Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современные представления о разрушении гетерогенных материалов 12
1.1 Кинетическая концепция прочности твердых тел, как физическая основа прогнозирования макроскопического разрушения 12
1.2. Структура горных пород и представления о геометрической иерархии 14
1.3. Представления о мезоскопических структурах и их роли в процессе деформирования и разрушения 17
1.4. Закономерности образования микротрещин в гетерогенных материалах 18
1.5. Концентрационный критерий укрупнения трещин 24
1.6. Модели подготовки землетрясений и сейсмические предвестники 26
1.7. Основные выводы и постановка проблемы 31
Глава II. Физико-механические свойства минералов. Минералогический состав горных пород 33
2.1 Механическая прочность и спайность минералов 33
2.2. Структурные признаки исходного недеформированного гранита Вестерли 36
2.3. Структурные изменения гранита Вестерли после деформирования 40
2.4. Исследование порового пространства образцов горных пород в условиях одноосного сжатия, с помощью электронно-вычислительного устройства «Квантимет-720» 41
2.5. Количественный микроанализ образцов мрамора в условиях объемного сжатия 47
2.6. Основные выводы 53
Глава III. Исследование кинетики разрушения образцов горных пород 54
3.1. Кинетика накопления микротрещин в горных породах 54
3.2. Двухстадийная модель разрушения гетерогенных материалов .. 66
3.3. Основные выводы 72
Глава IV. Формирование и развитие очага разрушения с учетом структурных особенностей материала 73
4.1. Структурные изменения при деформации природных гетерогенных материалов 73
4.2. Акустоэмиссионный метод диагностики конструкций 81
4.3. Концентрационная модель разрушения твердых тел и прогнози рование катастрофических ситуаций в крупномасштабных объектах 91
4.4. Основные выводы 103
Заключение 104
Литература 105
Приложение 122
- Структура горных пород и представления о геометрической иерархии
- Концентрационный критерий укрупнения трещин
- Структурные признаки исходного недеформированного гранита Вестерли
- Двухстадийная модель разрушения гетерогенных материалов
Введение к работе
Изучение глобальных процессов разрушения земной коры и ее крупномасштабных составляющих с целью составления достоверных прогнозов горных ударов, землетрясений, техногенных катастроф, обвалов подземных сооружений и рудников, разрушения сложных технических монолитов и конструкций является одной из важнейших и актуальных проблем физики, геологии, сейсмологии и смежных областей науки и техники.
Изучению физических аспектов процессов разрушения крупномасштабных объектов посвящены многочисленные исследования, в том числе, представленные в работах [8,136,150,160,161], обзорах и монографиях [3,43,55,78].
Лабораторные исследования процессов разрушения природных . гетерогенных материалов позволяют выявить физические основы этих процессов и предложить методику прогнозирования разрушения этих объектов.
Современные физические представления о природе разрушения твердых тел, в частности, горных пород базируются на кинетическом подходе к проблеме прочности, основоположником которого является С.Н. Журков [1]. Основу кинетических представлений составляют многочисленные экспериментальные результаты, полученные для широкого круга материалов естественного и искусственного происхождения, включая металлы, горные породы и полимеры. С этих позиций в работах С.Н.Журкова рассматривается эволюция разрушения, начиная от возникновения изолированных дефектов структуры, их накопления, укрупнения, образования очага разрушения и заканчивая макроразрушением объектов.
Кинетическая концепция С.Н.Журкова открыла принципиальную возможность прогнозирования разрушения сложных композитных материалов. В работах С.Н.Журкова и В.С.Куксенко [8,49,53,56,81,125] очаг разрушения изучен более детально. В этих работах предложена двухстадииная модель разрушения, которая предполагает, что основной процесс разрушения твердых материалов связан с накоплением в них микротрещин.
В настоящее время для описания различных форм динамических проявлений горного давления, включая горные удары, используются в основном механические модели и критерии оценки удароопасности. В сейсмологических исследованиях ведущая роль в процессе разрушения горных пород отводится процессам трещинообразования. Особенно плодотворными в последнее время представляются идеи автомодельности и самоорганизации геофизической среды, получившие развитие в работах [15,16].
