.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА НА СЖАТИЕ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЁ КОНТРОЛЯ МЕТОДОМ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Горбунов И.А. – Профессор кафедры «Испытания сооружений»
Московского государственного строительного университета,
кандидат технических наук

Васильков В.Э. – Старший научный сотрудник
кафедры «Испытания сооружений» Московского государственного
строительного университета


Назначение прочностных характеристик бетона в расчётах конструкций по предельным состояниям базируется на результатах разрушающих испытаний на сжатие стандартных кубов с ребром 15 см. Целью исследования является установление универсальных параметров неразрушающего контроля, связанных с кубиковой прочностью Rкуб. бетона любой структуры.

На кафедре «Испытания сооружений» МГСУ разработан метод оценки прочности бетона с использованием параметров термоакустической эмиссии (ТАЭ) [1]. Ограниченность практического использования метода объясняется отсутствием серийных приборов для регистрации параметров ТАЭ и оборудования для создания локального нагрева. На опытных установках получена универсальная градуировочная зависимость «кубиковая прочность тяжёлого бетона – параметр ТАЭ». Вместе с тем отмечается, что характер зависимости меняется при изменении амплитудно-частотных характеристик приборов и пьезопреобразователя (ППР), расположения ППР относительно зоны нагрева, геометрии нагреваемого участка поверхности. В силу этих причин следует рассмотреть вопрос о принципиальной обоснованности предлагаемой методики контроля прочности бетона.

1. Особенности деструкции бетона при сжатии и локальном термонагружении

Стабильный характер процесса трещинообразования наблюдается как при сжатии, так и в условиях термонагружения. При этом, во многих исследованиях отмечается, что при сжатии образуются микротрещины, которые обеспечивают развитие трещин. В ранних работах, посвященных этому вопросу, усматривается стремление авторов провести границы, разделяющие эти стадии. Метод АЭ позволил получить данные, указывающие на условность нижней и верхней границ трещинообразования. Микротрещинообразование начинается с первых этапов нагружения материала и не прекращается вплоть до разрушения. Интересной особенностью, отмечаемой при сжатии бетонных образцов, является относительное увеличение доли высокоамплитудных импульсов в амплитудном распределении сигналов АЭ для более прочного бетона. При этом возрастают и сами амплитуды сигналов АЭ. Однако, в испытаниях на сжатие особенности трещинообразования по данным АЭ носят качественный характер. Различные удалённость и ориентация трещин – источников АЭ относительно ППР, а также затухание импульса на его пути к ППР, определяемое привнесённой сжатием деструкцией бетона, существенно влияют на амплитуды регистрируемых сигналов АЭ.

В методе ТАЭ реализуется схема стабильного роста трещин в локальных объёмах бетона, «подготовленных» микротрещинообразованием. При нагреве или охлаждении участка поверхности создаётся напряжённое состояние, сравнимое с полем вторичных напряжений при сжатии. В обоих случаях отсутствуют напряжения на боковых гранях. Регистрация образующихся при трещинообразовании сигналов ТАЭ происходит в условиях минимальных искажений в амплитудах принятого импульса при температурном воздействии на участке поверхности бетона в форме узкого полукольца с размещением ППР в центре соответствующей окружности.

2. Аналитическая модель разрушения бетона при сжатии

 Как отмечалось выше, основной особенностью деструкции бетона является стабильный рост трещин при увеличении сжимающих напряжений. В механике разрушения рассматривается случай стабильного роста трещины при увеличении растягивающих напряжений, ориентированных перпендикулярно к направлению распространения трещины [2]. Для бетона описание деструкции с позиции механики разрушения требует допущения, что одноосное сжатие создаёт внутреннее сложнонапряжённое состояние, в котором структурные растягивающие напряжения однозначно связаны с внешними напряжениями сжатия. Объективно оценивая условность такого предположения, тем не менее введём его, сославшись на аналогию использования в механике разрушения коэффициентов напряжённого состояния при определении коэффициентов интенсивности напряжений К1, К2, К3 в устье трещины. Таким образом, предположим, что вторичные растягивающие напряжения σр определяются соотношением::

σр = qσсж.

