Анализ физических характеристик диаграмм деформирования цементных композитов при сжатии

Анализ физических характеристик диаграмм деформирования цементных композитов при сжатии

В.П.Селяев, П.В.Селяев, М.Ф.Алимов, Е.Л.Кечуткина

В статье предложены новые подходы к анализу диаграмм деформирования цементных композитов, полученных при испытании со скоростью нагружения 0,5 мм/мин. и частотой измерения усилий и перемещений 0,1 сек. Показано, что процесс деформирования при сжатии является дискретно-непрерывным и состоит из отдельных актов повышения и сброса нагрузки. Основными физическими характеристиками процесса нагружения являются: амплитуда, частота сбросов нагрузки, квант разрушения (по В.В. Новожилову). Разрушение структуры цементных композитов начинается с микроуровня и завершается формированием трещины разрушения на границе контакта матрицы и зерна заполнителя. Анализ графиков изменения частоты и амплитуды сбросов нагрузки дает возможность выделить на диаграмме деформирования четыре этапа изменения структуры: разуплотнения, уплотнения, накопления микроразрушений, роста трещины разрушения.

Ключевые слова: диаграмма деформирования, квант разрушения, трещины, деформации, цементный композит.

Analysis of the Physical Characteristics of the Strain

Diagrams of Cement Composites under Compression.

By V.P.Selyaev, P.V.Selyaev, M.F.Alimov, E.L.Kechytkina

The results of the analysis of the strain diagrams of cement composites, obtained when tested at aloading rate of 0.5 mm/ min and a frequency of measuring forces and displacements of 0.1 sec. It is shown that the deformation process under compression is discretionary and consists of individual acts of increasing andload shedding. The main physical characteristics of the process of loading are: amplitude, frequency discharge load; the quantum of destruction (V. Novozhilov). The destruction of the structure of cement composites starts with micro and ends with the formation of fracture at the contact interface of the matrix and grain filling. Analysis of graphs of frequency and amplitude of the discharge load allows you to select the chart of deformation of four stages: changes in the structure; decompression; compaction; accumulation of microrarray; crack growth fracture.

Key words: deformation diagram, the quantum of destruction, cracks, deformation, cement composite.

Диаграммы деформирования наиболее полно отражают процессы, происходящие в структуре материала при на-гружении.

Методами прямого и косвенного наблюдения (ультразвуковым, тензометрическим, акустической эмиссии, микроскопии и рентгенографии) установлено, что на всём протяжении нагружения накопление деформаций связано с эволюционным развитием системы микродефектов, пор, трещин в структуре композита. С ростом нагрузки одни трещины закрываются, другие открываются и увеличиваются в размерах; поры меняют форму, сливаются, образуя трещины; меняется суммарная длина и плотность трещин на единицу площади поперечного сечения изделия.

В работах О.Я. Берга по результатам ультразвуковых наблюдений показано, что на диаграммах V - е" можно выделить несколько этапов [1].

Современное силовое оборудование дает возможность получать более полную информацию об изменении напряжений и деформаций в процессе нагружения.

В предлагаемой статье предпринята попытка получить диаграммы деформирования при постоянной скорости нарастания перемещений и высокой частоте измерения перемещений и нагрузки; предложить методику анализа основных физических характеристик диаграммы деформирования; описать процесс разрушения цементных композитов с учётом полученных физических характеристик.

Для этого проведены испытания на сжатие кубиков 10x10x10 см из цементного бетона на специальной машине с использованием программно-аппаратного комплекса Wille Geotechnik R (модель 13-PD/401). Он позволяет проводить и отслеживать параметры испытаний в режиме реального времени с разрешением более 20 бит (1x106 шагов) с тремя свободно переключаемыми каналами для каждой оси (усилие, перемещение, давление).

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Абсолютные перемещения,мм

Рис. 1. Диаграмма зависимости нагрузки от перемещения

Изменение напряжений и деформаций композиционных материалов в процессе нагружения фиксировалось с шагом 0,1 сек., скорость нагружения - 0,5 мм/мин.