Сложность и неоднородность таких сред, как земная кора, горные монолиты и рудники, а также многообразие процессов и форм разрушения горных пород не позволяют считать процессы разрушения природных материалов изученными в достаточной степени.
Актуальность. Актуальность исследований процессов разрушения сложных композитных материалов обусловлена тем обстоятельством, что до настоящего времени ни одна из задач прогноза горных ударов, крупномасштабных обвалов и землетрясений, связанных с достоверным предсказанием места, энергии и момента их возникновения не может считаться до конца решенной. Такое положение объясняется, прежде всего, недостатком физических представлений о природе и особенностях развития процесса разрушения горных пород, сложностью структуры, неоднородностью состава, масштабами исследуемых объектов и необходимостью проведения многоплановых исследований процессов разрушения разнообразных природных материалов, условий формирования и развития очага разрушения и разработки минералогических аспектов этих проблем.
До настоящего времени остаются малоизученными структурные условия формирования и развития очага разрушения и минералогические аспекты процесса разрушения горных пород. Эти аспекты являются интересными сами по себе, а их понимание необходимо для правильного выбора моделей и корректной оценки параметров носителей реальных процессов разрушения твердых материалов земной коры.
Следует полагать, что систематическое исследование отмеченных вопросов и задач позволит выявить основные условия возникновения и развития очагов разрушения и установить их зависимость от структурных перестроек в природных материалах. Эти исследования помогут также объяснить иерархию размеров структурных элементов горных пород на различных масштабных уровнях, начиная от микроскопических зерен до крупномасштабных блоков земной коры и внести определенный вклад в познание физических процессов разрушения горных пород.
Цель диссертационной работы. Выполнить систематические исследования и получить новую и достоверную информацию о процессах формирования и развития очага разрушения в материалах горных пород. Подобные исследования могут служить физической основой для прогнозирования разрушения сложных гетерогенных систем разной природы и на различных масштабных уровнях. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: с позиций термофлуктуационной теории исследовать кинетику накопления трещин в горных породах; изучить влияние структуры и минералогического состава природных материалов на формирование и развитие очагов разрушения с учетом их геометрических параметров и влияния слабых возмущений на развитие очага разрушения; методом акустической эмиссии (АЭ) исследовать образцы из стали, сильно отличающиеся по своим геометрическим параметрам и выявить в них опасные очаги разрушения. разработать методику оценки максимально возможной энергии горных ударов по результатам анализа сейсмических процессов на примере Североуральского бокситового рудника (СУБР). Научная новизна.
Показано, что для гетерогенных материалов скорость накопления трещин при действии постоянной нагрузки линейна в двойных логарифмических координатах и не описывается кривой первого порядка, характерной для монодисперсных материалов.
Установлено, что очаг разрушения в природных гетерогенных материалах не является отдельной магистральной трещиной, а представляет собой некое объемное образование, направленность которого определяется напряженным состоянием образца.
Установлено, что в образцах гранита происходит дробление структуры, крупные зерна распадаются, в результате чего составляющие структуры в очаге разрушения приобретают некие характерные размеры.
Показано, что метод АЭ является весьма эффективным средством контроля процессов разрушения твердых тел на различных масштабных уровнях, способен выявлять опасные очаги разрушения и оценивать время до катастрофического разрушения объекта.
Предложен комплекс информативных прогностических характеристик, обладающих необходимой чувствительностью к появлению предвестниковой аномалии подготовки горных ударов.
Разработана методика оценки максимально возможной энергии горных ударов и получены ее количественные оценки для шахтных полей Североуральского бокситового рудника.
Научная и практическая значимость. Впервые проведены детальные исследования процессов формирования и развития очага разрушения гетерогенных горных пород, позволившие разработать физические основы достоверного прогнозирования макроскопического разрушения горных массивов, подземных сооружений и рудников.
Практическая значимость работы заключается в предложенных критериях прогнозирования горных ударов, которые, несомненно, могут быть использованы и для других крупномасштабных природных объектов и технических сооружений.
Защищаемые положения:
Механизм появления и развития очага разрушения в гетерогенных образцах мрамора, гранита, диабаза и других горных пород.
