В технике составы твердых растворов приходится чаще всего определять при исследовании легированных сталей, в которые добавляются металлические составляющие (Сr, W, Ni и т.д.). Если в качестве примеси в сплаве на основе железа добавляют неметалл (например, С), то атом примеси не замещает атом основы, а внедряется внутрь элементарной ячейки, т.к. размеры атомов неметаллов существенно меньше размеров металлических атомов. При этом возникает твердый раствор внедрения. Примером твердого раствора внедрения является раствор углерода в железе, являющийся основой всех применяемых в технике сталей. При повышении температуры во многих металлах, в том числе в железе, кристаллическая структура меняется – аллотропическое превращение, в железе объемноцентрированная кристаллическая структура (атомы в элементарной ячейке расположены в вершинах и центре куба) переходит в гранецентрированную кубическую структуру (атомы в элементарной ячейке расположены в вершинах и центрах граней куба). На диаграммах состояния сплавов железа с другими элементами от температуры аллотропического превращения на оси ординат идет линия, соответствующая переходу от низкотемпературной к высокотемпературной фазе – линия фазового перехода. Низкотемпературная фаза на диаграммах состояния железо-углерод или железо-другой металл носит название феррит, высокотемпературная фаза – аустенит. При этом растворимость углерода в железе меняется от почти нулевой для феррита до 1,7% для аустенита. При дальнейшем увеличении содержания примеси обычно возникают химические соединения, состав соединения обозначен точкой на оси абсцисс и вертикальной линией на диаграмме состояния. При дальнейшем увеличении концентрации второй составляющей могут возникать соединения другого состава и, наконец, твердый раствор на основе другой составляющей. Реально на диаграмме состояния, как правило, имеются области существования нескольких фаз одновременно. Для сплавов железо – углерод это области существования феррита и химического соединения Fe3C – цементита. Малоуглеродистая сталь с 0,3% С состоит из фаз феррит и цементит. Фазы в сплавах могут образовывать различные структуры, наблюдаемые при металлографических исследованиях. Так в малоуглеродистой стали, структура состоит из двух составляющих – феррит (название фазы и структурной составляющей совпадают) и перлит, состоящий из двух фаз – феррита и цементита.
Металлографическое исследование сплава дает картину структурных составляющих, а рентгеновское исследование позволяет определить фазовый состав. Практически чувствительности рентгеновского метода исследования часто оказывается недостаточно для качественного и количественного определения второй фазы. В частности, обычные рентгеновские методы не позволяют определить наличие цементита в стали.
Свойства сплавов очень сильно зависят не только от химического, но и от фазового состава сплава. Сплавы со структурой твердых растворов имеют, как правило, высокую пластичность, а сплавы со структурой химических соединений высокую твердость и хрупкость. Реально в технике для достижения оптимального сочетания свойств применяют сплавы, состоящие из нескольких фаз. При разработке сплавов с заданными свойствами учитывают, что материалы, предназначенные для различных видов механической обработки давлением (прокатка, штамповка, ковка), которая проводится при высоких температурах, должны иметь при этих температурах структуру твердого раствора. Если при изготовлении и эксплуатации детали требуется высокая прочность и деталь не должна деформироваться, то целесообразно использовать сплавы, содержащие большую долю химических соединений. Среди железоуглеродистых сплавов такими свойствами обладают чугуны, содержащие очень много цементита.
Особенностью построения диаграмм состояния является то, что они представляют фазовый состав сплавов, находящихся в термодинамически равновесном состоянии. Однако резкие изменения температуры могут очень сильно изменять структуру и свойства сплавов. Примером может служить закалка стали – резкое охлаждение из области, где сталь имеет структуру аустенита. Этот вид воздействия на сплавы носит название термической обработки и его изучение имеет большое научное и практическое значение.
Применение бетонов в сборных и монолитных конструкциях
В практике строительства сборно-монолитные конструкции, сочетающие в одном конструктивном решении преимущества как сборного, так и монолитного железобетона, представлены достаточно широко и разнообразно. В зависимости от принятого конструктивного решения монолитный бетон, применяемый для объединения сборных элементов, может располагаться в пазах по контуру плит, на их поверхности либо в сочетании первых двух вариантов. При использовании для омоноличивания традиционных бетонов на портландцементном вяжущем в составных сечениях возникает дополнительное напряженно-деформированное состояние, вызванное действием длительных процессов (усадкой и ползучестью). Не оказывая существенного влияния на прочность конструкции, длительные процессы способствуют снижению ее эксплуатационных характеристик, в первую очередь трещиностойкости и жесткости. Длительные процессы в статически неопределимых системах приводят к появлению дополнительных усилий, зачастую значительной величины. Конструктивно-технологические мероприятия, направленные на исключение неблагоприятного влияния усадки, оказываются на практике малоэффективными.
