Закон створа. 
Строительное материаловедение. Т 1

^[1]

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 0-R — значений одного или нескольких технических свойств (рис. 3.8).

Рис. 3.7. Графическое выражение закона створа:

/ — средняя плотность; 2 — экономическая эффективность; 3 — пределы прочности; 4 — морозостойкость; 5 — внутреннее сцепление; 6 — упругоэластичсские 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 значении 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.

Рис. 3.8. Изменение прочности ИСК в пространственной системе координат 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 MN, 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 се в энергию связи между микрочастицами, тем ярче выступают экстремумы свойств как функции энергии. Положение экстремума обусловлено также минимумом микропор или других микродефектов в структуре.

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 микродефектов, 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.

• [1] Рыбьев И.А. Открытие закона створа, его сущность и значимость // Строительные материалы, технологии, оборудование XXI в. 1999. 3−4.