Зависимость процессов зарождения и развития микротрещин при деформации образцов от его минералогического состава и структурных особенностей.
Обоснование применимости метода АЭ для контроля процессов формирования и развития очага разрушения на различных масштабных уровнях;
Метод оценки максимально возможной энергии горных ударов и получение ее количественных оценок для шахтных полей СУБРа. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на республиканских и международных конференциях: Международная конференция, посвященная 80-летию МОРТ. Душанбе, 2004; , Республиканская научно-практическая конференция «Из недр земли до горных вершин». Чкаловск, 25 апреля 2007; IV-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», 8-10 апреля 2008г., г.Москва, МИСиС; Международная конференция по актуальным проблемам прочности, Нижний Новгород, июль 2008г.
Работа выполнена на кафедре общей физики и физики твердого тела Худжандского государственного университета им. академика Б. Гафурова и в Отделе физики прочности ФТИ им. А.Ф. Иоффе Российской АН (г. Санкт-Петербург).
Вся экспериментальная работа, обработка и интерпретация полученных результатов, оформление публикаций по материалам исследования проведены лично соискателем.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в 7 публикациях, из которых 2 статьи опубликованы в научных изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения. Объем диссертации составляет 134 страницы компьютерного набора и включает в себя 7 таблиц и 44 рисунка. Список цитированной литературы составляет 163 наименований.
Основное содержание диссертации.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи диссертации, показана новизна, научно - практическая значимость полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан краткий литературный обзор современных представлений о процессах разрушения природных гетерогенных материалов. Приведены работы по кинетике процесса разрушения твердых тел. Обсуждаются структурные особенности, дефекты и неоднородности природных гетерогенных материалов, их роль в процессах образования и развития очага разрушения. Даётся анализ работ, в которых закономерности образования микротрещин на реальных модельных материалах исследуются прямыми физическими методами и методом акустической эмиссии (АЭ).
Обсуждаются работы по влиянию слабых возмущений на развитие процессов разрушения, статистические методы анализа процессов накопления и укрупнения микротрещин вплоть до критической ситуации, что имеют непосредственное отношение к теме настоящего исследования. Приведены основные критерии существующих в настоящий момент моделей подготовки землетрясений и сейсмических предвестников крупномасштабных разрушений горных пород.
Во второй главе впервые рассмотрены результаты петрографического анализа горных пород с учетом их минералогического состава.
Для исследования микроструктурных нарушений в образцах мрамора использовались метод оптической микроскопии с подсчетом трещинных параметров в шлифах (метод ВНИГРИ) и автоматический количественный анализ структурно-текстурных характеристик с помощью устройства «Квантимет-720», а также метод акустической эмиссии.
Одной из задач исследования являлось установление связи контролируемого в экспериментах изменения структуры и объема пустотного (порового) пространства с физико-механическими свойствами пород.
В качестве объектов исследования были выбраны три разновидности горных пород: мрамор (Чичканское месторождение), гранит (Кыртаволгинское месторождение) и песчаник (Джергаланское месторождение).
В третьей главе методом акустической эмиссии выполнено исследование кинетики возникновения и развития микроскопических трещин в образцах горных пород и на модельных объектах из композитных материалов.
Получены количественные данные о кинетических параметрах, управляющих процессом трещинообразования. Исследована кинетика и скорость накопления трещин при разных режимах нагружения образцов.
Отмечено, что процессы образования и развития микротрещин в гетерогенных горных породах отличаются от аналогичных процессов в монодисперсных средах.
Подтверждена применимость двухстадийной модели для описания разрушения твердых тел.
В четвертой главе приведены результаты исследования процессов формирования и развития очага разрушения природных гетерогенных материалов и стальных конструкций разных масштабных уровней.
Изменение структуры мелкозернистого гранита Вестерли под действием одноосносжимающей нагрузки исследовалось в камере гидростатического сжатия при различных моделях нагружения.
Показано, что очаг разрушения представляет собой не единую магистральную трещину, а является объемным образованием. Исследование микроструктуры образцов до и после нагружения показало, что в очаге разрушения происходит дробление зерен структуры, причем подавляющее большинство зерен в очаге разрушения приобретают определенные характерные размеры.