Условием стабильного роста трещины является равенство интенсивности выделения упругой энергии G и энергетического сопротивления разрушению материала C при увеличении длины трещины на величину Dl [2]. Переход к неустойчивому развитию трещины (рис. 1) наступает в случае:

Perexod_k_neustojchivomu_razvitiyu_treshhiny

lc = (Δl – l0) – критическая длина трещины;
l0 – начальная длина трещины;
E – модуль упругости материала.

K_opisaniyu_modeli_stabilnogo_rosta_treshhiny

Рис.1. К описанию модели стабильного роста трещины

Для определения зависимости С = f(Dl) принимается допущение [2]:

lc = –ηl0.                                                     (1)

Согласно рис.1, имеем дифференциальное уравнение при различных начальных длинах трещины l0 и соответствующих точках касания:

 Differencialnoe_uravnenie_pri_razlichnyx_nachalnyx_dlinax_treshhiny_i_sootvetstvuyushhix tochkax_kasaniya

где    B = lnβ;
β – энергетическая постоянная сопротивления разрушению материала.

Анализ выражения (2) при η = 1 (начальная длина трещины является критической) приводит к классическому решению механики разрушения хрупкого тела:

Klassicheskoe_reshenie_mexaniki_razrusheniya_xrupkogo_tela

При одноосном сжатии бетона критическая длина трещины lc значительно превышает начальную l0. Из формулы (2) имеем:

h >> 1;    C ≡ β l.

В этом случае допущение (1) не является жёстким ограничением, а понятие критической длины трещины теряет свой смысл, так как на определённом предельном уровне напряжений при их бесконечно малом приращении G – прямая и С – прямая пересекаются в бесконечности. Расчётное для предельных напряжений выражение принимает вид:

Raschyotnoe_dlya_predelnyx_napryazhenij_vyrazhenie

Решение, парадоксальное с позиции механики разрушения, не является столь уж неожиданным для объёмных сжимаемых бетонных конструкций, в которых большие трещины не являются редкостью. При рассмотрении прочности образца куба в рамках представленной модели зависимость (3) принципиально не меняется. Ограничение критической длины трещины размерами образца, а также поперечное стеснение на нагружаемых гранях учитываются заменой коэффициента q2 на γ:

Ogranichenie_kriticheskoj__dliny_treshhiny__razmerami_obrazca

средние значения R̃куб, Е̃, β̃. Однако, учитывая вероятностный характер параметров выражения (4), представляется практически целесообразным проведение регрессионного анализа результатов эксперимента, в котором широкий диапазон изменения прочности достигается вариацией структуры бетона. В этом исследовании основной методической задачей является нахождение способа оценки параметра b, физический смысл которого, исходя из вышеизложенного, просматривается достаточно определённо.средние значения R̃куб, Е̃, β̃. Однако, учитывая вероятностный характер параметров выражения (4), представляется практически целесообразным проведение регрессионного анализа результатов эксперимента, в котором широкий диапазон изменения прочности достигается вариацией структуры бетона. В этом исследовании основной методической задачей является нахождение способа оценки параметра b, физический смысл которого, исходя из вышеизложенного, просматривается достаточно определённо. средние значения R̃куб, Е̃, β̃. Однако, учитывая вероятностный характер параметров выражения (4), представляется практически целесообразным проведение регрессионного анализа результатов эксперимента, в котором широкий диапазон изменения прочности достигается вариацией структуры бетона. В этом исследовании основной методической задачей является нахождение способа оценки параметра b, физический смысл которого, исходя из вышеизложенного, просматривается достаточно определённо.

редние значения R̃куб, Е̃, β̃. Однако, учитывая вероятностный характер параметров выражения (4), представляется практически целесообразным проведение регрессионного анализа результатов эксперимента, в котором широкий диапазон изменения прочности достигается вариацией структуры бетона. В этом исследовании основной методической задачей является нахождение способа оценки параметра b, физический смысл которого, исходя из вышеизложенного, просматривается достаточно определённо.

