Анализ трещиностойкости гранита и известняка с позиций механики разрушения

Анализ трещиностойкости гранита и известняка с позиций механики разрушения

Н.И.Макридин, И.Н.Максимова, Ю.А.Соколова, И.А.Суров

Современная тенденция использования в строительстве бетонов нового поколения высокой и сверхвысокой прочности, склонных к хрупкому разрушению, обусловливает необходимость экспериментального изучения и получения новых физически обоснованных параметров механического поведения и классификации каменных материалов по трещиностойкости с целью реализации основной идеи разработки композиционных материалов, заключающейся в соединении высокой прочности с хорошей вязкостью разрушения и повышении качества и надежности бетона.

В структурной механике разрушения композиционных материалов реальная прочность материала связывается с его энергией разрушения, модулем упругости и размером дефекта структуры, обусловливающим начало разрушения, так как согласно концепции механики разрушения разрушение твердого тела под нагрузкой происходит в результате развития в нем реальных дефектов. При этом предсказано теоретически и показано экспериментально влияние дисперсной фазы на три указанных фактора, от которых зависит прочность [1].

В этой связи оценка параметров механического поведения (трещиностойкости) природных горных пород, используемых в качестве заполнителей для бетонов, влияющих на фактор реальной прочности цементного композита, представляет не только теоретический интерес, но и большую практическую ценность, так как вопросы выбора заполнителей, особенно для бетонов высокой и сверхвысокой прочности с повышенной хрупкостью, весьма слабо освещены в литературе и потому приобретают особую значимость при оценке надежности и долговечности бетонов нового поколения в условиях силовых и несиловых воздействий.

Дальнейшему выяснению природы механического поведения композиционных материалов под нагрузкой будет способствовать новый подход к проблеме прочности, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения с позиций физики и механики разрушения. Целью статьи является сравнительный анализ возможностей и перспектив применения метода акустической эмиссии (АЭ) при изучении механического поведения каменных материалов и оценке механических и акустических параметров предельного состояния структуры заполнителей разного генезиса на диаграмме нагружения при неравновесных механических испытаниях опытных образцов по ГОСТ 29167. С пониманием этого процесса повышаются достоверность описания свойств по характерным признакам и возможность их представления в количественной форме в виде параметров, определяющих

выбор материалов для какой-либо цели. Для исследования были изготовлены опытные образцы размером 24х60х300 мм из гранита и 23х43х340 мм из известняка. Из каждого материала было изготовлено по 15 образцов-близнецов.

На каждом образце последовательно определяли: динамический модуль Е3 упругости и коэффициент внутреннего трения Кт предельную деформативность ер растянутой зоны образца при изгибе с помощью тензодатчиков базой 30 мм; критический коэффициент интенсивности напряжений К1с при неравновесных механических испытаниях образцов на изгиб; критическую интенсивность высвобождения энергии, или силу продвижения трещины Ос; АЭ образцов на кривой нагружения в полосе частотного диапазона 50...150 кГц; предел прочности на растяжение при изгибе Я. Основные характеристики акустико-эмиссионного устройства (АЭУ): число приемных каналов - 2; частотный диапазон аппаратуры - 8.1000 кГц; чувствительность по входу предусилителя в полосе А/ = 100 кГц - 2.5 мкВ; частота среза ФВЧ - 8, 20, 50, 150 кГц; частота среза ФНЧ - 20, 50, 150, 1000 кГц; глубина регулировки усилительного тракта - 40 дБ.

Нагружение образцов производили ступенями в 0,1 ожидаемой прочности на растяжение при изгибе, на каждой ступени нагружения образцы выдерживали в течение 1-1,5 минуты для записи показаний приборов или до полного прекращения акустического излучения. Скорость движения подвижного захвата во всех опытах была одинаковой и составляла 166-10-7 м/с. С целью получения хорошего акустического контакта преобразователь АЭ прижимался с постоянным усилием к торцовой поверхности образца-призмы через тонкий слой петролатумной смазки.