Методом акустической эмиссии исследованы процессы макроразрушения стальных конструкций, предельно различающихся своими габаритами (лабораторный образец из стали в виде стержня; стальная труба со сварным швом; натурный образец нефтегазопровода).
Показано, что процесс накопления трещин, их развитие и активизация, приводящие к катастрофическому разрушению объектов, представляет собой развивающийся во времени процесс и соответствует двухстадийной модели разрушения твердых тел. Причем этот процесс имеет одинаковый характер -для образцов различных масштабных уровней.
На основе анализа закономерностей сейсмической активности, зарегистрированных в шахтах Североуральского бокситового рудника (СУБР-а) выполнена оценка возможности прогнозирования горных ударов, землетрясений и катастрофических разрушений горных массивов. Информационной базой исследования служил каталог сейсмических событий, зарегистрированных в шахтах СУБР-а в период 1984-1991гг.
Исходя из концентрационных представлений о разрушении твердых тел и консолидационной модели землетрясения, обоснован комплекс информативных прогностических характеристик подготовки горных ударов.
Сделано заключение, что физической основой достоверного прогноза времени, места и энергии горных ударов и землетрясений могут служить кинетическая теория прочности и разрушения твердых тел, наличие пространственно-временных аномалий в очаговой области и оценка всего комплекса прогностических параметров сейсмических событий.
Рассмотренные характеристики обладают достаточной чувствительностью и хорошей воспроизводимостью прогностических признаков.
Отмечена актуальность дальнейшего развития и совершенствования методов исследования процессов катастрофического разрушения горных массивов и крупных технических сооружений.
В Приложении приведено описание электрических, магнитных и термических свойств горных пород, не включенных в основной текст диссертации.
В конце диссертации приводится перечень цитированной литературы.
Структура горных пород и представления о геометрической иерархии
Горные породы составляют большую группу твердых тел, составляющих земную кору и имеют, как правило, кристаллическое строение и делятся на мономинеральные и полиминеральные. В общем случае это многокомпонентные гетерогенные системы, включающие твердую, жидкую и газообразную фазы. Наличие жидкой и газообразной фаз обусловлено пористостью пород [9-10]. В геологическом понимании горные породы — это многокомпонентные поликристаллические агрегаты, состоящие из тех или иных минералов, а также обломков других пород. Каждая горная порода имеет относительно постоянный минералогический и химический состав. Строение пород определяется размерами, формой, взаимным расположением и способом соединения слагающих их минеральных частиц, то есть их структурой и текстурой [11]. Высокая степень неоднородности горных пород, обусловленная различиями их состава и строения и, связанная с этим, необходимость учета их влияния на механические свойства горных пород, отмечается всеми авторами [11-13]. Неоднородности более высокого порядка свойственны массивам, сложенным из различных пород и содержащим развитую систему естественной трещиноватости геологического и тектонического происхождения. Вследствие этого массивы имеют ярко выраженное блочное строение. Размеры блоков определяются расстояниями между соседними поверхностями неоднородностей строения. В существующих инженерно-геологических и горнотехнических классификациях, исходя из размеров блоков, выделяют несколько порядков (классов) структурных неоднородностей [9,11-13]. К неоднородностям нулевого порядка относят крупные тектонические блоки размерами свыше 10 км. В случае неоднородностей первого порядка, обусловленных наличием в массиве различных по составу и структуре крупных геологических нарушений и тектонических разрывов, массив расчленяют на блоки размером в интервале 10" м -=-10 м. Более мелкие блоки размерами 10_1м -НО м связаны с неоднородностями второго порядка. Они обусловлены неоднородностями состава и структуры пород и их естественной трещиноватостью.
