УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR DETERMINING PHYSIC-MECHANICAL CHARACTERISTICS OF CONSTRUCTION MATERIALS

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к области лабораторных испытаний образцов строительных материалов и может применяться в испытательных лабораториях и на предприятиях, связанных с их разработкой и производством.
«Уровень техники»
Важнейшими характеристиками механических свойств строительных материалов являются прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона, модули деформаций, коэффициент поперечных деформаций, параметрические точки
микротрещинообразования, предельная растяжимость, зависимость относительных деформаций от уровня напряжений, а также взаимосвязь этих величин со структурными изменениями в испытуемом образце, что важно для создания материалов с необходимым комплексом физико-технических свойств.
Известно устройство для определения коэффициента Пуассона, содержащее генератор, аттенюатор и пьезопреобразователь в виде электроизолированных пьезопластин, на противоположных гранях каждой из которых размещена пара электродов, подключенных к генератору через аттенюатор, (см., например, а.с.Устройство для измерения коэффициента Пуассона материала а.с. SU 1158928 A G01И 33/.38; С01N 29/00 Ю.И. Мустафин, В.А. Селезень, Е.А. Диденко и 3.3. Муслимов; заявитель и патентообладатель Днепропетровский инженерно-строительный институт.- 3706362/29-33; заявл. 27.02.1984; опубл. 30.05.85. Бюл. №20 - 3 с.).
Устройство обеспечивает измерения коэффициента Пуассона с высокой точностью за счет возбуждения колебаний в образце и регистрации деформационного отклика образца в различных направлениях с применением пьезопреобразователей.
Недостатками указанного устройства являются необходимость обеспечения равномерного механического контакта пьезопреобразователей с исследуемым образцом, что сложно реализовать при испытании строительных материалов с пористой структурой или, например, бетонов с заполнителем, существенно отличающимся по механическим характеристикам от связующего. Кроме того, данное устройство не позволяет измерять прочность, модуль упругости, модули деформаций, коэффициент поперечных деформаций, параметрические точки микротрещинообразования, предельную растяжимость, зависимость относительных деформаций от уровня напряжений, а также взаимосвязь этих величин со структурными изменениями в испытуемом образце.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона образцов из бетона, содержащее датчики деформации образца (тензометры или индикаторы), скобы, рамки, струбцины, опорные вставки и нагружающие устройства (прессы или испытательные машины), (см., например, ГОСТ 24452-80). В устройстве реализуется метод синхронных измерений по нескольким датчикам, что обеспечивает возможность контроля формоизменения объекта исследования в процессе его испытания. Недостатками указанного устройства является то, что проведение измерений с использованием указанного устройства требует длительной и тщательной подготовки испытуемого образца и оснастки перед проведением измерений. Крепление элементов устройства к образцу выполняется с применением струбцин и клеев, что может приводить к существенным ошибкам из-за сложности обеспечения равномерной адгезии и трудности реализации заданного усилия крепления струбцин, особенно на пористых образцах низкой прочности, когда струбцины сдерживают поперечные деформации образца, что искажает результаты измерений. Кроме того, результаты измерений прекращаются за 15-20% от разрушающей нагрузки, так как измерительные приборы снимаются с образца. Из-за этого невозможно установить значения коэффициента поперечных деформаций, параметрических точек микротрещинообразования, величину предельной растяжимости, а также зависимость относительных деформаций от уровня напряжений на всем диапазоне нагружения с построением ниспадающей ветви на диаграммах «усилие - перемещение» или «напряжения - относительные деформации» образца. При этом используемая система измерений не позволяет получить достоверную информацию о формоизменении образца в процессе нагружения, так как поперечные деформации измеряют в центральной части, а не по всей базе измерения продольных деформаций. А так же, в процессе проведения измерений отсутствует информация о структурных преобразованиях в образце в процессе изменения его напряженно-деформированного состояния, что не позволяет установить зависимость изучаемых свойств со структурными изменениями испытуемого материала.
«Раскрытие изобретения» Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность проверять применение традиционных средств измерения механических свойств материалов, анализировать влияние химического и вещественного состава строительных материалов на структурные изменения в испытуемом образце в процессе его нагружения, тем самым создавая предпосылки для совершенствования как самих строительных материалов, так и изделий, зданий и сооружений, реализуемых с их применением.
