Исследование особенностей разрушения цементного камня и керамзитобетона методом акустической эмиссии

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ______________________________________2010, том 53, №5___________________________________

ФИЗИКА

УДК 539.5.533:620.172

А.Абдуманонов*, Ш.Ш.Азимов, Р.М.Валиев*, В.Н.Петухов, Ф .А.Абдуманонов*, А.Лакаев

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ И КЕРАМЗИТОБЕТОНА МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан, Худжандский научный центр АН Республики Таджикистан

В статье проведен анализ данных акустической эмиссии, полученных при активном механическом нагружении трехточечным изгибом вплоть до разрушения модельных образцов из цементного камня и керамзитобетона. Акустическая эмиссия в основном вызвана трещинообразованием в процессе разрушения образцов. Различия в кинетике акустической эмиссии для исходных образцов и прошедших термоциклирование указывают на то, что циклическая термическая обработка повышает вязкость разрушения материала.

Ключевые слова: цементный камень - керамзитобетон - термоциклирование - акустическая эмиссия - вязкость разрушения.

Акустическая эмиссия (АЭ) как метод неразрушающего контроля широко используется при механических испытаниях металлов и композитов. Из-за сложной структуры метод АЭ пока еще малоприменим к бетонам, но уже имеется ряд работ, посвященных испытанию бетонов методом акустической эмиссии. В частности, в [1] было изучено поведение объемных образцов из бетона разной геометрии при различных условиях нагружения (трехточечный изгиб, одноосное растяжение и сжатие). Путем локации сигналов АЭ отслежена динамика образования трещин в материале, преимущественные области их образования (вокруг арматурных стержней). В [2] также исследована акустическая эмиссия в бетоне, усиленном углеродными волокнами. В работе обсуждается применимость так называемых параметрического метода, метода анализа напряженности (или интенсивности) и метода анализа главных компонент для интерпретации данных АЭ в бетонах. В результате анализа таких параметров АЭ, как амплитуда и частотный диапазон выявлено, что изгибы трещин вблизи слоев угольных волокон, а также процесс расслоения проявляются более интенсивно, чем конечное сдвиговое трещинообразование. Установлено, как и в более ранних работах, что АЭ в процессе деформации очень сильно зависит от свойств микроструктуры, деформационных механизмов и фазовых превращений.

Материалом нашего эксперимента были образцы из цементного камня и керамзитобетона (цемент+керамзит=0.7+0.3) размерами 20х20х160 мм после стандартного затвердевания в течение 28

Адреса для корреспонденции: Азимов Шавкат Шукурович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: sazimov@tajik.net; Абдуманонов Абдуали. 735714, Республика Таджикистан, г. Худжанд, Восточная промзона, Худжандский научный центр АН РТ. E-mail: rus-tamv1972@mail.ru

