УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR DETERMINING PHYSICAL AND 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 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 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. Так же в процессе проведения измерений отсутствует информация о структурных преобразованиях в образце в процессе изменения его напряженно-деформированного состояния, что не позволяет установить взаимосвязь изучаемых свойств со структурными изменениями испытуемого материала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для определения физико-механических характеристик строительных материалов. (Пат. 129655 , МПК7 G01N 3/00, G01N 21/00 Пристрiй для визначення фiзико-механiчних характеристик будiвельних матерiалiв / Кесарiський О.Г., Кондращенко О.В., Кiктьова К.О., Кондращенко B.I., Ван Чжуан; заявник та власник Харькiвський нацiональний унiверситет мiського господарства iм. Бекетова. - № u 2018 04045; заявл. 13.04.2018; опубл. 12.11.2018, Бюл. №21).
Устройство содержит рамку, выполненную в виде жесткого короба с окнами для оптического доступа к контролируемым поверхностям образца, датчики линейных перемещений установленные на струбцинах и жестко связанные со стенками рамки, зеркала обзора боковых поверхностей образца и струбцины для крепления фотопластин, так же жестко связанные с рамкой. Устройство обеспечивает регистрацию продольных и поперечных деформаций образца одновременно с синхронной регистрацией полей перемещений четырех боковых граней образца по всей их поверхности, позволяющее фиксировать структурные изменения в материале в процессе его нагружения.
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.
Недостатками указанного устройства являются то, что в процессе испытаний регистрируется только одна компонента вектора перемещений, направленная по нормали к соответствующей грани образца. Для анализа физико-механических характеристик сложноструктурированных систем такое ограничение информации негативно сказывается на оценке их технических параметров. Кроме того, при испытании образцов с высоким модулем упругости деформации опорной базовой поверхности передаются жесткому коробу, что может приводить к нежелательному смещению регистрирующего материала (фотопластинки) по отношению к исследуемой поверхности. Возникающие при этом паразитные деформации существенно искажают регистрируемое поле перемещений, что негативно сказывается на достоверности измерений.
«Раскрытие изобретения»
Технический результат изобретения состоит в том, что предлагаемое устройство обеспечивает одновременную регистрацию полей пространственных векторов перемещений всех четырех боковых граней образца. Это позволяет определить как изменения геометрических параметров образца, например, объема, так и выявить деформационные аномалии, характеризующие взаимодействие элементов сложноструктурированной системы - материала образца. Кроме того, конструкция устройства существенно снижает влияние паразитных деформаций на процесс регистрации пространственных полей перемещений.
Технический результат достигается тем, что рамка выполнена в виде короба охватывающего образец и жестко прикреплена к части базового основания, отделенного канавкой-компенсатором от опорной площадки, окна оптического доступа размещены со стороны каждой грани образца и снабжены ложементами для крепления фотопластин на расстоянии от исследуемой поверхности, обеспечивающем регистрацию спекл-структуры, а датчики линейного перемещения установлены по диагоналям поперечного сечения рамки в плоскости, перпендикулярной ее продольной оси.
Выполнение рамки в виде короба охватывающего образец, позволяет минимизировать габаритные размеры рамки, что повышает ее жесткость и обеспечивает высокую взаимную стабильность положения всех элементов измерительного устройства - как датчиков для регистрации линейных перемещений, так и фотопластин для регистрации полей перемещений лазерно-интерференционными методами. Такое конструктивное исполнение рамки существенно повышает точность измерения.
Жесткое крепление рамки к базовому основанию позволяет устранить смещение измерительных элементов устройства (датчиков и фотопластин) относительно объекта исследования, что минимизирует погрешности измерения.
Отделение части базового основания канавкой-компенсатором, выполненной, например, в виде замкнутого контура по периметру опорной площадки образца, позволяет минимизировать деформацию базового основания при нагружении объекта исследования. Влияние тестовой нагрузки на деформацию и стабильность положения рамки минимизируется, что повышает достоверность и точность измерений.
В машиностроении для снижения влияния нежелательных деформаций компенсационные элементы в виде проточек применяются достаточно часто, но в устройствах для определения физико-механических характеристик строительных материалов их использование в составе модулей 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.
Маркировка окон оптического доступа позволяет обеспечить однозначную интерпретацию положения регистрирующего материала (фотопластинки) в процессе выполнения эксперимента. Это предотвращает появление ошибок при анализе результатов измерений, поскольку, например, изображения разных граней образца могут быть очень похожими, а ошибочная замена одной интерферограммы на другую приводит к существенному искажению результатов трактовки данных вплоть до полной потери информации, полученной в дорогостоящем эксперименте. В качестве маркеров могут быть использованы как отражающие элементы (штифты, сверления и др.), размещенные в зоне ложемента, так и теневые маски, например, в зоне прижимов. Важно только, чтобы маркеры не затеняли область контроля на образце.
Размещение окон оптического доступа со стороны каждой боковой грани образца позволяет создать идентичные условия регистрации полей перемещений для каждой из них, что существенно снижает требования к когерентности излучения при записи оптической информации и устраняет появление параллаксных погрешностей, например, при фотографировании полученных интерферограмм.
