационную трубку, служащую транспортным путем для движения поверхностно-активного вещества. Под действием напряжения при невозможности дислокациям преодолеть барьер, созданный границей зерна, в соседнем зерне, по Мотту, возникает микротрещина С [9,10].
В какой-то момент снимаем внешнее напряжение. Дислокации возвращаются в источник, дислокационное мультиядро по крайней мере частично смыкается, и поверхностно-активная жидкость оказывается запертой в трещине.
Внешнее напряжение, имевшее один компонент тензора напряжения, превращается в гидростатическое давление жидкости той же величины. Однако это давление - шаровой тензор, имеющий три компоненты напряжений. Поэтому к растягивающим добавляются и сдвиговые напряжения. По механизму гидроразрыва это приводит к ускоренному развитию трещины, и снятие нагрузки не только не приостанавливает распространение трещины, но, напротив, приводит к ее более быстрому развитию. Естественно, когда поверхностно-активной средой является газ, такого ускорения развития трещин при циклическом разгружении-нагружении не возникает, что и наблкадается в опытах, проведенных на стали в атмосфере газообразного водорода.
Следует подчеркнуть еще одну важную особенность явления обратимой ползучести твердых тел в по- верхностно-активных средах. Это полная обратимость явления. Сколько раз ни проводить цикл помещения образца в активную среду и ее последующее удаление, свойства образца остаются постоянными: при отсутствии среды величина упругой деформации не изменяется, в присутствии среды параметры обратимой ползучести также остаются постоянными. Это говорит об обратимости процессов образования докритических трещин как в термодинамическом, так и в механическом смыслах. Подобно классическим опытам И.В.Обреимова [11] с расщеплением слкщы в вакууме, когда было установлено, что трещина обратимо смыкается и для ее повторного образования требуется такое же усилие, зародышевые трещины в опытах по обратимой ползучести также полностью смыкаются при удалении поверхностноактивной среды.
Тем на менее возникает вопрос - почему все-таки происходит преждевременное разрушение механически напряженных конструкций (автоклавов, газовых труб и др.), когда действующее напряжение заведомо меньше критического, приводящего к необратимому развитию трещин? Ведь термодинамика запрещает образование трещин больше тех, которые соответствуют данной плотности упругого напряжения. Ответ может быть таков: термодинамика не запрещает объединение, коалесценцию трещин.
Пользуясь простейшей дислокационной схемой, можно представить, что дислокация, движущаяся в плоскости скольжения, в которой лежит трещина, вливается в эту трещину и затем выходит из нее с противоположной стороны. Это в определенных условиях эквивалентно перемещению трещины на одно межатомное расстояние. Можно также предположить, что такие зародышевые трещины движутся в неоднородном поле напряжения. Так или иначе, они, смыкаясь, могут образовать ту единственную трещину критической величины, которая послужит зародышем хрупкого разрушения материала в той поверхностно-активной среде, в которой эксплуатируется данная конструкция.
В заключение можно высказать следующие соображения:
1. Обнаруженное явление представляет собой одну из форм проявления эффекта Ребиндера, обусловленное облегчением развития микротрещин в результате снижения поверхностной энергии вследствие контакта с поверхностно-активной средой.
2. Термодинамическое описание явления основывается на схеме развития трещины по Гриффитсу с учетом снижения поверхностной энергии твердого тела в результате контакта с поверхностно-активной средой, а также на представлениях о зародышеобразовании в метастабильных условиях.
3. Феноменологическое описание собственно обратимой ползучести наиболее точно производится комбинацией из двух элементов Кельвина: при больших нагрузках, когда возникает некоторая доля необратимой деформации, к ним следует добавить комбинацию из параллельно соединенных элементов Гука и Сен-Венана.
4. Относительно молекулярного механизма проявления эффекта Ребиндера, в частности при развитии явления обратимой ползучести, можно сказать следующее.
Ранее считалось равноправным рассмотрение действия поверхностно-активного вещества как частицы, которая вступает во взаимодействие с напряженными атомами в вершине трещины и ослабляет их притяжение друг к другу, т.е. облегчает разрыв связи, либо как частицы, которая под действием двумерного давления «расклинивает» трещину, также облегчая ее развитие [12].
В последнее время предпочтение отдается первому механизму, поскольку было установлено, что такая физическая модель позволяет производить расчеты методом молекулярной динамики. Такие расчеты были проведены Е Д Щукиным и В.С.Ющенко для плоской двумерной модели и действительно показали ослабление и облегчение разрыва связи в виртуальном твердом теле в присутствии поверхностноактивного атома [13]. Для «расклинивания» трещины такой модели создать не удается, поскольку очень трудно моделировать геометрию микротрещины и распределение сил между атомами твердого тела и поверхностно-активной частицей.
В пользу первого механизма также говорит случай гидролитического расщепления стекла и других силикатсодержащих материалов, когда твердо установлено, что облегчение разрыва связи Si-О обусловлено одновременным разрывом связи Н-О в молекуле воды и перестройкой связей с образованием группы Si-OH на образовавшейся поверхностности трещины разрушения [14].
5. Явление обратимой ползучести твердых тел при действии поверхностно-активных сред служит уникальным инструментом исследования образования и развития докритических трещин в напряженных материалах.
6. Дальнейшее исследование этого явления может помочь в понимании природы и механизма внезапных катастрофических разрушений напряженных конструкций.
Бетон и железобетон, 2006 №2