Технический результат изобретения достигается тем, что предлагаемое устройство обеспечивает регистрацию продольных и поперечных деформаций испытуемого образца одновременно с синхронной регистрацией полей перемещений четырех боковых граней образца по всей их поверхности, позволяющее фиксировать структурные изменения в материале в процессе нагружения.
Сущность изобретения состоит в том, что рамка выполнена в виде жесткого короба с окнами для оптического доступа к контролируемым поверхностям испытуемого образца. Выполнение рамки в виде жесткого короба позволяет сформировать систему взаимно неподвижных базовых поверхностей, охватывающих объект исследования (образец). Базовые поверхности, неподвижные относительно друг друга, позволяют увязать воедино данные о перемещении, получаемые разными способами. Наличие окон в жесткой рамке (коробе) для оптического доступа к контролируемым поверхностям позволяет применить высокоточные оптические методы контроля полей перемещений.
Установка датчиков линейных перемещений на струбцинах, жестко связанных со стенками рамки, обеспечивает возможность регистрации абсолютных перемещений точек каждой из контролируемых поверхностей в единой системе координат, не зависящей от общего смещения рамки, например, под влиянием внешних механических воздействий, вибраций и т.п.
Крепление корпусов датчиков так, чтобы минимально перекрывался оптический доступ к контролируемым поверхностям позволяет получить поля перемещений по всей исследуемой поверхности каждой из граней образца, что обеспечивает полноту и неразрывность данных по полю перемещений.
Размещение подвижных элементов датчиков так, чтобы обеспечивался точечный контакт вблизи середины боковых ребер исследуемой поверхности, позволяет получить абсолютное значение перемещения в одной из точек исследуемой поверхности с минимальным влиянием краевых условий, формируемых элементами пресса при сжатии образца, а так же обеспечить связь показаний датчика с полем перемещений, полученным с применением оптических методов, например, лазерной голографической интерферометрии.
Жесткое закрепление зеркал обзора боковых поверхностей образца к внутренним стенкам рамки, позволяет обеспечить взаимную неподвижность оптических элементов и датчиков, что минимизирует погрешности при объединении данных о полях перемещений, полученных разными методами. Кроме того, зеркала позволяют одновременно зарегистрировать на одном изображении поля перемещений двух граней испытуемого образца, что обеспечивает неразрывность данных о перемещении соседних граней, а это значительно упрощает анализ деформирования всего образца. При этом сокращается количество необходимых оптических элементов измерительной системы, уменьшается площадь, необходимая для размещения установки, сокращается время на последовательную обработку фотоматериалов. Применение зеркал для многоракурсной регистрации голографических интерферограмм известно (см., например, Белозеров А.Ф., Черных В.Т. О получении голографических интерферограмм под разными углами при диффузном освещении пространственного фазового объекта. - Сб.: «Оптическая голография» под ред. Ю.Н. Денисюка. - Л.: Изд. Ленинградского дома научно-технической пропаганды, 1972. - с. 66-72), но в устройствах для определения физико-механических характеристик строительных материалов применение зеркал для многоракурсной регистрации полей перемещений не известно. Исходя из требования о соблюдении единства прототипа, этот признак не может быть исключен, ибо он придает существенное отличие в достижении технического результата по сравнению с прототипом.
Установка на стенках рамки струбцин для крепления фотопластин позволяет устранить взаимное смещение фотопластин, зеркал и образца в процессе экспонирования. Это предотвращает появление нежелательных смещений, возникающих из-за внешних случайных воздействий, например, ударов и вибраций. Кроме того, такое конструктивное решение позволяет проводить, например, лазерно-интерференционные измерения полей перемещений без использования специальной виброзащищенной платформы. В этом случае в качестве нагружающего устройства может использоваться обычный пресс. При этом лазер и оптические элементы для формирования коллимированных световых потоков могут быть размещены вне пресса, что существенно упрощает компоновку измерительной системы.
«Краткое описание чертежей»
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами: на рисунке 1, для примера, показана его схема, а на рис. 2 - вид с разрезом по сечению А-А.