Еще более мелкие блоки, размерами 10"1м, относятся к неоднородностям третьего порядка. Они связаны с различием в химическом и минералогическом составе, форме и размерах кристаллов и с микротрещиноватостью пород. Четвертый порядок неоднородностей, связан со структурными нарушениями межкристаллических областей и с дефектами структуры в решетке породообразующих минералов. Структурные элементы этой группы имеют размеры 10" м -НО"1 м. На механические свойства пород существенное влияние оказывает пористость, поскольку поры являются концентраторами напряжений и всегда служат зародышами очагов разрушения. Пористые породы способны уплотняться под нагрузкой, что приводит к значительным пластическим деформациям [14-16]. Общий подход к структурированности горных пород дан в работах . Садовского М.А. [14-16]. В этих работах развивается дискретная модель геофизической среды, описывающая ее в виде иерархической системы отдельностей (блоков), находящихся в состоянии непрерывного энергообмена. В этих работах показано, что распределение структурных элементов по размерам имеет полимодальный характер, причем размеры соседних мод ; образуют иерархическую последовательность, подчиняющуюся закону, близкому к геометрической прогрессии: І+І/І 3-=-5. Существенно, что это отношение не зависит от физико-химических свойств горной породы и способов образования отдельностей (естественная кусковатость, дробление взрывом, размол и т.п.). Удивительно узкий диапазон отношения свидетельствует о подобии процессов образования отдельностей при исключительно широком разнообразии, как свойств вещества отдельностей, так и истории их образования. С этой точки зрения число структурных иерархических уровней существенно больше, чем при делении на ряд классов, рассмотренных выше. Строение массива горных пород с учетом структурных неоднородностей различных порядков можно представить в виде некоторой пространственной конструкции, состоящей из плотно прилегающих друг к другу блоков, внутреннее строение которых подчиняется описанной выше иерархии неоднородностей. Экспериментальные исследования [17-18] показывают, что между геометрическими и механическими характеристиками структурных неоднородностей горного массива существует определенная связь: крупным неоднородностям соответствует более низкая прочность.
Наличие в породе неоднородностей четвертого порядка с размерами 10"4 м позволяет исключить из рассмотрения в рамках данной работы элементарные процессы образования зародышевых дефектов и начать его с более высокого структурного уровня. Степень влияния того или иного порядка неоднородности на процесс деформирования и разрушения гонных пород определяется соотношением размеров соответствующих структурных элементов и размерами деформирующихся объектов. Различие показателей свойств горных пород в зависимости от абсолютных геометрических размеров нагруженного участка породного массива, обусловленной влиянием блочности, проявляется в масштабном эффекте [19-26]. До настоящего времени нет обобщенных количественных показателей, характеризующих степень влияния структурных особенностей на механические характеристики горных пород [27-29].
Концентрационный критерий укрупнения трещин
Согласно гипотезе "слабого звена", прочность тела в целом определяется самым опасным из присутствующих в нем дефектов. Если в качестве дефекта рассматривается трещина, то, следуя этой гипотезе, наиболее опасной является трещина наибольшей длины из благоприятно ориентированных. Но в реальных телах редко существуют первоначальные трещины достаточно крупных размеров. Такие трещины образуются при деформировании за счет возникновения, роста и слияния более мелких трещин. Попытка построения модели разрушения, в которой учитывались бы основные закономерности возникновения большого числа мелких трещин, их рост и слияние в одну большую трещину, разрушающую тело, предпринята в работе Куксенко B.C. [78], в которой процесс разрушения рассмотрен с позиций физической кинетики и теории необратимых процессов. В работах Журкова С.Н., Куксенко B.C. [78-80] измерялась предразрывная концентрация субмикротрещин при растяжении полимеров кристаллического и аморфного строения в условиях крипа и активного нагружения с различными скоростями. Опыты показали, что независимо от долговечности образца значения предразрывной концентрации микротрещин для всех материалов остаются одними и теми же. В этих работах отмечено также, что размер трещин и их предразрывная концентрация взаимосвязаны. Чем больше размер образующихся трещин, тем меньшая их концентрация необходима для разрыва тела.
