Формирование маршрута магистральной трещины разрушения в многоуровневой структуре конгломератных строительных композитов

В публикации конгломератные строительные композиты (бетоны) идентифицируются как гетерогенные твёрдые тела с иерархически организованной пространственно-геометрической структурой характеристической размерностью от 10^-10 до 10^-1 м, обладающей минимум 5-6 масштабными уровнями и тремя типами конструкции подструктур, различающихся по своему масштабу, генезису и механике проявления свойств. Первый тип характерен для макро-, мезо- и микромасштабного уровней и принимается в виде двухкомпонентной «конструкции» из пространственно непрерывной матрицы и детерминировано-стохастически распределённых в ней дискретных твёрдых и газообразных (макропоры) включений; второй тип относится к субмикро-, ультрамикро- и наномасштабным уровням и полагается в виде «микромасштабной пространственной конструкции» новообразований цементирующего вещества из консолидированных индивидуальных кристаллических разностей; третий тип, наконец, соответствует атомно-молекулярному строению новообразований цементирующего вещества. Дается характеристика выделяемых типов подструктур по масштабу слагающих их компонентов, особенностям формирования, механике проявления свойств, критериям конструирования и средствам синтеза каждой подструктуры.

Анализируются закономерности формирования маршрута трещины разрушения в подструктурах всех типов и субстанции каждого масштабного уровня. При этом развитие напряженно-деформированного состояния конгломератного композита по принципу диссипации энергии, локализации и повышения (концентрации) напряжений реализуется в направлении от макро- к атомно-молекулярному уровню структуры композита, а само же разрушение и, соответственно, формирование маршрута трещины во времени и в пространстве композита проходит в направлении от атомно-молекулярного уровня к макроуровню каскадно через все промежуточные структурные уровни. В рамках интегрированного механо-физико-химического подхода показывается место термофлуктуационной теории (физика разрушения) на этапах разрыва единичных атомномолекулярных связей и механики трещин на этапах развития микро- и макроповреждений. Обсуждаются возможности применения теоретических закономерностей формирования маршрута трещины для постановки и решения практических задач конструирования и синтеза оптимальных структур конгломератных строительных композитов.

1. Беликов В.Т. Условия реализации возможных режимов развития процесса разрушения твердого тела // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2020. № 2. С. 28-39. doi:10.31857/S0572329920010055

2. Dong W., Wu Z., Zhou X. On fracture process zone and crack extension resistance of concrete based on initial fracture toughness // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 49. Pp. 352-363. doi:10.1016/j.conbuildmat.2013.08.041

3. Дамаскинская Е.Е., Фролов Д.И., Пантелеев И.А., Гафурова Д.Р. Идентификация критического состояния деформированных горных пород // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2018. № 1(34). С. 116-123. doi:10.5281/zenodo.1196713

4. Колчунов В.И., Кузнецова К.Ю., Федоров С.С. Модель критерия трещиностойкости и прочности плосокнапряженных конструкций из высокопрочного фибробетона и фиброжелезобетона // Строительство и реконструкция. 2021. № 3(95). С. 15-26. doi:10.33979/2073-7416-2021-95-3-15-26

5. Леденев В.В., Однолько В.Г., Нгуен З.Х. Теоретические основы механики деформирования и разрушения. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2013. 312 с.

6. Miura T., Sato K., Nakamura H. The role of microcracking on the compressive strength and stiffness of cracked concrete with different crack widths and angles evaluated by DIC // Cement and Concrete Composites. 2020. Vol. 114. Pp. 103768. doi:10.1016/j.cemconcomp.2020.103768.

7. Трещев А.А., Захарова И.А., Судакова И.А. О вариантах выбора диаграмм деформирования композитных материалов и не только // Эксперт: теория и практика. 2022. № 2(17). С. 81-90. doi:10.51608/26867818_2022_2_81

8. Чернышов Е.М. Макеев А.И. Материаловедение и технология строительных композитов как система научного знания и предмет развития исследований. Часть 3. Системная идентификация "конструкции структуры" конгломератных строительных композитов (в качественной постановке проблемы) // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2021. № 3(747). С. 5-26.

