НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА
ЛОТОЦЬКИЙ Юрій Львович
УДК 539.3:620.179.17
АКУСТИКО-ЕМІСІЙНА ОЦІНКА РАННІХ СТАДІЙ
РОЗВИТКУ ТРІЩИН У БЕТОНІ ТА ЗАЛІЗОБЕТОНІ
05.02.10 – ДІАГНОСТИКА МАТЕРІАЛІВ ТА КОНСТРУКЦІЙ
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Львів – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України
Науковий керівник: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник СКАЛЬСЬКИЙ Валентин Романович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, завідувач відділу акустико-емісійного діагностування елементів конструкцій
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
ЛАНТУХ-ЛЯЩЕНКО Альберт Іванович, Національний транспортний університет МОН України, м. Київ, професор кафедри мостів і тунелів
доктор фізико-математичних наук, професор
ЧЕКУРІН Василь Феодосійович, Інститут прикладних проблем механіки та математики ім. Я.С. Підстригача НАН України, м. Львів, завідувач відділу математичних проблем механіки неоднорідних тіл
Захист відбудеться "06" травня 2008 року о 15 00 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 35.226.01 у Фізико-механічному інституті
ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту
ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.
Автореферат розісланий "04" квітня 2008 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор |
Б.П. Русин
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Постійний приріст різного роду навантажень, різка зміна температури, опади, волога та вплив інших фізичних факторів призводять до деградації бетонних та залізобетонних елементів будівельних конст-рукцій тривалого експлуатування. Це спричинює зменшення їх несучої здатності, перерозподілу напружень, як у локальних областях, так і в усьому об’ємі, скорочення проектного ресурсу. Внаслідок дії наведених вище чинників, відбувається розвиток існуючих та зародження нових тріщиноподібних дефектів, що слід ураховувати з огляду міц-ності конструкцій. Тому, актуальною є потреба виявлення таких пошкоджень саме на ранніх стадіях зародження та розвитку руйнування. Особливо гостро ця проблема стосується мостів на автомобільних дорогах України, оскільки їх кількість у аварійному стані або таких, що не відповідають вимогам безпечної експлуа-тації, невпинно зростає: у 1996 р. становила 220 одиниць, а у 2006 р. – понад 360 одиниць. Подібна ситуація спостерігається і в інших галузях будівництва (цивільне, промислове, гідротехнічне тощо). Призупинити такі небезпечні тенденції та відвернути катастрофічне руйнування вказаних конструкцій, що, зазвичай, супроводжується людськими жертвами і великими матеріальними збитками, можливо за систематичного діагностування та моніторингу їх методами неруйнівного контролю. З цією метою найчастіше застосовують такі: проникаючих середовищ, оптичні, магнітні, радіаційні, акустичні тощо. З поміж останніх, вигідно вирізняється метод акустичної емісії (АЕ), який завдяки своїм перевагам дає можливість оцінювати динаміку розвитку дефектів та стадії руйнування матеріалів під час експлуатації об’єктів, вирізняється високою чутливістю та дозволяє проводити контроль у
реальному масштабі часу без створення штучних фізичних полів, незалежно від форми та розміру об’єкту контролю, забезпечує дистанційність відбору АЕ-інфор-мації тощо. Для ефективного застосування явища АЕ для технічної діагностики і моніторингу стану відповідальних будівельних конструкцій тривалої експлуатації необхідно встановити кількісні параметри сигналів АЕ, що супроводжують зародження та розвиток ранніх стадій руйнування бетону та залізобетону, з яких виготовляють їх несучі елементи.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконувались у рамках держбюджетної наукової теми за відомчим замовленням НАН України: 2005-2007 рр. – "Створення методів і засобів АЕ-оцінки розвитку об’ємної пошкодженості конст-рукційних матеріалів під дією навантаження та наводнення", № держреєстрації (ДР) 0105U004305, дисертант – виконавець; цільової комплексної програми НАН України "Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин" ("Ресурс"): 2004-2006 рр. – "Розробка методик і засобів виявлення зародження та розвитку тріщин у великогабаритних об’єктах під впливом навантаження та робочого середовища", № ДР 0104U004570, дисертант – відповідальний виконавець; 2007-2009 рр. – "Створення методологічних засад акустико-емісійного діагностування стану елементів мостових конструкцій" № ДР 0107U005210, дисертант – відповідальний виконавець.
Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розв’язання науково-технічної задачі, а саме, встановити кількісні показники сигналів АЕ, що супроводжують руйнування у бетоні та залізобетоні під час ранніх стадій його зародження та розвитку і на цій підставі розробити методичні засади діагностування елементів великогабаритних конструкцій тривалого експлуатування.
Для досягнення поставленої у роботі мети необхідно розв’язати такі задачі:
· створити модель акустико-емісійної кількісної оцінки ранніх стадій руйнування бетону та залізобетону;
· оцінити кількісні параметри сигналів АЕ під час відшарування та руйнування крупного заповнювача у цементній матриці бетону та визначити об’ємну пошкодженість бетону на різних стадіях його деформування;
· оцінити рівень амплітуд сигналів АЕ під час: відшарування арматури від бетону, зародження та розвитку мікротріщин в арматурі та її зварних з’єднаннях, а також під час початку розвитку наявних тріщин у залізобетонній балці під квазістатичним навантаженням її за схемою триточкового згину та визначити показник тріщиностійкості KІС для тріщин нормального відриву у бетоні, що спричинюють ці сигнали;
· встановити значення коефіцієнта заникання пружних хвиль АЕ у бетоні та залізобетоні з наявними пошкодженнями та без них;
· створити алгоритм оптимізації встановлення первинних п’єзоперетво-рювачів АЕ (ПАЕ) на великогабаритних об’єктах контролю з бетону і залізобетону та запропонувати рекомендації щодо ефективного проведення АЕ-діагностування великогабаритних елементів конструкцій.
Об’єкт дослідження. Поля пружних хвиль, що виникають під час зародження та розвитку руйнування у твердому тілі.
Предмет дослідження. Зародження та розвиток руйнування на мезо- та макрорівнях у бетоні та залізобетоні під впливом квазістатичного механічного навантаження за параметрами сигналів АЕ.
Методи дослідження. Для досягнення сформульованої у роботі мети застосовували математичне моделювання, числові методи розрахунку деформацій і нап-ружень, підходи лінійної механіки руйнування, фрактографічний аналіз, ультразвуковий та розвинутий автором акустико-емісійний методи неруйнівного контролю, механічні випробування, статистичні методи обробки результатів досліджень.
Наукова новизна одержаних результатів. Створено описову модель акустико-емісійного виявлення зародження і розвитку ранніх стадій руйнування бетону і залізобетону під впливом різних фізико-хімічних чинників та показано можливість їх оцінювання за параметрами сигналів АЕ. Це дало можливість вперше побудувати логічно завершену схему закономірностей і послідовності впливу вище названих чинників на виникнення тріщиноподібних дефектів у бетоні та залізобетоні, розкрити механізми їх подальшого розвитку, особливо під дією механічних факторів і показати, що ці процеси пов’язані з генеруванням пружних хвиль АЕ.
На підставі математичного моделювання розподілу напружень на жорсткому включені, яке розташоване у пружній цементній матриці, вперше показано, що внаслідок різної їх жорсткості під дією зовнішнього навантаження відбувається зародження тріщин шляхом відшарування цементного каменю по поверхні включення. Як показала проведена автором експериментальна перевірка отриманих результатів, інтенсивність утворення та еквівалентна площа таких дефектів залежать від орієнтації включення у цементній матриці та його форми. Це дало змогу виявити природу початку руйнування бетонних та залізобетонних композитних структур елементів будівельних конструкцій під час їх АЕ-діагностування.
Експериментально отримано кількісні параметри сигналів АЕ під час початкових стадій руйнування цементного каменю, відшарування гравійного чи щебене-вого заповнювачів, а також арматури від бетонної матриці для найпоширеніших типів бетону і залізобетону за розробленими методиками. Окрім того, визначено значення коефіцієнтів заникання пружних хвиль АЕ під час їх поширення у різних типах бетону і залізобетону. Це дало змогу створити якісно нову методику АЕ-діагностування стану будівельних елементів конструкцій.
Запропоновано теоретико-експериментальний метод, що дає змогу оцінити кількісні параметри сигналів АЕ під час моменту старту і субкритичного розвитку макротріщини у бетоні та залізобетоні на ранній стадії розвитку руйнування, що важливо для розвитку основ сучасної методології АЕ-діагностування.