3. Анализ возможности использования метода ТАЭ для определения b-энергетической характеристики сопротивления бетона разрушению при сжатии

Условием стабильного роста трещины является равенство значений функции энергетического сопротивления и интенсивности освобождаемой упругой энергии, которая в свою очередь тесно связана с энергией акустических сигналов, регистрируемых методом АЭ. В связи с тем, что при силовом сжатии и термонагружении создаются условия стабильного роста трещин, в случае термодеструкции функция энергетического сопротивления разрушению бетона сохраняет свой вид:

C = β l или ΔC = β Δl = ΔG.

При этом параметр β соответствует конкретной кубиковой прочности бетона и определяется из выражения:

Parametr_sootvetstvuet_konkretnoj_kubikovoj_prochnosti_betona

Из формулы (5) следует, что размерность b – [Нм/м3]. Учитывая степень свободы ориентации трещин вокруг оси нагружения при сжатии, можно рассматривать b как величину выделившейся упругой энергии, отнесённой к объёму ΔV, в котором прорастает трещина на длину Δl. Если допустить, что скачкообразно освобождаемая упругая энергия пропорциональна квадрату максимальной амплитуды механической волны, а объём, в котором прорастает трещина, линейно связан с числом микротрещин, в нём образовавшихся, то среднюю величину β̃ можно получить по информации ТАЭ, то есть в результате локального температурного воздействия на поверхности куба перед его испытанием на сжатие:

при

Summarnoe_chislo_impulsov_ot_preobrazovannyx_vysokoamplitudnyx_mexanicheskix_voln

где    N – суммарное число импульсов от преобразованных высокоамплитудных механических волн;
Ai – приведённое в соответствии с номером канала анализатора импульсов значение сигнала от высокоамплитудной механической волны на i-м этапе прорастания трещины на длину Δli;
ni – число импульсов от микротрещин по данным о низкоамплитудных механических волнах в интервале между i-м и (i–1)-м этапами прорастания трещины;
ΔGi – интенсивность освобождаемой упругой энергии на единицу площади увеличившихся берегов трещины;
Ispolzovanie_priblizhyonnoj_velichiny

Izvestnaya_zavisimost_ultrazvukovogo_metoda

v – скорость прохождения ультразвука;
r – плотность бетона по результатам взвешивания образцов, а при натурных обследованиях – по данным неразрушающих испытаний;
Σn – сумма импульсов от низкоамплитудных механических волн, зарегистрированных за контролируемый период термонагружения;
A – значение каждого из импульсов от высокоамплитудных механических волн.

Записав формулу (8) в виде

Bazovoe_vyrazhenie_dlya_provedeniya_3-faktornogo_eksperimenta

получим базовое выражение для проведения 3-факторного эксперимента, представляющего собой комплексные неразрушающие испытания образцов-кубов бетона с последующими механическими разрушающими испытаниями по определению прочности на сжатие. В результате статистической обработки может быть получена единая градуировочная зависимость. Проведённые экспериментальные исследования показали, что, учитывая взаимную корреляцию факторов, а также высокую значимость параметра α̃, достаточно надёжной может оказаться упрощённая оценка прочности бетона на сжатие только по одной косвенной характеристике b*.

Параметр b* определяется по результатам испытаний методом ТАЭ и отличается от β̃ по формуле (7) тем, что коэффициент K не рассматривается как постоянная величина, а является функцией, корректирующей логические построения (2)-(7) предлагаемой аналитической модели. Функция от параметров ТАЭ (К – поправка) улучшает статистические характеристики градуировочной зависимости «Rкуб – β̃». 

Библиографический список 
  1. Положительное решение патентной экспертизы по заявке №5005872/28 от 08.07.92 г.
  2. Броек Д. Основы механики разрушения. – М.: Высш. шк. 1980. – С.109-116.

 

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.