суток. Испытания проводились при постоянной скорости нагружения 1.5 кН/с в условиях трехточечного изгиба. Опыты были проведены с материалом как в исходном состоянии, так и после термоцик-лирования. Термическая обработка в специальном термостате проводилась по схеме 40 циклов нагрева-остывания в диапазоне 20^-300^-20°С. Акустическая эмиссия (АЭ) регистрировалась автоматизированной системой - двухканальной платой РС1-2 производства фирмы РАС (США), размещенной в персональном компьютере класса Пентиум 4. Далее анализировались параметры АЭ, то есть был применен первый из упомянутых выше параметрический метод анализа. Система работает в частотном диапазоне от 1 до 3000 кГц и предназначена, в основном, для исследовательских целей, а также для промышленного применения, где требуется высокая чувствительность и низкий уровень собственных шумов. Двухканальная плата РС1-2 содержит 18-битный микропроцессор, способный работать на частотах до 40 Мега-отсчетов в секунду, что позволило организовать архитектуру реального времени, которая не замедляет скорость поступления сигналов АЭ. Шина РС1 и архитектура прямого доступа к памяти, не только обеспечивает максимальные скорости регистрации АЭ сигналов, но и даёт возможность работать с непрерывным потоком данных - записывать входные сигналы на жесткий диск. Система снабжена также набором фильтров низких и высоких частот, позволяющих отсечь паразитные шумы, в частности, шумы нагружения. В данном случае была установлена полоса пропускания тракта 100-1000 кГц. Системой регистрируются следующие параметры АЭ сигнала: время пересечения порога, время до пика, пиковая амплитуда, длительность, время нарастания, общий счет пересечений порога, истинная энергия, среднеквадратичное значение, средний уровень. Акустические сигналы регистрировались непосредственно пьезопреобразователем Я151-Л8Т фирмы РАС со встроенным предусилителем 40 дБ. Датчик АЭ крепился через акустическую смазку на верхнюю горизонтальную поверхность образца специальным зажимом на фиксированном расстоянии в 40мм от точки приложения центрального изгибающего усилия. Экспериментально подобранный амплитудный порог регистрации сигналов АЭ составлял 22дБ. Сигналы АЭ регистрировались в режиме реального времени в ходе всего эксперимента вплоть до макроразрушения образца.

На рис. 1 показаны схема нагружения, форма образцов и временные зависимости накопления событий АЭ в процессе нагружения в идентичных условиях образцов из цементного камня в исходном состоянии и после термоциклирования, а также термоциклированного керамзитобетона.

180160140120100-

5 10 15 20 25 30 35 40 45 I, С

Рис. 1. Временная зависимость событий АЭ в цементном камне и керамзитобетоне.

По мере роста нагрузки в исходном материале идет стационарное, с постоянной средней скоростью накопление сигналов АЭ. Основываясь на результатах [3,4], подтверждающих, что источником АЭ в испытаниях таких материалов являются возникающие дефекты (микротрещины), можно утверждать, что в процессе деформации образца идет рост числа микротрещин. Высвобождающаяся при этом упругая энергия, часть которой регистрируется как АЭ, рассеивается в образце и не вызывает его макроразрушения до определенного критического момента, когда способность диссипировать упругую энергию в образце исчерпывается. В этот момент происходит стремительное образование магистральной трещины, и образец разрушается на две части. Иначе ведет себя в тех же самых условиях нагружения образец, прошедший предварительную термообработку в упомянутом выше режиме. Наблюдается существенный рост скорости образования дефектов при той же скорости нагружения по сравнению с исходным материалом. Хотя время жизни такого образца короче, степень его сопротивления разрушению гораздо выше. То есть, образующиеся в ходе нагружения многочисленные микродефекты не развиваются в магистральную трещину, а, по-видимому, тормозятся границами дефектов, образованных в материале за счет термоциклирования. Керамзитобетон как композиционный материал изначально имеет большую вязкость разрушения, которая дополнительно повышается после термоциклирования. В его структуре по сравнению с цементным камнем имеется значительно большее количество препятствий для быстрого роста микродефектов, в том числе и границы зерен керамзита. Кривая на рис. 1 прекрасно иллюстрирует данный факт. Видно, что количество событий АЭ для термоциклированного керамзитобетона, пропорциональное количеству образующихся в процессе нагружения дефектов, больше, чем как в исходном, так и в термоциклированном цементном камне. Складывается впечатление, что для того, чтобы произошло макроразрушение образцов с поврежденной структурой необходимо значительно больше микротрещин, чем для образцов в исходном состоянии. Следовательно, энергоёмкость поврежденных образцов значительно больше по сравнению с исходным материалом. Это и есть свидетельство повышения вязкости разрушения материала.

На рис.2 приведены амплитудно-временные зависимости (амплитудные спектры) событий АЭ для тех же исследуемых материалов.