Отношение среднего расстояния между трещинами R к их собственному среднему размеру L оказалось практически постоянным - R/L 3. Эти экспериментальные результаты послужили основой для формулирования условия перехода от дисперсного накопления начальных микротрещин к их укрупнению в форме концентрационного критерия [78]. Так, если имеется N; начальных зародышевых трещин размера Lj, хаотически распределенных по объему, то можно ввести коэффициент К, который отражает относительное среднее расстояние между трещинами и характеризует вероятность их взаимодействия и влияния: В силу флуктуации в распределении трещин некоторые из них могут оказаться на достаточно близком расстоянии друг от друга, что приведет к их слиянию и появлению более крупной трещины размера Ls. Число Ns таких скоплений или ансамблей из S начальных микротрещин равно: Важным статистическим следствием, вытекающим из анализа процесса накопления стабильных микротрещин, является возникновение критической ситуации при уменьшении коэффициента К. При низкой концентрации микротрещин, когда К е, вероятность возникновения крупных трещин очень мала. При К е эта вероятность резко возрастает. Таким образом, условие К = е определяет границу перехода процесса спокойного накопления трещин к их резкому укрупнению. Следовательно, равенство К = е может рассматриваться как концентрационный критерий укрупнения трещин.
В работах Журкова С.Н., Куксенко B.C. и др. [81-84] концентрационный критерий был подтвержден на модельных материалах с известной структурой (пороситалле) в горных породах. Было установлено, что процесс разрушения в этих материалах происходит путем многоэтапного укрупнения трещин с последовательным переходом на более высокий масштабный уровень. Это позволило авторам сделать вывод об универсальном характере концентрационного перехода от одной стадии разрушения к другой. Кроме того, авторы полагают, что закономерности, полученные для лабораторных объектов, останутся в силе и для крупномасштабного разрушения, приводящего к горным ударам и землетрясениям. Аналитическое выражение для условия концентрационного критерия укрупнения трещин было получено В. И. Мячкиным в работе [88]. В настоящем разделе лишь очень кратко рассмотрим известные модели подготовки землетрясений с особой направленностью на наличие в них учета структурно-временных иерархий сейсмического процесса, а также кумулятивного накопления повреждений. При этом, естественно, термин сейсмический процесс понимается в весьма широком смысле, включая и процессы разрушения на уровне лабораторных масштабов. В современных моделях подготовки землетрясений акт землетрясения рассматривается как итог долговременной эволюции накопления повреждений в Земле. В разных моделях уделяется различное внимание масштабу рассматриваемых геологических разрывов-трещин, их расположению в пространстве, дополнительным физико-химическим факторам, влияющим на протекание процесса трещинообразования [86-95].
Структурные признаки исходного недеформированного гранита Вестерли
Гранит Вестерли-исходный, недеформированный. Гранит биотитовый, текстура породы массивная, структура гипидиомор.фнозернистая (гранитовая). Гранит Вестерли является достаточно сложным природным композитным материалом и состоит из четырех минеральных компонентов. Основные породообразующие минералы в нём: кварц - 30%; калиевые полевые шпаты (ортоклаз, микроклин) - 30%; кальциево-натриевые полевые шпаты или кислые плагиоклазы (олигоклаз, альбит - олигоклаз) - 30%; темноцветные минералы - биотит — 10%; и акцессорные минералы- анатаз. В исходном недеформированном состоянии в граните Вестерли зерна полевого шпата заметно изменены-пелитизированы, серицитизированы. Редкие зерна кислого полевого шпата-олигоклаз-альбит карбонатизированы. Зерна кварца имеют лапчатую структуру, зерна прозрачны, без спайности. Биотит встречается измененный и неизмененный. Неизменённый, когда бурые пластинки слюды не плехроируют. В исходных шлифах образцов гранита Вестерли имеются трещины. -Можно выделить 2 типа трещин: I тип - это внутризерновые трещины и II тип - открытые межзерновые трещины, т.е. развитые по границам зерен. Трещины I типа это трещины, развитые в зернах кварца и полевого шпата. В зернах кварца развиты тонкие, волосные, короткие трещины шириной 1-КЗ микрон. Они разнонаправлены (хаотичны), образуют сетчатый рисунок. Эти трещины залечены пылеватым кремнистым материалом. В зернах полевых шпатов трещины протяженные, рассекающие зерна и иногда проходят по контуру этих зерен (там, где они проходят по контактам, эти трещины раскрыты). Трещины II типа это открытые, протяженные, разнонаправленные трещины, которые секут зерна или проходят по контакту зерен. Особо нужно отметить, что эти трещины секут только зерна полевых шпатов, а там, где трещина встречает зерна кварца, она их огибает (возможно, это связано с тем, что полевые шпаты пластичнее, чем зерна кварца). Для ясного представления о минеральном составе исследуемых пород ниже приведем микроскопическое описание каждого минерала и их оптические свойства. Кварц SiCb. Тригональный. Под микроскопом форма ограничения неправильная, зерна ксеноморфные, аллотриоморфные, безрельефные. Оптически одноосный, положительный. Кристаллическая решетка кварца представляет собой каркасы, состоящие из кремнекислородных тетраэдров. Кварц-минерал бесцветный, белый, серый, дымчатый. Блеск стеклянный.