Наличие ложементов для крепления фотопластин на расстоянии от исследуемой поверхности, обеспечивающем регистрацию спекл-структуры, позволяет получить поля пространственных векторов, используя комплексную методику, совмещающую голографическую и спекл-интерферометрию. Как известно, при регистрации голографических интерферограмм двойной экспозиции по схеме Ю.Н. Денисюка, голографическое изображение содержит спекл-структуру, позволяющую определить компоненты вектора перемещений в плоскости исследуемой поверхности. (Капустин А.А. и др. Количественная оценка голографических интерферограмм. В кн.: Материалы IX Всесоюзной школы по голографии. - Л.: ЛИЯФ АН СССР, 1977, с. 267-286). При размещении фотопластинки в непосредственной близости от исследуемой поверхности в процессе записи спекл-структура может быть легко расшифрована, например, путем сканирования голографической интерферограммы неразведенным лазерным лучом. В тоже время, ориентируя световой поток коллимированного лазерного излучения так, чтобы он падал по нормали к граням исследуемого образца, можно получить интерферограмму, содержащую информацию о компонентах векторов перемещения в направлении нормали. Совмещение полей, полученных методами голографической интерферометрии и спекл-интерферометрии, позволяет восстановить поле пространственных векторов перемещений, наиболее полно описывающее особенности взаимодействия элементов материала образца, представляющего сложноструктурированную систему.
Установка датчиков линейного перемещения по диагоналям поперечного сечения рамки в плоскости, перпендикулярной ее продольной оси, позволяет регистрировать оптическую информацию без затенения исследуемых поверхностей. Кроме того, интерполяция перемещений, измеренных датчиками, позволяет привести поле относительных перемещений, полученных методом голографической интерферометрии, к абсолютным значениям. При этом нет необходимости в определения нулевой полосы на интерферограмме.
«Краткое описание чертежей»
Для пояснения работы устройства, на Фигуре 1, для примера, показана его схема, а на Фигуре.2 - вид с разрезом по сечению А-А.
«Осуществление изобретения»
Основу устройства, как показано на Фиг. 1 и Фиг. 2, составляет базовое основание 1, на котором неподвижно зафиксирована рамка 2, выполненная в виде короба с окнами для оптического доступа к образцу. На базовом основании закреплена опорная площадка 3, отделенная от части базового основания 1 канавкой-компенсатором 4. Окна оптического доступа 5, снабженные маркерами 6, размещены в рамке 2 со стороны каждой боковой грани образца 7. Датчики линейного перемещения 8, 9, 10 и 11 установлены на рамке 2 по диагоналям ее поперечного сечения. Ложементы 12 выполнены на рамке возле каждого окна 5 и снабжены фиксаторами 13 для крепления фотопластин 14, 15, 16 и 17. Для передачи когерентного лазерного излучения к фотопластинкам 15 и 17, установленным со стороны боковых граней образца, используются зеркала 18 и 19, закрепленные на кронштейнах 20 и 21, соответственно. Сжимающие усилия на образец передается через плиту 22.
Перед началом испытаний закрепляют базовое основание 1 на нижней плите испытательного пресса. Образец 7 размещают на опорной площадке 3 и ориентируют так, чтобы его грани были параллельны стенкам рамки 2. Вводят в контакт с верхней гранью образца 7 верхнюю нагружающую плиту 22, передающую усилие от испытательного пресса. Производят трехкратную опрессовку образца усилием, не превышающим 1,5-2,0% от предполагаемого усилия разрушения. Окончательно позиционируют образец 7 и нагружают минимальным усилием, но достаточным для предотвращения случайного смещения образца 7 при настройке датчиков линейного перемещения 8, 9, 10 и 11. Устанавливают указанные датчики линейного перемещения так, чтобы их подвижные элементы находились в средине рабочего хода. Используя лазер с достаточной мощностью, временной и пространственной когерентностью, формируют коллимированные световые потоки, проходящие через окна оптического доступа в рамке 2. Световые потоки юстируют так, чтобы лучи, освещающие поверхности исследуемого образца 7 непосредственно и через зеркала 18 и 19, 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 линейного 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 устанавливают в ложементы прозрачные фотопластинки 14, 15, 16 и 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 14-17 извлекают из ложементов и отправляют на химическую обработку, а на их место 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 компонент перемещений каждой из боковых граней образца, используя известные методики. При этом, для упрощения определения абсолютных значений полей перемещений, используют данные, полученные с помощью датчиков линейного перемещения, регистрирующих значения перемещений боковых ребер образца. Поскольку зоны контакта чувствительных элементов датчиков известны, то объединение данных датчика и интерферограммы не представляет труда.
Поля перемещений в плоскости граней образца получают путем расшифровки данных, зарегистрированных на голографических интерферограммах в виде спекл-структуры, например, методом поточечного сканирования фотопластинки неразведенным лазерным лучом.
По полям перемещений в плоскости граней образца и полям перемещений в направлении нормали к исследуемой поверхности восстанавливают поля полных векторов перемещений по всем боковым граням образца. При этом взаимное соответствие интерферограмм и спекл-структур контролируют по маркерам 6, зарегистрированным голографическим путем на каждой из фотопластин 14-17.
По результатам измерений определяют изменение геометрических параметров образца в процессе его нагружения. Используя эти данные, определяют коэффициенты Пуассона и поперечных деформаций, параметрические точки микротрещинообразования, изменение объема образца и другие его физико-механические характеристики.
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 образца определяют по серии полей перемещений, полученных в процессе испытаний для каждой грани образца. При этом для повышения достоверности трактовки результатов, моменты регистрации интерферограмм и спекл-структур сопоставляют с графиком «усилие - осевое перемещение". На интерферограммах и полях перемещений 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 и другие характеристики, которые могут быть использованы для оценки работоспособности материала и/или модификации его структурного, либо химического состава.
Практическая реализация устройства не вызывает сложностей, поскольку на современном уровне развития техники могут быть изготовлены все элементы устройства.
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 дифференцировано по каждой грани, изменения его объема, визуализация процесса деструкции образца в процессе испытаний, позволяют применить устройство не только для строительных материалов, но и для конструкционных материалов, преимущественно композиционных.