Запропоновано нові науково обґрунтовані алгоритм оптимізації встановлення ПАЕ на об’єкті контролю, а також рекомендації щодо АЕ-діагностування великогабаритних елементів конструкцій з бетону та залізобетону, які вигідно відрізняються від відомих емпіричних підходів.
Практичне значення одержаних результатів. Проведені дослідження можуть бути застосовані для розвитку загальної теорії тріщиностійкості бетону і залізобетону. Теоретичні результати роботи використано для узагальнення аналітичної залежності з визначення амплітуди пружної хвилі АЕ у точці спостереження, яка виникає під час утворення чи розвитку ізольованої тріщини нормального відриву заданих розмірів, а також для оцінювання коефіцієнта інтенсивності напружень, що відповідає моменту старту напівеліптичної чи напівдискової тріщин, які знаходяться в зоні найбільших розтягальних напружень.
Результати досліджень використані на практиці: разом з ДерждорНДІ ім. Шуль-гіна, м. Київ проведено натурні випробування з АЕ-діагностуванням стану шляхопроводу у с. Вістова Івано-Франківської обл., мостів через р. Дністер біля с. Звенячин та с. Атаки Чернівецької обл.; впроваджено АЕ-методику діагностування стану залізобетонних елементів будівельних споруд на ТзОВ "НВП "Тріада" м. Львів, RGB-тротуарної плитки на ТзОВ "Технолюкс" м. Львів, а також під час АЕ-діагностування шляхопроводу на автомобільній дорозі Львів-Краковець, Західний обхід м. Львова.
Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на: ІІІ-й Міжнародній конференції "Механіка руйнування матеріа-лів і міцність конструкцій" (Львів, 2004); Всеукраїнській науковій конференції "Сучасні проблеми механіки" (Львів, 2004, 2005); 7-му та 8-му Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2005, 2007); ХІХ-й відкритій науково-технічній конференції молодих вчених, науковців і спеціалістів ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України "КМН-2005" (Львів, 2005); Міжнародній науково-технічній конференції "Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій" (Київ, 2005); І-й Міжнародній конференції "Деформация и разрушение материалов" DFM 2006 (Москва, 2006); ІХ-й та ХІІ-й Міжнародних науково-технічних конференціях ЛЕОТЕСТ-2004, 2007 "Електромагнітні методи неруйнівного контролю матеріалів та виробів" (Славсько, 2004, 2007); Міжнародній науково-техніч-ній конференції "Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення" (Київ, 2007).
У повному обсязі робота доповідалась на наукових семінарах: відділу конст-рукційної міцності матеріалів у робочих середовищах Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (керівник семінару – д.т.н. Іваницький Я.Л.), відділу акустико-емісійного діагностування елементів конструкцій (керівник семінару – чл.-кор. НАН України, д.т.н., проф. Андрейків О.Є.), "Фізичні поля в неоднорідних середовищах та неруйнівний контроль матеріалів" (керівник семінару – академік НАН України, д.ф.-м.н., проф. Назарчук З.Т.).
Публікації та особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, які відображені у дисертації, опубліковані у 16-ти працях [1-16]. Серед них: 9 праць, які опубліковані у наукових фахових виданнях; 7 – у збірниках праць та тезах конференцій.
Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. У працях [1, 2, 4-6, 8-10, 13, 14] дисертантом підготовлено зразки та пристрої для здійснення досліджень, проведено випробування, оброблено та проаналізовано отримані результати; у [3, 7, 12] – здійснено постановку задачі про розподіл нап-ружень в ізотропній призмі з еліптичним включенням та проведено розрахунок розподілу напружень в еліпсоїдальному включенні та бетонній матриці методом скінчених елементів.
Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, які містять 65 рисунків і 10 таблиць, висновків, додатку на 11 сторінках, а також списку літератури, що має 213 найменувань. Обсяг основного тексту дисертації займає 148 сторінок, а повний обсяг роботи – 181 сторінка.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано доцільність проведення досліджень та актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі, відзначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі зроблено огляд літературних джерел щодо діагностування технічного стану існуючих елементів конструкцій та споруд з бетону і залізобетону, описано методи неруйнівного контролю, які використовують для їх технічного діагностування, а також відображено основні методологічні підходи технічної діагностики і неруйнівного контролю матеріалів, виробів та елементів конструкцій з бетону та залізобетону методом АЕ.