9. Чернышов Е.М., Макеев А.И., Коротких Д.Н. Базовые положения механики проявления конструкционных свойств конгломератных строительных композитов. Часть 1. Обзор результатов теоретических исследований проблемы конструирования и синтеза структур современных высокотехнологичных бетонов // Известия вузов. Строительство. 2020. № 8. С. 43-51

10. Соколова Ю.А., Кондращенко В.И., Кесарийский А.Г. и др. Расчетно-экспериментальные исследования внутренних напряжений в строительных материалах // Эксперт: теория и практика. 2020. № 4(7). С. 60-65. doi:10.24411/2686-7818-2020-10037.

11. Селяев В.П., Селяев П.В., Лазарев А.Л. и др. Фрактальная квантово-механическая модель деформирования и разрушения бетона // Региональная архитектура и строительство. 2022. № 4(53). С. 31-40. doi:10.54734/20722958_2022_4_31.

12. Карапетьянц М.Х. Строение вещества. М.: Либроком, 2014. 312 с.

13. Илюхин В.В., Кузнецов В.А., Лобачёв А.Н., Бакшутов В.С. Гидросиликаты кальция. Синтез монокристаллов и кристаллохимия. М.: Наука. 1979. 184 с.

14. Kulik D. A., Miron G. D., Lothenbach B. A structurally-consistent CASH+ sublattice solid solution model for fully hydrated C-S-H phases: Thermodynamic basis, methods, and Ca-Si-H2O core sub-model // Cement and Concrete Research. 2022. Vol. 151. Pp. 106585. doi:10.1016/j.cemconres.2021.106585.

15. Shkolnik I.E. Effect of nonlinear response of concrete on its elastic modulus and strength // Cement and Concrete Composites, 2005. V. 27. I. 7-8. Pp. 747-757.

16. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 535 с.

17. Ярцев В.П., Киселева О.А. Прогнозирование поведения строительных материалов при неблагоприятных условиях эксплуатации. Тамбов: Изд-во Тамбовского государственного технического университета, 2009. 124 с.

18. Чернышов Е.М., Макеев А.И. Типы подструктур в целостной полиструктуре бетона и закономерности формирования параметров поля напряжений в композите (к развитию теории конструирования и синтеза структур конгломератных строительных композитов) // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2020 году : Сборник научных трудов РААСН: в 2 томах / Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН). Том 2. М: Изд-во АСВ, 2021. С. 304-314.

19. Вычислительные методы в механике разрушения / Под. ред. С. Алтури. М.: Мир, 1990. 392 с.

20. Актуальные проблемы численного моделирования зданий, сооружений и комплексов. Том 2. К 25- летию Научно-исследовательского центра СтаДиО / Под общ. ред. А.М. Белостоцкого и П.А. Акимова. М.: Издво АСВ, 2016. 596 с.

21. Коротких Д.Н. Трещиностойкость современных цементных бетонов (проблемы материаловедения и технологии). Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2014. 141 с.

22. Карпенко Н.И. Общие модели механики бетона. М.: Стройиздат, 1996. 416 с.

23. Селяев В.П., Селяев П.В. Физико- химические основы механики разрушения цементных композитов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2018. 220 с.

24. Максимова И.Н., Макридин Н.И., Ерофеев В.Т., Скачков Ю.П. Структура и прочность конструкционных цементных композитов. Саранск, 2015. 360 с.

25. Tran N.T., Park J.K., Kim D.J. [et al.] Fracture energy of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete at high strain rates // Cement and Concrete Research. 2016. Vol. 79. Pp. 169-184. doi:10.1016/j.cemconres.2015.09.011

26. Чернышов Е.М., Коротких Д.Н., Макеев А.И. Базовые положения механики проявления конструкционных свойств конгломератных строительных композитов. Часть 2. Обзор результатов прикладных исследований по проблеме конструирования и синтеза структур современных высокотехнологичных бетонов // Известия вузов. Строительство, 2020. № 9. С. 48-57

27. Valavi M., Casar Z., Bowen P. [et al.] Molecular dynamic simulations of cementitious systems using a newly developed force field suite ERICA FF // Cement and Concrete Research, 2022. Vol. 154. Pp. 106712. doi:10.1016/j.cemconres.2022.106712.