Амплитуда АЭ, дБ

а О Цементный камень

_        . Т .  т ермоциклированный цементный камень ермоциклированный керамзитобетон

 о  О

г ' . па   а

а             ш  " _ а   ... о ... 0и .... о   О

" о„  . ежи ЬрАА і   ып піт'і        а   я гуупп и

в шш в   .  а оа.ш .. . [Аш  поп с*а " “сп  ш *    ШШ _   и ". ' '  О О

і і 5 10 1 5 2 0 2 5 0 3 5 40

Рис. 2. Амплитудно-временные зависимости событий АЭ в цементном камне и керамзитобетоне.

По данным эксперимента в цементном камне и керамзитобетоне, подвергнутых термоцикли-рованию, появляется заметное количество сигналов АЭ средних и больших амплитуд, то есть с большей выделившейся упругой энергией. В исходном цементном камне такого не наблюдается. Многократная термическая обработка материала ведет к образованию микроповреждений на границах раздела компонентов. Хотя данный процесс сопровождается снижением прочности в определенных пределах, однако эти же дефекты могут способствовать увеличению вязкости разрушения, которая является характеристикой надежности работы материала под нагрузкой. Проведенный эксперимент с помощью данных по акустической эмиссии показывает, что такая структура способна запасать и диссипировать больше упругой энергии, которая высвобождается впоследствии в ходе нагружения.

Поступило 25.03.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Weiler B., Xu S., Mayer U. - Otto-Graf-Joumal., 1997, vol. 8, pp. 255-269.

2. Degala S. Acoustic Emission Monitoring of Reinforced Concrete Systems Retrofitted with CFRP. - University of Pittsburgh, 2008, 115 p.

3. Koppel S. and Vogel T.: Localization and identification of cracking mechanisms in reinforced concrete using acoustic emission analysis. Proc.

4. Int. Conf. on Bridge Management, Surrey (2000), pp. 88-95.

5. Ohtsu M. - The e-Journal of Nondestructive Testing, 2002, September, vol. 7, No. 9.

А.Абдуманонов*, Ш.Ш.Азимов, Р.М.Валиев*, В.Н.Петухов, Ф.А.Абдуманонов*, А.Лакаев

ТАДЦИЦИ ХУСУСИЯТИ ВАЙРОНШАВИИ САНГИ СЕМЕНТ ВА КИРАМЗИТОБЕТОН БО МЕТОДИ АКУСТОЭМИССИОНЙ

Институти физикаву техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон, *Маркази илмии Хуцанд Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Дар макола натичахои тадкики акустоэмиссионй, ки хднгоми бо усули катшавй шика-стани намунахои санги семент ва кирамзитобетон ба даст оварда омадааст,мавриди тахлил карор дода шудааст. Мукаррар шудааст, ки сигналхои акустикй дар натичаи ба вучуд омадани таркишхо дар раванди вайроншавии намунахо ба вучуд меоянд. Фаркияти кинетикаи эмиссияи акустикии намунахои ба термосикл дучоршуда ва намунахо дар холати ибтидой аз он шаходат медихад, ки таъсири термосикл ба афзоиши часпакии вайроншавии маводи таркибй меоварад. Калима^ои калиди: санги семент - кирамзитобетон - термосикл - эмиссияи акустики - часпакии вайроншави.

A.Abdumanonov*, Sh.Sh.Azimov, R.M.Valiev*, V.N.Petukhov, F.A.Abdumanonov*, A.Lakaev INVESTIGATION OF CEMENT STONE AND CERAMSITE CONCRETE FRACTURE FEATURES BY ACOUSTIC EMISSION TECHNIQUE

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,

*The Khujand Scientific Center, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan Acoustic emission as a nondestructive testing technique has been applied to cement stone and ce-ramsite concrete under the three-point bending. Basically acoustic emission caused by cracks formation through the specimens fracture process. The difference in acoustic emission kinetics for initial specimens and passed temperature cycling indicates that thermocycling of material rises the fracture toughness.

Key words: cement stone - ceramsite concrete - thermocycling - acoustic emission - fracture toughness.