Существенно повысить эксплуатационные характеристики сборно-монолитных конструкций становится возможным при выполнении монолитной части из напрягающего бетона. Отличительной особенностью напрягающего бетона является то, что в процессе твердения он претерпевает объемное расширение. При ограничении деформаций расширения (твердение в стесненных условиях) в напрягающем бетоне появляются собственные напряжения сжатия (самонапряжения). По существу появляется возможность выполнить предварительное напряжение конструкции без дополнительных затрат на механическое натяжение арматуры.
Установлено, что величина связанных деформаций напрягающего бетона, а как следствие и его самонапряжение, зависят от ряда конструктивно-технологических факторов, основными из которых являются марка энергоактивности напрягающего цемента и его расход в составе бетонной смеси; степень ограничения деформаций расширения, характеризуемая жесткостью ограничивающей связи; условия хранения бетона в конструкции.
Выявлены основные закономерности развития процесса самонапряжения в сборно-монолитных конструкциях с применением напрягающего бетона, доведенные на базе единого методологического подхода до расчетных зависимостей, позволяющих оценить исходное напряженно-деформированное состояние конструкции на стадии ее возведения
При применении напрягающего бетона в сборно-монолитной конструкции на стадии возведения формируется напряженно-деформированное состояние, диаметрально противоположное тому, что имеет место при усадке в традиционных конструкциях.
При применении же напрягающего бетона в качестве монолитной части плоскостных конструкций, в частности перекрытий и покрытий, на стадии расширения могут быть достигнуты дополнительные эффекты, выражающиеся в изменении исходной геометрии конструкции, когда перекрытие из плоского превращается в пространственную оболочку с малой стрелой подъема.
Вместе с тем следует постоянно помнить о том, что при применении напрягающего бетона на основе активных цементов может быть достигнут как положительный, так и отрицательный результат. Поэтому проектировать такие конструкции, исходя из простой замены портландцементного бетона на напрягающий, как это делают в случае обеспечения непроницаемости конструкции, нельзя.
В качестве иллюстрации представим априори (без расчетного обоснования) некоторые критерии, исходя из которых следует выполнить проектирование сборно-монолитных конструкций, в частности перекрытий различного назначения с монолитной частью из напрягающего бетона.
При анализе сборная часть конструкции рассматривается как пассивный элемент (PAS), который условно не изменяет своего объема в процессе возведения (принимается допущение, что усадка в сборном элементе полностью завершена). Монолитная часть, увеличивающая свой начальный объем, а следовательно, и линейные размеры, рассматривается как активный элемент (АСТ).
В результате расширения напрягающего бетона, расположенного по контуру сборного элемента, активная часть отделяется от пассивной, в стыке образуется и раскрывается трещина, конструкция становится непригодной для восприятия нагрузки (рис. 1, а). Более благоприятная ситуация наблюдается, когда сборно-монолитная конструкция располагается между упорами, обладающими конечной жесткостью (рис. 1, б), функцию которых выполняют, например, стены. Однако и в таких случаях использование напрягающих бетонов, даже с высокой маркой по самонапряжению, не дает ощутимого эффекта ввиду значительной жесткости ограничивающих связей. При последующей усадке самонапряжение монолитного бетона может быть в значительной степени или полностью погашено.
В противоположной ситуации, когда монолитный бетон располагается внутри сборной части (рис. 1, в), при расширении достигается обжатие контакта между монолитным и сборным бетоном. Пассивный контур сдерживает расширение, подвергаясь в свою очередь растяжению, что может привести к его трещинообразованию. Экспериментальные исследования показали, что в этом случае обязательным условием работоспособности такого перекрытия является наличие предварительного напряжения в элементах сборного контура. Несмотря на то что это несколько снижает эффективность решения, монолитная самонапряженная плита способна воспринимать значительные по величине нагрузки, работая практически без расчетного армирования. Однако при достаточно мощном внешнем ограничении со стороны сборного контура достигнутый уровень самонапряжения, оцениваемый по реакции ограничения, может быть, как и в случае жестких упоров, сравнительно легко погашен при последующей усадке монолитного бетона.