Популярное Бетоноведение, N 3 (11) 2006

Рубрика: Материалы: Ячеистый бетон
Алексей Чернов, г.Челябинск

ВАРИАТРОПИЯ

    
    Вариатропным называется объект, у которого вдоль заданной геометрической оси закономерно изменяется одно или несколько свойств - плотность материала, состав вещества (химический, минералогический, гранулометрический и т.п.), его структура, в частности количество, вид и форма различных границ раздела (в виде трещин, воздушных пор и так далее).
    
    
    В зависимости от изменяющегося свойства различают вариатропные тела переменной плотности, переменного состава и переменной структуры. Важна закономерность изменения свойств. У стохастически неоднородного тела свойства тоже меняются в направлении геометрических осей, но такой объект, в отличие от вариатропного, не обладает необходимой информативностью, и это не позволяет учитывать особенности изменения его свойств в силовых, теплотехнических и других расчетах объекта.
    
    Закономерность изменения свойств вариатропного объекта может быть выражена в любой форме: в виде строгой функциональной зависимости свойства от координаты, в виде аппроксимирующего графика, в виде эмпирической формулы, в виде табличных данных и т.п.
    
    Характерной особенностью и отличительным признаком вариатропного объекта является известный градиент свойства, показывающий, как быстро изменяется свойство вдоль выбранной оси. Тут возможны два крайних случая: или свойство не меняется совсем (градиент равен нулю) и объект однороден, или свойство меняется очень резко (градиент равен бесконечности) и объект слоистый. Истинно вариатропный элемент характеризуется плавным изменением свойства, т.е. его градиент больше нуля, но меньше бесконечности, а слоистость и однородность - всего лишь частные случаи вариатропии.
    
    Вариатропное строение имеет, например, кора Земли, у которой вдоль радиуса закономерно и достаточно плавно изменяются многие свойства: химический и минералогический состав, плотность, температура и пр. Кору Земли условно делят на ряд концентрических слоев: осадочный слой средней плотностью 2,45 т/м, гранитный (2,7 т/м), базальтовый (2,9 т/м). Подобная направленная неоднородность характерна и для атмосферы Земли. Это примеры спонтанной вариатропии.
    
    Но существует вариатропия и запрограммированная. Она характерна для объектов живой природы, как флоры, так и фауны (лист дерева, кости черепа, скорлупа гигантских яиц динозавров), а также для продуктов деятельности человека (вариатропные стеновые панели, плиты перекрытий).
    
    Человек давно использует слоистые элементы, это и оштукатуренные стены, и многослойная фанера, а вот истинно вариатропные изделия если и встречались, то как-то незаметно, без акцентов. Известно, как закаляется сталь: ее нагревают и резко охлаждают, например, в воде; сталь становится более твердой, но хрупкой. Известен также экзотический способ закалки знаменитых булатных клинков: мастер, с раскаленным клинком в вытянутой руке, скакал на коне во весь опор; при этом поверхность клинка быстро остывала и закаливалась, а сердцевина оставалась вязкой, клинок приобретал и твердость, и гибкость, его макроструктура была вариатропной.
    
    В технологии бетонов вариатропию начали использовать более ста лет назад, еще не зная этого термина. Заметили, что вода просачивается сквозь бетонные плиты, покрывающие берега каналов (она постепенно вымывает из бетона содержащуюся в нем известь). Тогда плиты стали выдерживать на воздухе 2-3 месяца, чтобы в поверхностном слое (толщиной 1-2 см) известь успела закарбонизироваться и превратиться в нерастворимый известняк; при этом поверхностный слой также приобретал вариатропную макроструктуру.
    
    Но наиболее полно в технологии бетонов вариатропия проявила себя с распространением крупноразмерных ячеистобетонных конструкций - плит покрытий и перекрытий, стеновых панелей. Этим строительным элементам сам бог велел быть вариатропными. Более противоречивых конструкций не придумаешь: они должны быть одновременно и максимально пористыми, чтобы сохранять тепло, и в достаточной степени непроницаемыми для дождя и ветра, т.е. плотными, и обладать необходимой прочностью (врагом которой является пористость).
    
    В идеале вариатропный ячеистобетонный элемент должен иметь в середине сечения минимальную плотность, а на одной или на двух противоположных поверхностях - защитные и несущие слои из более плотного бетона.
    