На рисунке 1 показана диаграмма деформирования, полученная при скорости нагружения 0,5 мм/мин. В этом случае отчётливо видно, что процесс нарастания деформаций сопровождается дискретными актами повышения и падения напряжений. При увеличении масштаба можно проследить как меняется характер дискретных актов нагрузки и разгрузки.

На рисунке 2 показано в увеличенном масштабе прерывистое развитие деформации при различных уровнях нагружения (в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6).

о --1-!-1-1-!

О 0,02 0,04 0,06 0,08 ОД 0,12 0,14

Абсолютные перемещения, мм

3 участок

245 -I-1-1-1-!-1-1-I-1-1

1,44 1,45 1,46 1,47 1,48 1,49 1,5 1,51 1,52 1,53 1,54 Абсолютные перемещения, мм

5 участок

550 -I-I-I-I-1-I-I-,

2,28 2,3 2,32 2,34 2,36 2,38 2,4 2,42

Абсолютные перемещения, мм

Рис. 2. Диаграммы дефермирования на участках 1, 2, 3, 4, 5, 6

В области точек 1, 2 происходит разуплотнение структуры бетона, разрушаются слабые, рыхлые структурные образования. Показана цепочка дискретных актов разрушения. Нагрузка увеличивается на 0,8 кН, и затем происходит сброс. Но в целом с ростом деформаций прослеживается тенденция роста воспринимаемой нагрузки. На втором участке в диапазоне 55-250 кН нагружение сопровождается практически стабильным нарастанием деформаций с редкими сбросами нагрузки. При нарастании деформации выше 0,35евц (еш -предельная деформация, соответствующая максимальной нагрузке при сжатии) характер дискретных разрушений меняется. Возрастает амплитуда роста нагрузки и спада,

2 участок

66

64

1 62 -£

а 60 X 58

54 84

0, 77 0,78 0,79 0,8 0,81 Абсолютные перемещения, мм 0, 82 0, ВЗ 0,

4 участок

1,94 1,96 1,98 2 2,02 2,04 2,06 2,08

Абсолютные перемещениями

490 участок (4 30- 42 2 к 66

480 470 Л V 1

V- 1 \ £

зе S 450 1 440 430 420 1 I | ¡И г > щ 6...

410 2, 54 2,56 2,58 Абсолютн ые 2 пе 6 зек леи Аен ИЯ 2,62 мм 2,64 2,

увеличивается частота сбросов нагрузки (рис. 3, 4). На отрезке диаграмм 3-5 возрастает число отказов, разрушений структурных элементов, повышается амплитуда нагрузки дискретного цикла нагружения,уменьшается квант разрушения с 0,02 мм до 0,004 мм (квант разрушения понимается по В.В. Новожилову). На шестом участке в области ниспадающей диаграммы деформирования разрушение также имеет дискретный характер.

Экспериментальные данные, полученные в результате расшифровки диаграммы деформирования, записанной с применением программного комплекса Welle Geotechnik и силовой установки 13-PD/4 01, не противоречат современным представлениям о процессе разрушения композитных материалов.

Диаграммы деформирования убедительно показывают, что разрушение композитов при нагружении является дис-кретнонепрерывным процессом, то есть он суммируется из множества отдельных, частных актов разрушения структуры. Подобные предположения приведены в работах, основанных на анализе процессов разрушения металлов и полимерных композитов [2; 4; 7].

В.В. Новожиловым введено понятие «квант разрушения» применительно к процессу, который развивается при усталост-

< 18

Рис. 3. Изменение амплитуды сбросов нагрузки на кривой деформирования

= 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10  ищ I I

I i 1 1

б 4 2 Lüh 1 и 1 р

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 о" Ю LT) Ч Ö" о 1Я 1Л <э l£> иЛ о Ч о г* о" щ Г-. сГ 00 ю о « о Ol © m гн <71 о" и") О *Ч <н ю гн п гЧ ГЧ г-Г и

Рис. 4. Частота отказов структурных элементов с ростом деформаций

ных динамических испытаниях [2]. Его предлагается понимать как меру минимально возможного скачка трещины, который может быть реализован в данной среде. Минимально возможную удельную энергию разрушения, которая затрачивается на скачок усталостной трещины, равный кванту разрушения, определяют как квант энергии разрушения. Однако, как показывают результаты испытаний цементных композитов под действием статического нагружения, разрушение также носит квантовый характер. Непрерывный процесс складывается из дискретных процессов разрушения структуры.

