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


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 sр определяются соотношением:

sр = qsсж.

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:

где    ;

lc = (Dl l0) – критическая длина трещины;

l0 – начальная длина трещины;

E – модуль упругости материала.

Рис.1. К описанию модели стабильного роста трещины

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

lc = – hl0.                                                       (1)

Согласно рис.1, имеем дифференциальное уравнение при различных начальных длинах трещиныl0 и соответствующих точках касания:

.

Так как Dl l0 = lc, то, учитывая (1), имеем:

.

И далее:

,

,                                                    (2)

где    B = ln b;

b – энергетическая постоянная сопротивления разрушению материала.

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

, .

При одноосном сжатии бетона критическая длина трещины lc значительно превышает начальнуюl0. Из формулы (2) имеем:

h >> 1; C @ b 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:

G = C  или  .

Окончательно:

.                                                    (3)

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 g :

.                                                    (4)

В соответствии с формулой (4) коэффициент g может быть найден по результатам испытаний одной серии образцов-близнецов, для которых получены средние значения . 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 = b l  или DC = b Dl = DG.

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

.                                                         (5)

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 DV, в котором прорастает трещина на длину Dl. 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  можно получить по информации ТАЭ, то есть в результате локального температурного воздействия на поверхности куба перед его испытанием на сжатие:

при

,

,                                            (6)

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-ом этапе прорастания трещины на длину Dli;

ni – число импульсов от микротрещин по данным о низкоамплитудных механических волнах в интервале между i-м и (i –1)м этапами прорастания трещины;

DGi – интенсивность освобождаемой упругой энергии на единицу площади увеличившихся берегов трещины;

 – площадь образовавшейся поверхности при прорастании трещины.

Процесс трещинообразования проходит параллельно в различных участках нагреваемой области, и проведение соответствия ni –Ai раздельно на каждом i-м этапе технически неосуществимо. В связи с этим представляется целесообразным использование приближённой величины :

.                                                (7)

В формуле (7) в числителе и знаменателе суммирование полученных значений проводится за весь контролируемый период термонагружения. Иcпользуя известную зависимость ультразвукового метода , после подстановки формулы (7) в формулу (4) получим:

,                                       (8)

где    – постоянный коэффициент;

v – скорость прохождения ультразвука;

r – плотность бетона по результатам взвешивания образцов, а при натурных обследованиях – по данным неразрушающих испытаний;

Sn – 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

,                                             (9)

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 , 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  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 ».

Рейтинг: 0

Автор публикации

0
не в сети 3 года

Kacenelenbaum

Комментарии: 0Публикации: 10Регистрация: 11-02-2016

Оставьте комментарий