Излом раковистый. Спайность отсутствует. Плотность 2,65-10 кг/м . Твердость 7 балл. Продукты разрушения отсутствуют, цвета интерференции - серые, белые. Угасание волнистое, двойники отсутствуют. Натриево-калиевые полевые шпаты с кварцем спутать трудно, так как кварц имеет показатель преломления выше канадского бальзама. Полевые шпаты. По химическому составу полевые шпаты представляют собой алюмосиликаты Na, К, Са, имеют каркасную структуру и образуют изоморфные ряды. Макроскопически минералы этой группы мало отличаются друг от друга. Все они преимущественно светлоокрашенные - белые, розовые, красноватые, серые, темно-серые. Габитус кристаллов короткопризматический или таблитчатый. Спайность, совершенная в двух направлениях (010) и (001) под углом близким к 90, сильный стеклянный блеск на плоскостях спайности и высокая твердость 6 -6,5 балл. Плотность полевых шпатов колеблется в пределах 2,5-н2,7-103кг/м3. В соответствие с особенностями химического состава полевые шпаты образуют два основных изоморфных ряда: натриево-кальциевые полевые шпаты или плагиоклазы и натриево-калиевые полевые шпаты или ортоклазы. Натриево-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы ) — кристаллизуются в триклинной сингонии. Представляют собой непрерывный ряд твердых растворов двух компонентов - альбита Na [АІБізОв] и анортита Ca[Al2Si20g]. В зависимости от процентного содержания анортита все плагиоклазы разделяются по номерам на следующие минеральные виды: альбит № О-И0, олигоклаз № 10 30, андезин № 30- -50, лабрадор № 50 70, битовнит № 70- 90, анортит № 90 н-100. По количеству SiC 2 плагиоклазы делятся на кислые № Оч-ЗО, средние № 30 -50 и основные № 50-П00. Плагиоклазы, бедные анортитовой составляющей, присутствуют в кислых магматических породах — гранитах и гранодиоритах; средние плагиоклазы являются составной частью диоритов и сиенитов; основные плагиоклазы типичны для габбро-базальтов. Методика определения номера плагиоклазов, т.е. его состава, основанная на измерении углов погасания, детально описана в специальной литературе [101]. Что дает нам номер плагиоклаза? Например, плагиоклаз № 10 — это значит, альбитовой молекулы содержится 90%, а аноритовой молекулы-10%. Натриево-калиевые полевые шпаты (ортоклаз). К этой группе относятся следующие минералы-санидин и ортоклаз моноклинной сингонии, и микроклин триклинной сингонии. По химическому составу эти минералы отвечают формуле KfAlSisOg], но, как правило, содержат примесь Na. В шлифе они бесцветны, их показатели преломления ниже канадского бальзама, цвета интерференции низкие, серые. Для ортоклаза обычны простые двойники, микроклин нередко сдвойникован полисинтетически, причем одновременно по двум законам, что обусловливает его специфическое решетчатое строение, видимое в скрещенных николях. Если микроклин не сдвойникован, его нельзя отличить от ортоклаза без точного определения ориентировки оптической индикатрисы методом Е.С.Федорова [144]. Наиболее характерным процессом вторичных изменений ортоклаза и микроклина является «пелитизация» - замещение минерала глинистым веществом, которое при наблюдении без анализатора имеет вид буроватой пыли. Из темноцветных минералов отметим биотит. Биотит относится к группе слюд. Химический состав: K2(MgFe+2)3[Si3A10io][OHiF]2. Моноклинный. Оптически отрицательный, почти одноосный. Рельеф ясный. Форма ограничения-таблитчатая, гипидиоморфная, идеоиорфная, редко ксеноморфная. Окрашен в коричневую окраску, резко плехроирует. Спайность весьма совершенная, в виде тонких, четких линий. Цвета
Двухстадийная модель разрушения гетерогенных материалов