У нас в качестве информативных параметров АЭ при изучении трещиностойкости горных пород приняты: суммарная энергия импульсов АЭ на диаграмме нагружения опытных образцов и дифференциальное приращение энергии импульсов АЭ на этапах нагружения, а также амплитуды импульсов АЭ на двух уровняхА1 и А2: первый уровень - в диапазоне 0,05-0,5 В, второй - выше 0,5 В. Излучение импульсов АЭ отражает развитие деформирования и разрушения материала на разных масштабных уровнях и разную природу генерируемых сигналов. Ультразвуковые импульсы АЭ малой амплитуды А1 характеризуют пластические деформации материала, а возникновение и развитие дефектов структуры материала сопровождаются сигналами АЭ относительно большой амплитуды А2. Измерение параметров указанных импульсов позволяет не только обнаруживать развитие де-

фектов и оценивать механическое поведение и параметры предельного состояния структуры, но и выявлять параметры материала, определяющие его трещиностойкость. Понимание их позволит технологам найти оптимальные пути создания конструкционных бетонов нового поколения.

Силовую характеристику трещиностойкости Л для образцов типа I при трехточечном изгибе вычисляли по формуле:

л .. = • ^ . . ,

2Л2-(1-А)2

где Ес - максимальная (разрушающая) нагрузка, Н; Ь - расстояние между опорами, м; t и Ь - ширина и высота

сечения, м; х = а - относительная длина надреза.

Ь

Динамический модуль упругости Е определяли по фор-

муле:

Ел = 0,965-10"

т3

Р-Г

где I, Ь, а - соответственно длина, высота и ширина образца, см; Р - масса образца, г; / - резонансная частота колебаний изгиба, Гц; Т - коэффициент, учитывающий размер образца (Т =1,07...1,2); 0,965-10-6 - коэффициент, учитывающий основной вид колебаний образца и размерность выбранных единиц измерения.

Коэффициент внутреннего трения определяли по формуле [2]: дт

К. . = -з£= .

к,=

ж -и

2 Ъ

т.

. .р .

где Ес - критическая нагрузка начала движения трещины; Ь0- расстояние между опорами, равное 3,8Ь; Ь - высота образца; t - ширина образца; а0- глубина надреза;

х = а°.

Ь

Критическую интенсивность высвобождения энергии (силу продвижения трещины) Ок определяли по формуле [4]:

в

"л 2

внутренней динамической перестройкой структуры материала под воздействием механической нагрузки для исследуемых горных пород имеет существенное как качественное, так и количественное различие.

Анализируя акустическую эмиссию, полученную на образцах из гранита и известняка (рис. 1), отметим, что излучение АЭ фиксировалось с первого этапа нагружения для гранита. При этом до интенсивности напряжения, равного 0,7 Яри, фиксировалось излучение АЭ только при приложении нагрузки. Начиная с этапа 0,8 Листала проявляться акустическая эмиссия и при выдержке образца под нагрузкой. На следующем этапе выдержки под постоянной нагрузкой было зафиксировано значительное дифференциальное приращение излучения АЭ, что свидетельствует о локальной перестройке структуры гранита. Сравнивая характер энергетического распределения АЭ гранита с его коэффициентом внутреннего трения, который имел наибольшие значения при сравнении пород, можно констатировать, что зернистая поликристаллическая структура гранита является типичной композитной структурой, которая характеризуется высокой степенью превращения в теплоту механической энергии, сообщенной ей в процессе деформирования, и сопротивляемостью разрушению, что и подтверждается методами исследования АЭ и внутреннего трения.

л/з/ ,

где А/ - ширина резонансной характеристики образца на уровне половины максимальной амплитуды изгибных колебаний по обе стороны от резонанса.

Критический коэффициент интенсивности напряжений ^определяли по [3]:

Суммарную энергию акустической эмиссии ЭАЗ как критерий трещиностойкости образцов (В2-см-2) определяли по [5] путем отношения зафиксированной акустико-эмиссионным устройством энергии ЭАЭ (В2) при нагружении образца до деформации е. к поверхности его разрушения 5, см2.

На рисунке 1 представлены амплитудно-энергетическое распределение суммарной энергии импульсов АЭ и дифференциальное ее приращение на этапах нагружения образца из гранита и известняка. Из его анализа следует, что излучение акустических волн напряжений, вызванное

Б

0 0,1 0,2 0,3 0,

Рис.1. Зависимость энергии акустической эмиссии ЭЭ (1) и дифференциального приращения энергии акустической эмиссии ЭЭ (2) гранита (А) и известняка (Б) от интенсивности нагружения образцов типа I по ГОСТ 29167 при трехточечном изгибе

А

На рисунке 2 представлена кинетика развития УЗ-импульсов АЭ N1 и N2 с дискриминационными амплитудами соответственно A1 и A2 и соотношение количества УЗ-импульсов N/N2 малых и больших амплитуд на кривой нагружения опытных образцов из гранита и известняка, по которым проводилась идентификация процесса разрушения в реальном масштабе времени.