«Осуществление изобретения»
Устройство (как показано на рис. 1 и рис. 2.) состоит из рамки 1, выполненной в виде короба с окнами для оптического доступа к образцу. Рамка составляет единое целое с днищем 2. На рамке 1 жестко закреплены струбцины 3 и 4, удерживающие датчики линейных перемещений 5 и 6. Аналогично в струбцинах закреплены и датчики 7 и 8 для контроля поперечного перемещения двух других граней. Подвижный элемент каждого из датчиков имеет точечный контакт с одной из боковых граней образца 9 и тем самым обеспечивается возможность измерения перемещений каждой из граней образца в одной точке, по нормали к исследуемой поверхности. Для исключения влияния на результат измерений контактных аномалий, возникающих при деформировании образца, точки контакта подвижного элемента датчика с образцом расположены вблизи средины вертикального ребра образца. Внутри рамки 1 на днище 2 нанесена маркировка для установки и позиционирования образца 9. Испытуемый образец установлен так, чтобы его грани были параллельны стенкам рамки 1. На кронштейнах 10 и 11, жестко связанных со стенками рамки 1 и днищем 2, закреплены зеркала 12 и 13 с наружным отражающим покрытием. Струбцины 14 и 15 также закреплены на стенках рамки 1 и предназначены для крепления фотопластин 16 и 17, которые используются для записиголографических интерферограмм, например, по схеме Ю.Н. Денисюка.
Тестовое воздействие на образец осуществляется нагружающей плитой 18. В процессе испытаний устройство размещают на нижней плите 19 испытательного пресса.
Заявляемое устройство функционирует следующим образом.
Перед началом испытаний устанавливают устройство на нижнюю плиту 19 испытательного пресса. Образец 9 размещают на маркированную площадку для позиционирования, нанесенную на плите днища 2. Испытуемый образец ориентируют так, чтобы его грани были параллельны стенкам рамки 1. Вводят в контакт с верхней гранью образца 9 верхнюю нагружающую плиту 18 испытательного пресса. Производят трехкратную опрессовку образца усилием, не превышающим 1,5-2,0% от предполагаемого усилия разрушения. Окончательно позиционируют образец 9 и нагружают минимальным усилием, но достаточным для предотвращения случайного смещения образца 9 при настройке датчиков перемещения 5, 6, 7 и 8. При помощи струбцин, устанавливают указанные датчики линейного перемещения так, чтобы их подвижные элементы находились в средине рабочего хода, а точечный контакт с поверхностью исследуемого образца находился на небольшом расстоянии, например, 3-5 мм от средины вертикального ребра каждой боковой грани образца. Используя лазер с достаточной мощностью, временной и пространственной когерентностью, формируют коллимированные световые потоки, проходящие через окна оптического доступа в рамке 1. Световые потоки юстируют так, чтобы лучи, освещающие поверхности исследуемого образца 9, непосредственно и через зеркала 12 и 13 падали по нормали к контролируемой поверхности. Этим обеспечивается максимальная чувствительность измерительной системы к перемещениям в направлении нормали к исследуемой поверхности.
В процессе проведения испытаний включают устройство регистрации сигналов, поступающих от датчиков перемещения, оптического затвора и от датчика тестирующего усилия, действующего на образец. Включают лазер и перекрывают его излучение оптическим затвором. Переводят помещение для испытаний в режим неактиничного освещения и в струбцины 14, 15 устанавливают прозрачные фотопластинки 16, 17 для голографической записи. Открывают оптический затвор и выполняют первое экспонирование фотопластин. Время экспонирования зависит от отражающих свойств образца, мощности излучения, чувствительности фотопластин и определяется экспериментально. После этого нагрузку на образец увеличивают на 5-10% от уровня разрушающего усилия и проводят второе экспонирование фотопластин, реализуя, тем самым, метод получения голографических интерферограмм двойной экспозиции. Отснятые фотопластинки извлекают из струбцин 14 и 15 и отправляют на химическую обработку, а на их место в струбцины устанавливаю новые фотопластины. Процесс регистрации интерферограмм двойной экспозиции многократно повторяют, поэтапно увеличивая нагрузку на образец. Испытания проводят до полного разрушения образца.