Определение времени разрушения твердых тел под действием механического напряжения является одной из важнейших задач физики твердого тела. Ранее в работах [153,154] было показано, что процесс разрушения гетерогенных материалов можно разделить на две стадии. В первой стадии происходит делокализованное накопление одиночных стабильных микротрещин в объеме тела. Во второй стадии происходит развитие трещин, которое, в конечном итоге, может привести к разрушению тела. Из-за сложности структуры твердых тел микроскопические процессы и механизмы перехода из одной стадии во вторую могут быть различными. Основные положения двухстадийной модели разрушения твердых тел нами были проверены на модельных объектах. Объектом исследования служил композитный материал, основным элементом которого были кварцевые волокна. Они укладывались вплотную и заливались эпоксидной смолой, затем накладывался очередной слой и снова заливался смолой и т.д. Наиболее интересным оказалась величина энергии активации процесса разрушения-35 ккал/моль. Выявлено, что микротрещины образуются в основном в зернах кварца. В связи с этим были проведены исследования температурно-силовых зависимостей долговечности на кварцевых волокнах и в композитном материале. Композитный материал получали путём послойной укладки волокон с последующей заливкой эпоксидной смолой. Измерение долговечности образцов производили в режиме растягивающей нагрузки при различных температурах с непрерывной регистрацией акустической эмиссии. На рис. 3.9 приведены силовые зависимости долговечности индивидуальных волокон (а) и композитных образцов (б), измеренные при различных температурах. Как можно видеть, эти закономерности качественно аналогичны. Это свидетельствует о том, что и для композитного материала долговечность лимитируется разрывом волокон. В обоих случаях силовые зависимости долговечности подчиняются уравнению С.Н. Журкова, но что наиболее интересно, энергия активации процесса разрушения оказалась равной 35 ккал/моль, как и для гранита. Однако для кварцевых волокон разрушение связано с разрывом Si-O связей, для которых энергия связей существенно выше (100 ккал/моль).
Расхождение это было ранее объяснено гидролитическим механизмом разрыва связей с участием атмосферной влаги. Для гранита влаги вполне достаточно для того, чтобы такой механизм мог реализоваться. Как видно из представленных на рис.3.11 результатов, долговечность уменьшается при увеличении размеров образцов. Объяснением этих фактов могут служить, по меньшей мере, две причины. Во-первых, сама термоактивационная природа прочности предсказывает качественно именно такой ход изменения долговечности. Количественные оценки снижения прочности и долговечности с увеличением размеров образцов сделаны в работах В.А. Петрова [85]. Кроме того, существует и технологическая причина, связанная с увеличением вероятности появления более крупных дефектов на образцах большей длины. Следует отметить, что действие второго, т.е. технологического фактора, более вероятно, так как термофлуктуационный фактор не может полностью объяснить падение долговечности, полученное в этих экспериментах. Итак, основным итогом данной серии экспериментов является установление того факта, что кварцевые оптические волокна подчиняются в целом уравнению Журкова, а низкая энергия активации процесса разрушения обусловлена изменением механизма разрыва Si-O связей в структуре кварца под влиянием влаги. Кроме того, показано, что увеличение геометрических размеров образцов приводит к закономерному уменьшению, как прочности, так и долговечности. Вторая серия экспериментов на модельных объектах касалась выяснения различия в поведении индивидуальных объектов и сложных композитных материалов.
Схема эксперимента была следующей. Вырезались 1200 одинаковых образцов. Они нагружались одним и тем же усилием при одинаковой температуре, и регистрировалась их долговечность. В результате получали кривые распределения долговечностей. Этот случай относится к некоррелированному разрыву. В другом эксперименте из таких же 1200 волокон заливкой эпоксидной смолой получали композитный материал. К сожалению, для разрыва такого массивного образца требовалась недостижимая в наших условиях нагрузка. Поэтому реально нами были исследованы 20 образцов, состоящих из 300 волокон в каждом. При действии постоянной нагрузки пьезоприемником