Акустический параметр Nj (Ax )/N2 (A2 ) можно использовать для идентификации разрушения образцов сравниваемых пород на диаграмме нагружения с учетом различных физических явлений, лежащих в основе генерируемых сигналов АЭ с амплитудами A1 и A2 и отражающих в общем случае вклад пластической и упругой (хрупкой) составляющих в суммарный процесс силового разрушения.

Общий анализ графических зависимостей (рис. 2, табл.) с учетом совокупности физико-механических характеристик

Б

Рис. 2. Зависимость количества (Ы1 и Ы2) сигналов АЭ с амплитудами соответственно А1 и А2 и отношения Ы1/Ы2 образцов гранита (А) и известняка (Б) типа I по ГОСТ29167 при трехточечном изгибе от интенсивности нагружения: 1 - амплитуда сигнала АЭ А1 = 0,05-0,5 В; 2 - амплитуда сигнала АЭ А2 > 0,5 В; 3 - отношение ЫХ1Ы2 сигналов АЭ

сравниваемых горных пород позволяет, прежде всего, констатировать существенное различие механических свойств гранита и известняка. Так, численные значения прочности при изгибе, динамического модуля упругости и критического коэффициента интенсивности напряжений образцов гранита превышали значения механических характеристик образцов известняка соответственно в 1,92, 1,35 и 1,6 раза, а критическая интенсивность высвобождения энергии (сила продвижения трещины) в 2,2 раза. При этом значения коэффициента внутреннего трения, являющегося мерой внутреннего трения структуры реальных материалов, были в 2,35 раза выше у образцов гранита. С точки зрения механического поведения материала под динамической нагрузкой это значит, что гранит обладает лучшей способностью необратимо превращать в теплоту механическую энергию, сообщенную ему в процессе деформирования. Другими словами, доля плотности энергии микропластических деформаций в зоне образующейся новой поверхности в общей эффективной поверхностной энергии материала значительно выше у образцов гранита, чем у образцов известняка.

Именно эти свойства и особенности микроструктуры сравниваемых материалов обусловливают принципиальное различие графических зависимостей изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ на диаграмме нагружения опытных образцов гранита и известняка. Оно заключается, прежде всего, в том, что первые сигналы АЭ с амплитудой до 0,5 В были зарегистрированы на образцах гранита при интенсивности нагружения 0,067 Ru, а на образцах известняка - 0,4 R. В свою очередь, первые сигналы АЭ с амплитудой более 0,5 В были зарегистрированы при уровне нагружения соответственно 0,267 и 0,4 R. При этом и характер графических зависимостей изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ на рисунке 2 имеет принципиальное отличие, обусловленное различием как механического поведения, так и микромеханизмов процесса разрушения каменных материалов разного генезиса. Причем значение акустического параметра Nj (Aj )/N2 (A2 ) очень четко отражает идентификацию процесса разрушения образцов с учетом различных физических явлений, лежащих в основе

Таблица

Параметры Вид наполнителя

гранит известняк

Плотность, г/см3 2,78 2,44

Прочность R , МПа г ри' 15,57 8,11

Динамический модуль упругости, МПа 40840 34120

Коэффициент внутреннего трения 0,01224 0,00519

Предельная деформативность растянутой зоны, мм/м 0,36 1,07

Критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа-м0-5 1,270 0,785

Критическая интенсивность высвобождения энергии, Н/м 39,493 18,06

А

генерируемых сигналов с амплитудами A1 и A2, что приближает исследователя к пониманию процесса разрушения и выявлению параметров материала, определяющих его трещино-стойкость. Следует отметить, что характер изменения и численные значения акустического параметра на кривой нагружения образцов являются в этом смысле определяющими, так как на их основе можно прогнозировать предельные состояния структуры материала и вязкость его разрушения при силовом воздействии. Чем более широкий диапазон интенсивности нагружения охватывает акустический параметр и чем больше его численное значение, тем больше отражается вклад пластической составляющей в суммарный процесс разрушения, и наоборот (рис. 2). В свою очередь, достаточно резкое уменьшение численного значения акустического параметра, отражающего скачкообразную смену микромеханизма разрушения, является предвестником наступления предельного состояния структуры материала.