    Подобные двух- и трехслойные конструкции уже применялись, но не прижились. Прочность и плотность поверхностного слоя, воспринимающего негативные внешние воздействия, нельзя уменьшить ниже определенного предела. Плотность центральных слоев, казалось бы, можно снижать беспредельно, тем самым, повышая теплозащитные свойства конструкций, снижая расход материалов и вес элемента, но при этом недопустимо растет градиент свойств. Поверхностный и центральный слои все больше различаются и по прочности, и по деформативности (по усадке), и по всем другим свойствам, а это чревато деструкцией; разная паропроницаемость слоев приводит к накоплению конденсата, который снижает теплозащитные свойства, а замерзая с увеличением объема - разрушает конструкцию. Таким образом, многослойность ограничивает возможность снижения плотности ячеистого бетона, а значит, и совершенствования ячеистобетонных элементов.
    
    Спасением от указанных неприятностей является плавное, без резких переходов, изменение характеристик бетона, т.е. создание поверхностного слоя из бетона переменной плотности, получение истинно вариатропной макроструктуры.
    
    Плавное изменение свойств материала в конструкции полезно по многим причинам. Французский ученый Буссинеск решил математическую задачу о распределении напряжений в полупространстве, загруженном сосредоточенной силой. Выяснилось, что максимальные напряжения возникают непосредственно в точке приложения силы, а с глубиной они быстро, по квадратичной параболе убывают.
    
    Аналогичное затухание напряжений будет и в ячеистобетонном элементе, воспринимающем статическую или динамическую сосредоточенную нагрузку; нижележащие слои, экранированные собственным телом элемента, меньше подвержены разрушению. Соответственно, для восприятия механических воздействий предпочтительнее вариатропное строение элемента.
    
    Такое же затухающее поле негативных влияний возникает и в случае других разрушающих факторов: при удалении от поверхности элемента снижается деструктивное воздействие на материал и высоких температур, и замораживания, и агрессивной среды. В любом изгибаемом элементе наибольшие деформации и напряжения появляются в поверхностном (фибровом) слое, а с глубиной они плавно убывают.
    
    Один из законов вариатропии гласит: внутреннее поле свойств элемента должно соответствовать полю внешних воздействий. Только в этом случае возможна максимальная экономия материальных, трудовых и энергетических ресурсов при изготовлении элемента.
    
    Но если данное внешнее воздействие создает внутри элемента определенное затухающее поле напряжений, то непременно должно возникнуть такое же затухающее поле реакций на эти воздействия. Например, затухающее поле сжимающих напряжений в схватившемся, но еще не отвердевшем ячеистобетонном элементе, появившееся от действия сосредоточенной силы, приведет к появлению соответствующих деформаций сжатия, способных уплотнить ячеистый бетон и образовать слой переменной плотности.
    
    Аналогичным образом затухающее поле низких температур может в разной степени тормозить процесс вспучивания разных слоев газобетона и тоже создавать переменную плотность. К такому же результату приведет диффузия в газобетонную смесь химических веществ - пассиваторов коррозии алюминия, а также постепенное удаление воды из поверхностного слоя изделия.
    
    С учетом изложенных и других приемов предложено несколько десятков способов создания вариатропной макроструктуры ячеистобетонных изделий. Часть способов успешно внедрена в производство, что позволило экономить до 30% материалов, включая арматурную сталь, при одновременном снижении трудозатрат и энергоемкости процесса.
    
    Следует заметить, что вариатропная макроструктура целесообразна не только для ячеистобетонных элементов. Есть множество изделий из самых разных бетонов, у которых имеются и более, и менее нагруженные зоны. Например, стенка промышленной печи выполнена из жаростойкого бетона. Не секрет, что этот бетон, для повышения огнеупорности, может содержать в качестве заполнителя такой дорогой материал, как корунд, которым не гнушаются даже ювелиры. Спрашивается, полностью ли сечение стенки печи подвержено действию максимальных температур? Обязательно ли всю стенку насыщать драгоценностями? Не следует ли вспомнить о вариатропии? Тем более что способы перераспределения отдельных ингредиентов бетона по сечению элементов уже разработаны.