Зазначено, що суттєвий внесок у дослідження руйнування бетону і залізобетону цим методом внесли вчені: Д. Велс, Г. Робінсон, А. Грін, М. Арінгтон, Б. Еванс, А. Друет, Е. Томашевський, М. Реймонд, Н. Лі, Г. Почтовик, Н. Темник, Н. Смоленська, Г. Муравін, О. Андрейків, В. Скальський, М. Лисак, А. Недосєка, В. Стри-жало, В. Троїцький, О. Тріпалін, В. Іванов, С. Фомічов, С. Філоненко, Г. Сулим, Б. Демчина, Й. Лучко, П. Коваль, А. Сагайдак, Л. Голаскі, К. Оно, М. Отсу, К. Хол-форд, Б. Шечінгер, Т. Фогель, М. Шігейші, Т. Сузукі, Ф. Фінк, К. Гроссе, С. Коп-пель, Х.-В. Рейнхард, Б.-Х. Кроплін та ін. Вони використовували, здебільшого, якісний аналіз і наближену оцінку сигналів АЕ, застосовували різні методичні підходи щодо отримання АЕ-інформації, що призводило до різного інтерпретування отриманих результатів.
У другому розділі приведено описову фізичну модель зародження і розвитку ранніх стадій руйнування бетону і залізобетону під впливом різних фізико-хіміч-них чинників і навантаження, а також можливість їх оцінювання за параметрами сигналів АЕ. Модель містить такі основні положення:
1. До факторів, що спричинюють зародження та розвиток ранніх стадій руйнування бетону і залізобетону відносяться:
· навантаження (постійні, тимчасові, тривалі, короткотривалі, особливі тощо);
· корозія бетону та залізобетону (вилуговування бетону, дія газового та рідкого агресивного середовища на бетон, взаємодія кислот з Са(ОН)2, кристалізація бетону, хімічна та електрохімічна корозія арматури);
· кліматичні фактори (різка зміна температури, опади та вологість);
· різні фізичні поля (теплові, радіаційні тощо).
2. Головним чинником руйнування є досягнення критичних значень навантажень чи деформацій в локальних зонах матеріалу, які призводять до руйнування окремих компонент структури бетону і залізобетону: цементного каменя, заповнювачів, відшарування їх від цементної матриці, відшарування арматури, руйнування зварних з’єднань арматури тощо.
3. Ранні стадії руйнування супроводжуються виникненням та подальшим розвитком мікротріщин, які під дією навантаженням і різних фізико-хімічних чинників, зливаючись, переходять у макротріщини, а відтак розпочинається субкри-тичний розвиток останніх. Ріст мікро- та макротріщин є основними джерелами пружних хвиль АЕ.
4. Під час поширення у бетоні та залізобетоні пружних хвиль АЕ відбувається суттєва зміна їх параметрів внаслідок розсіювання, дифракції і рефракції у структурі матеріалу.
Описано, як кожен із факторів впливає на розвиток ранніх стадій руйнування бетону та залізобетону: навантаження, корозійні процеси, кліматичні фактори та інші фізичні поля, а також особливості розвитку тріщин у бетоні та залізобетоні.
Розглянуто використання інформативних параметрів АЕ (амплітуда сигналу АЕ, швидкість рахунку та сумарний рахунок імпульсів, хвильові та спектральні характеристики тощо) під час дослідження руйнування бетону і залізобетону. На основі аналізу літературних джерел описано властивості параметрів АЕ та їх взаємозв’язок між різними механізмами зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів у таких матеріалах.
У цьому ж розділі відзначено недостатню вивченість проблеми діагностування саме ранніх стадій зародження та розвитку руйнування бетону і залізобетону методом АЕ.
У третьому розділі представлено результати перевірки основних положень моделі.
Виходячи із того, що найбільша концентрація напружень в бетоні виникає поблизу гострокінцевих виступів його компонент структури, особливо крупного заповнювача (щебінь), досліджено зародження мікро- та макротріщин біля таких концентраторів напружень в бетоні В-35. Оскільки бетон є багатокомпонентною структурою, то для спрощення розрахунків вибрали модель, де наявне лише одиничне включення у формі тіла обертання (еліпсоїд), що розташоване у призмі, яка виготовлена з ізотропного матеріалу та піддається навантаженню за схемою триточкового згину (рис. 1). Розрахунок проводили методом скінчених елементів для різного значення навантаження Р, як для призми з включенням, так і без нього і результати розрахунку показали, що найневигіднішою є орієнтація включення у діапазоні кутів 0?...45? до осі дії сили.