По результатам выполненных комплексных исследований физико-механических свойств и изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ на диаграмме нагружения опытных образцов горных пород разного генезиса, испытанных по методике ГОСТ 29167 с использованием метода АЭ для изучения самого процесса разрушения, можно сформулировать следующие выводы.

1. Стохастический характер энергетического распределения импульсов АЭ на кривых нагружения опытных образцов позволяет использовать для анализа процесса зарождения, развития и движения дефектов структуры подходы синергетики, изучающей процессы самоорганизации, развития устойчивости и распада структур.

2. Стохастичность импульсов АЭ на этапах нагружения связана с неравновесными фазовыми переходами в особой точке (точке бифуркации), при достижении которой скачкообразно изменяются свойства материала, обусловленные самоорганизацией процесса. По характеру потери устойчивости однородного состояния равновесия и необратимого перехода в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений, рассматриваемые структуры горных пород относятся к диссипативным структурам.

3. Анализ зависимостей сопротивления горных пород разрушению по энергетическому распределению импульсов АЭ (рис. 1, 2) с позиций синергетики позволяет заключить, что зависимость является естественно присущей процессу разрушения способностью проявлять разные свойства одного и того же материала в точках бифуркации, соответствующих смене как типа диссипативных структур, так и микромеханизма разрушения, что подтверждается численными значениями коэффициента изменчивости силового критерия разрушения исследуемых материалов.

4. Комплексная оценка силовых, энергетических, деформационных и акустических параметров механического поведения горных пород позволяет предложить критерий конструкционного качества заполнителей при их выборе для бетонов повышенной прочности и надежности. Таким

критерием качества, на наш взгляд, может быть безразмерное произведение Kk = E3 • Квт.

Литература

1. Ленг Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице // Композиционные материалы. Т. 5. Разрушение и усталость. М.: Мир, 1978. С. 9-57.

2. Прибор для измерения коэффициента внутреннего трения типа ИКВТ-2. Инструкция. Л.: ЛЭТИ, 1967.

3. ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

4. Карпенко Н.И., Зайцев Ю.В., Окольникова Г.Э., Андрианов А.А. Экспериментальное определение физико-механических свойств и параметров механики разрушения ультравысокопрочных бетонов // Фундаментальные исследования РААСН в 2010 году. Москва-Орел: РААСН, 2011. С. 242-248.

5. Макридин Н.И., Королев Е.В., Максимова И.Н. Метод акустической эмиссии в строительном материаловедении // Строительные материалы. 2007. №3. С. 25-27.

Literatura

1. Leng F.F. Razrushenie kompozitov s dispersnymi chasti-tsami v khrupkoj matritse // Kompozitsionnye materialy. T. 5. Razrushenie i ustalost. M.: Mir, 1978. S. 9-57.

2. Pribor dlya izmereniya koeffitsienta vnutrennego treniya tipa IKVT-2. Instruktsiya. L.: LETI, 1967.

3. GOST 29167-91. Bete^. Mete^ opredeleniya kharakteris-tik treschinostojkosti (vyazkosti razrusheniya) pri staticheskom nagruzhenii.

4. Karpenko N.I.,ZajtsevYu.V., OkolnikovaG.E,AndrianovA.A. Eksperimentalnoe opredelenie phiziko-mekhanicheskikh svoistv i parametrov mekhaniki razrusheniya ultravysokoprochnyh betonov // Fundamentalnye issledovaniya RAASN v 2010 godu. Moskva - Orel: RAASN, 2011. S. 242-248.

5. Makridin N.I., KorolevE.V., MaksimovаI.N. Method akus-ticheskoj emissii v stroitelnom materialovedenii // Stroitelnye materialy. 2007. №3. S. 25-27.

The Analysis of the Resistance to Cracks of Granite and Limestone from the Position of the Mechanics of Destruction.

By N.I.Makridin, I.N.Maksimova, Yu.A.Sokolova, I.A.Surov

The experimental estimation of the mechanical and acoustic parameters of resistance to cracks of rock materials, which lie at the basis of their selection for concretes, is carried out from the position of the structural mechanics of destruction.

Ключевые слова: структурная механика разрушения, акустическая эмиссия, механические и акустические параметры разрушения, выбор заполнителей.

Key words: structural mechanics of destruction, acoustic emission, mechanical and acoustic parameters of destruction, selection of the fillers.