По голографическим интерферограммам восстанавливают поля нормальных перемещений каждой из боковых граней образца, используя известные методики. При этом, для упрощения определения абсолютных значений полей перемещений, используют данные, полученные с помощью соответствующих датчиков линейного перемещения, регистрирующих значения перемещений в точке на каждой грани. Поскольку точка контакта чувствительного элемента датчика присутствует на интерферограмме, то объединение данных датчика и интерферограммы не представляет труда.
По полям перемещений боковых граней и данным датчика осевого перемещения вычисляют изменение объема образца в процессе его нагружения. Используя эти данные, определяют коэффициенты Пуассона и поперечных деформаций, параметрические точки микротрещинообразования. Кроме того, эти параметры могут быть определены и традиционным способом - по соотношению относительных продольных и поперечных деформаций. Это позволяет оценить уровень достоверности результатов традиционных методов и установить допустимые области их применения.
Предел прочности материала при сжатии, модули упругости и деформаций, предельную растяжимость определяют, например, по графику «усилие - осевое перемещение», что является тривиальной задачей. Построение графика выполняют по данным датчика осевого перемещения и датчика усилия, установленного на нагружающем устройстве (прессе).
Характер процесса разрушения испытуемого образца определяют по серии интерферограмм, полученным в процессе испытаний. При этом для повышения достоверности трактовки результатов, моменты регистрации интерферограмм сопоставляют с графиком «усилие - осевое перемещение". На интерферограммах отмечают зоны формирования высокоградиентных деформаций, являющиеся предвестниками трещин, места появления и развития трещин, участки формирования блоков, зоны выклинивания, очаги пластических деформаций, проворот структурных элементов образца и другие особенности деструкции исследуемого образца в процессе нагружения. Фиксируемые структурные изменения увязывают с зависимостью относительных деформаций от уровня напряжений и такими измеряемыми параметрами, как коэффициенты Пуассона и поперечных деформаций, параметрические точки микротрещинообразования, которые могут быть использованы для оценки работоспособности материала и/или модификации его структурного, либо химического состава.
Для исследования испытуемых образцов, характеризующихся существенной неоднородностью локальных деформационных характеристик, устройство содержит три датчика контроля осевого перемещения нагружающей плиты испытательного пресса. Датчики установлены по вершинам равностороннего треугольника, вписанного в контур нагружающей плиты. Показания этих датчиков используют, например, в реальном времени, для оценки смещения геометрической и физической осей симметрии образца. С помощью простейшей программы визуализации данных процесс перекоса нагружающей плиты можно наблюдать на экране компьютера.
Если на начальном этапе нагружения величина взаимного смещения осей превышает 5-10% длины поперечного ребра испытуемого образца, нагрузку снимают и перемещают устройство так, чтобы обеспечивалось совпадение осей в заданных пределах.
Практическая реализация устройства не вызывает сложностей, поскольку на современном уровне развития техники могут быть изготовлены все элементы устройства. Более того, если нагружающее устройство может быть размещено на виброзащищенной платформе, то для регистрации полей перемещений целесообразно использовать, например, методы электронной корреляционной спекл-интерферометрии, позволяющие контролировать процесс в ходе выполнения эксперимента, наблюдая, например, полосы корреляции на экране монитора.
Использование устройства позволяет определить основные физико-механические характеристики строительных материалов, уточнять значения коэффициентов Пуассона и поперечных деформаций, модулей упругости и деформаций, а также параметрических точек микротрещинообразования для образцов из сложноструктурированных материалов, проверять возможность и области применения традиционных средств измерения механических свойств материалов, анализировать влияние химического и вещественного состава строительных материалов на структурные изменения в образце в процессе его нагружения, тем самым создавая предпосылки для совершенствования как самих строительных материалов, так и изделий, зданий и сооружений, реализуемых с их применением.
Устройство может быть эффективно применено в испытательных лабораториях для отработки и оптимизации составов строительных материалов, а так же технологических параметров их изготовления.
Возможность определения изменения полей перемещений граней образца, изменения его объема дифференцировано по каждой грани, визуализация процесса деструкции образца в процессе испытаний, позволяют применить устройство не только для строительных материалов, но и для конструкционных материалов, преимущественно композиционных.