Объяснить это явление можно, если принять гипотезу о фрактальности строения структуры композита. Сложная макроструктура формируется из более мелких структурных элементов, которые подобны целому.

Современные исследования свидетельствуют о том, что композиционные материалы являются сложными иерархически организованными масштабно-инвариантными системами, которые на каждом масштабном уровне могут быть представлены двумя обобщенными компонентами - матрицей и наполнителем [4; 5; 6]. Масштабные уровни рассмотрения структуры композитов принято коррелировать с размерами включений в матрицу: заполнителей, наполнителей, пузырьков воздуха. Для строительных композитов на цементном вяжущем предложено [6] рассматривать четыре масштабных уровня по типу частиц (включений).

1. Сантиметровый уровень представлен матрицей и включениями зёрен заполнителя размером до 5 см (5*10-2м). Заполнителем могут служить плотные измельчённые горные породы или пористые гранулы искусственного или естественного происхождения. Зёрна заполнителя вводятся в бетон для заполнения объёма, повышения жесткости. Иногда с помощью заполнителя бетону придают особые свойства. Зёрна заполнителя являются концентраторами напряжений, поэтому из-за плохого сцепления матрицы с заполнителем в зоне контакта до приложения нагрузки образуются трещины, которые при нагружении частично закрываются и меняют ориентацию, что при дальнейшем нагружении будет способствовать формированию и развитию трещин разрушения. Крупность заполнителя будет влиять на прочность композита.

2. Миллиметровый уровень формируется из матрицы и наполнителя, размер частиц которого не превышает 5 мм (5*10-3м). В качестве наполнителя часто применяется кварцевый песок, но могут применяться и поризованные наполнители. Объёмное содержание, механические характеристики, крупность частиц будут влиять на прочность композита. При нагружении в матрице (микрометровый уровень) вокруг песчинок и крупного заполнителя (в матрице миллиметрового уровня) формируются трещины, росту которых препятствуют поры, пустоты и заполнитель.

3. Микрометровый уровень формируется из матрицы и наполнителей, представленных тонкодисперсными минеральными порошками, которые вводятся в состав цементной композиции в ограниченном количестве (10-20% по объёму) для направленного изменения прочностных, деформативных,

физических свойств. Крупность частиц находится в пределах от 0,1 до 5 мкм (5х10-6); частицы наполнителя влияют на формирование микроструктуры композита. Возможно проявление самоорганизации частиц в кластеры и другие агрегаты. Варьируя степень наполнения композита, можно направленно влиять на его прочностные свойства. Частицы наполнителя могут являться очагами образования микротрещин при высокой степени наполнения. На микроуровне разрушение структуры преимущественно развивается путем объединения пор.

4. Нанометровый уровень формируется из матрицы, представленной цементным камнем, полученным путем затворения цемента водой и введением специальных функциональных добавок, регулирующих свойства связующего. Размер частиц наполнителя находится в наноразмерном диапазоне 20-200 нм. Частицы вводятся для усиления исходной матрицы (цементного камня) и выполняют роль очагов кристаллизации. При направленном подборе бинарных наполнителей можно, регулируя барические и термовлажностные условия твердения, синтезировать новые минералы, усиливающие структуру цементного камня.

Частицы заполнителя часто бывают очень хрупкими и не могут противостоять развитию пластических деформаций. Поэтому при развитии больших пластических деформаций в матрице они могут разрушаться, образуя условные пустоты.

Дефекты, поры, зёрна заполнителей и наполнителей, как правило, являются инициаторами, очагами концентрации напряжений и зарождения трещин, но они также выполняют функции демпферов, гасителей энергии разрушения.