а | б
в
Рис. . Схема навантаження балки з пружним включенням (а), розподіл
напружень на включенні (б) та у балці з включенням (в), що розташоване
під кутом = 0? до напрямку дії сили за навантаження Р = 16 кН.
На підтвердження отриманих розрахунків експериментально досліджували
бал-ки з цементно-піщаної суміші (ЦПС) за схемою триточкового згину (цемент марки М500, співвідношення компонентів за об’ємними долями цемент (Ц) : пісок (П) = 1:3, водоцементне співвідношення В/Ц = 0,4). У центрі балки розміщували штучно виготовлене еліпсоїдальне включення зі щебеню без гострокінцевих вис-тупів, а в іншому варіанті досліджень – реальний щебінь фракції 30. Використовували зразки із трьома варіантами орієнтації найбільшої осі еліпсоїда до осі прикладання сили: 0?, 45? та 90?. Як показали результати експериментальних досліджень, характер наростання суми амплітуд акустичної емісії під час навантаження балки є подібним для усіх типів зразків, але найбільші амплітуди сигналів АЕ генеруються у балці, де еліпсоїдальне включення розміщали під кутами 0? та 45? до напрямку дії сили (рис. 2а). Для зразків з реальним щебеневим включенням значення амплітуд та кількість подій АЕ є дещо більшими (рис. 2б), а ніж у балці з гладким еліпсоїдальним включенням. Це свідчить про інтенсивніше тріщиноутворення у ній, що зумовлюється формою поверхні включення.
а | б
Рис. 2. Залежність суми амплітуд АЕ та їх середніх значень від напружень для балок з еліпсоїдальним включенням (а) і щебенем фракції 30 (б), розміщеними
під кутом = 0? до осі прикладання навантаження Р (у.о. – умовна одиниця, що дорівнює амплітуді сигналу АЕ 1 мВ на виході ПАЕ).
Для встановлення кількісних показників сигналів АЕ на різних стадіях руйнування навантажували стиском бетонні куби розмірами 100100100 мм трьох типів: з ЦПС, з бетонів на щебеневому та гравійному заповнювачах (З). Для виготовлення бетонів усіх типів зразків використовували портландцемент марки М500, дрібний заповнювач (пісок) – модуль крупності Мк = 1,784; крупний заповнювач – щебінь з фракціями (5...10) + 30% (2,5...5) та гравій фракцій (10...20) + 30% (20...40) + 20% (5...10). Склад сумішей у співвідношеннях Ц:П:З в об’ємних долях був наступним: бетонні куби з гравієм – Ц:П:З = 1:1:2 з В/Ц = 0,5 та бетонні куби зі щебенем – Ц:П:З = 1:1:1,8 з В/Ц=0,4. Склад ЦПС наведено вище (див. с. 6).
Як показали результати експериментальних досліджень, на першій стадії руй-нування зразка з ЦПС ( 0,2 Rв, де Rв – межа міцності на стиск) сигнали АЕ генеруються з амплітудами, що не перевищують 2 у.о. На ІІ-й стадії (0,2 0,75 Rв) амплітуди сигналів АЕ поступово збільшуються, зростає їх швидкість рахунку і це монотонно продовжується до завершення наступної ІІІ-ї стадії. Коли 0,96 Rв (IV-а стадія), то амплітуди та швидкість рахунку сигналів АЕ лавиноподібно зростають аж до моменту руйнування.
У бетонному зразку зі щебенем характер генерування сигналів АЕ подібний до аналогічного процесу під час руйнування кубів з ЦПС лише на перших двох стадіях, але з амплітудами та їх інтенсивністю більшими, ніж у зразку з ЦПС (рис. 3). Дещо інший розподіл сигналів прослідковується у бетонному зразку з гравієм. Тут їх амплітуди на всіх стадіях руйнування є значно вищими за амплітуди та швидкість рахунку сигналів АЕ від відповідних стадій руйнування зразків зі щебеневим заповнювачем. В окремі моменти часу, наприклад, за досягнення навантаження ,5 Rв, у них відбуваються періодично спалахи високих амплітуд та інтенсивності сигналів АЕ.
а |
б
в |
г
Рис. 3. Характерні акустограми на різних стадіях руйнування бетонних кубів з щебеневим заповнювачем: а – І-а стадія; б – ІІ-а стадія; в – ІІІ-я стадія; г – IV-а стадія .