При анализе диаграмм деформирования было отмечено, что квант разрушения, характеризующий дискретность процесса нагружения, с повышением уровня напряжений уменьшается и на этапе уплотнения в среднем равен 0,01 мм, а на этапе активного разрушения - 0,005 мм.

Для сталей и алюминия кванты разрушения равны 0,5 нм и (2-5) нм. Эти размеры коррелируют с параметрами кристаллической решётки. По аналогии можно предположить, что в композиционных материалах квант разрушения должен коррелировать с расстояниями между дефектами. Принимая в качестве дефектов структуры частицы заполнителя и наполнителя и рассматривая системы «матрица-заполнитель» на различных масштабных уровнях, легко можно рассчитать расстояния между дефектами. Исходя из кубической упаковки шаров-наполнителей, расстояние 3 между частицами будем определять по формуле вида:

6 = <¿(0.80671/^3 - 1) = кв., где 1\ - относительное содержание заполнителя диаметром ё в единичном объёме.

Зависимость между параметрами к и У3 представлена в таблице 2.

Таблица 2. Зависимость к от величины У3

Показатель 1 2 3 4 5 6

V 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,52

к 0,74 0,38 0,2 0,09 0,02 0

Тогда, принимая для сантиструктуры d=5 см, V3=0,4 получаем ¿=4,5 мм; для миллиструктуры: d=5 мм, V== 0,5, ¿=0,1 мм, для микроструктуры d=5 мкм, V3=0,2 и ¿=0,02 мм.

Квант разрушения, как мера минимально возможного скачка трещины, связан с образованием новой поверхности разрыва. Рост трещины происходит за счёт прохождения устья трещины от дефекта, на границе которого она зародилась, до соседнего дефекта, находящегося на расстоянии ¿. Сопоставляя величины ¿ для разных масштабных уровней и кванты разрушения, определённые по диаграмме деформирования, можно прийти к выводу, что разрушение композита начинается с образования трещин на микроуровне. Накопление трещин в матрице на микроуровне приводит к её разупрочнению и создаёт условия для начала роста трещин, расположенных в области контакта крупного заполнителя и матрицы. Поэтому в конечном итоге прочность композита при сжатии и растяжении оказывается зависимой от крупности заполнителя, что подтверждается экспериментально [4].

Выводы

1. Диаграммы деформирования цементных композитов при сжатии, полученные при скорости деформирования 0,5 мм/мин и с шагом измерения основных силовых и деформационных параметров 0,1 сек., свидетельствуют о том, что процесс разрушения материала является дискретно-непрерывным. Процесс нарастания деформаций при статическом нагружении также состоит из дискретных актов повышения и сброса нагрузки, что можно объяснить неоднородностью композита, наличием дефектов в его структуре.

2. Основными физическими характеристиками диаграммы деформирования композитов предлагается принять: частоту отказов (частоту сбросов нагрузки); амплитуду сбросов; квант разрушения как меру минимально возможного скачка (по В.В. Новожилову).

3. На диаграмме деформирования (по аналогии с О.Я. Бергом) можно выделить этапы разуплотнения, уплотнения, развития микроразрушений и трещин разрушения структуры. Первая параметрическая точка, соответствующая уровню деформаций, превышение которых сопровождается интенсивным накоплением микроразрушений, для испытанных образцов находится в пределах (0,35-0,4) еви.

4. Разрушение структуры цементного композита начинается на микромасштабном уровне и приводит к разрыхлению структуры, что создает предпосылки для роста трещин разрушения, размеры которых соизмеримы с размерами дефектов, создаваемых на границе контакта матрицы и зёрен заполнителя.

Литература

1. Берг, О.Я. Высокопрочный бетон / О.Я. Берг, Е.Н. Щербаков, Г.Н. Писанко. - М.: Стройиздат, 1971 - 208 с.

2. Иванова, В.С. Количественная фрактография. Усталостное разрушение / В.С. Иванова, А.А. Шанявский. - Челябинск: Металлургия, 1988. - 400 с.

3. Бондаренко, В.М. Физические основы прочности бетона / В.М. Бондаренко, В.П. Селяев, П.В. Селяев // Бетон и железобетон. - 2014. - №4. - С. 2-6.

4. Селяев, В.П. Основы фрактальной механики разрушения бетона / В.П. Селяев, П.В. Селяев, Е.Л. Кечуткина // Механика разрушения строительных материалов и конструкций: Материалы VIII Академических чтений РААСН - Международной научно-технической конференции. - Казань: КГАСУ, 2014. - С. 289-298.

5. Чернышёв,Е.М. Неоднородность структуры и сопротивление разрушению конгломератных строительных композитов / Е.М. Чернышёв, Е.И. Дьяченко, А.И. Макеев. - Воронеж: ВГАСУ, 2012. - 98 с.

6. Селяев, В.П. Эволюция и проблемы технологий, надежности создания изделий на основе цементных композитов / В.П. Селяев, П.В. Селяев // Сборник трудов. Материалы Российско-китайского форума инженерных технологий. 8-16 октября 2015. КНР г. Ханчжоу. - С. 185-195.

7. Селяев, В.П. Химическое сопротивление цементных композитов / В.П. Селяев, В.И. Соломатов, Л.М. Ошкина. - Саранск: изд-во Мордовского ун-та, 2001. - 152 с.

8. Зиновьев, В.Н. Классификация микротрещин и границы их проявления в бетоне при сжатии. Часть 4-2 / В.Н. Зиновьев, Д.В. Романовский, Р.А. Шувалов // Бетон и железобетон. -2015. - №5 - С. 27-32.

Literatura

1. BergO.Ya. Vysokoprochnyj beton / O.Ya. Berg, E.N. Shherbakov, G.N. Pisanko. - M.: Strojizdat, 1971 - 208 s.

2. Ivanova, l/.S. Kolichestvennaya fraktografiya. Ustalostnoe razrushenie / V.S. Ivanova, A.A. Shanyavskij. - Chelyabinsk: Metallurgiya, 1988. - 400 s.

3. Bondarenko, V.M. Fizicheskie osnovy prochnosti betona / V.M. Bondarenko, V.P. Selyaev, P.V. Selyaev // Beton i zhelezobeton. - 2014. - №4. - S. 2-6.

4. Selyaev, V.P. Osnovy fraktal'noj mehaniki razrusheniya betona / V.P. Selyaev, P.V. Selyaev, E.L. Kechutkina // Mehanika razrusheniya stroitel'nyh materialov i konstrukcij: Materialy VIII Akademicheskih chtenij RAASN - Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. - Kazan': KGASU, 2014. -S. 289-298.

5. Chernyshyov, E.M. Neodnorodnost' struktury i soprotivlenie razrusheniyu konglomeratnyh stroitel'nyh kompozitov / E.M. Chernyshyov, E.I. D'yachenko, A.I. Makeev. - Voronezh: VGASU, 2012. - 98 s.

6. Selyaev, V.P. Evolyuciya i problemy tehnologij, nadezhnosti sozdaniya izdelij na osnove cementnyh kompozitov / V.P. Selyaev, P.V. Selyaev // Sbornik trudov. Materialy Rossijsko-kitajskogo foruma inzhenernyh tehnologij. 8-16 oktyabrya 2015. KNR g. Hanchzhou. - S. 185-195.

7. Selyaev, V.P. Himicheskoe soprotivlenie cementnyh kompozitov / V.P. Selyaev, V.I. Solomatov, L.M. Oshkina. - Saransk: izd-vo Mordovskogo un-ta, 2001. - 152 s.

8. Zinov'ev, V.N. Klassifikaciya mikrotreshhin i granicy ih proyavleniya v betone pri szhatii. Chast' 4-2 / V.N. Zinov'ev, D.V. Romanovskij, R.A. Shuvalov // Beton i zhelezobeton. - 2015. -№5 - S. 27-32.