Для кожного з трьох типів бетону характер і значення амплітуд сигналів АЕ та наростання їх акустико-емісійної міри об’ємної пошкодженості (1) відрізняються (табл. 1). Для зразка з ЦПС амплітуди є найнижчими, оскільки структура такого матеріалу є майже квазіоднорідною, а геометрично пісок є сферичної форми і не має гостро-кінцевих висту-пів. Тому утворення мікротріщин незначних площ і малої кіль-кості генерує значно менші сигнали АЕ. Інший характер руйнування демонструють бетонні куби, в яких щебінь слугує крупним заповнювачем. Поступове наростання навантаження у таких зразках супроводжується підвищенням амплітуд сигналів АЕ зі збільшенням їхньої інтенсивності, що свідчить про більшу кількість і розміри новоутворених площ дефектів, які, як показав аналіз доломів, утворюються по поверхні заповнювача.
Характер наростання об’ємної пошкодженості в бетоні із гравійним заповнювачем є також відмінним від попередніх зразків та відбувається значно активніше. Тут інколи спостерігаються сигнали з великими дискретними амплітудами. В кубах з гравійним заповнювачем руйнування, поряд з відшаруванням гравію від цементної матриці і зародженням мікротріщин (сигнали АЕ з малими амплітудами) як у матриці, так і у гравії, частіше супроводжується стрибкоподібним розтріскуванням власне гравію, починаючи з ІІ-ї стадії руйнування кубів. Ці результати були підтверджені також дослідженням доломів.
Для встановлення амплітудних характеристик сигналів АЕ під час тріщино-утворення в арматурі були виготовлені зразки з арматурних стрижнів Ш 16 мм класу А-ІІІ зі сталі 35 ГС. Аналіз результатів АЕ-досліджень показав, що найбільші значення амплітуд сигналів АЕ спостерігаються під час досягнення межі текучості матеріалу, а утворення мікротріщин генерує сигнали АЕ, які за амплітудами є біль-шими, ніж від утворення мікротріщин у бетоні. Цей факт можна пояснити різною структурою та міцністю матеріалів, різними процесами заникання пружних хвиль АЕ у них та різними механізмами зародження руйнування.
Таблиця 1.
Значення амплітуд сигналів АЕ та акустико-емісійної міри об’ємної
пошкодженості матеріалів на різних стадія розвитку руйнування.
Тип зразка | Стадія | Асер, у.о. | Аmax, у.о. | 1, у.о./см3
ЦПС | І | 0,5 | 2,0 | 176
ІІ | 0,65 | 2,5 | 384
ІІІ | 0,58 | 4,0 | 744
ІV | 2,1 | 20,5 | 3,9Ч103
Бетон зі щебенем | І | 0,65 | 3,5 | 53
ІІ | 0,7 | 4,5 | 1,3Ч103
ІІІ | 0,75 | 6,5 | 2,0Ч103
ІV | 2,6 | 21,0 | 8,7Ч103
Бетон із гравієм | І | 1,1 | 8,5 | 560
ІІ | 1,4 | 22,0 | 15,6Ч103
ІІІ | 2,4 | 22,5 | 28,8Ч103
ІV | 5,0 | 25,0 | 32,9Ч103
Рис. 4. Схема виконання
кутового шва.
Для індентифікування амплітуд сигналів АЕ у зварному з’єднані, які виникають від зародження і розвитку тріщиноподібних дефектів, проводили дос-лідження на розтяг арматурних стрижнів Ш 12 мм класу А-ІІІ зі сталі 35 ГС. До торців арматурних стрижнів приварювали наконечники так, щоб у їх зварному з’єднанні утворювались мікро- та макротріщини. Зразки наконечниками вставляли в захопи випробувальної машини УМЭ-10ТМ (рис. 4). Як показали результати випробувань, на пер-шій ділянці навантаження, яка відповідає діапазону напружень зрізу 0 350 МПа, спостерігаються сигнали АЕ з поступовим наростанням диск-ретних значень амплітуд до 10 у.о. Збільшення суми амплітуд та суми імпульсів зі збільшення величини навантаження є монотонним і незначним. Саме на цій ділянці гіпотетич-но відбувається зародження мік-ротріщин. На другій ділянці 350 383 МПа спос-терігається підвищення максимальних значень амп-літуд до 15 у.о, а швид-кість наростання суми амплітуд та суми імпульсів залишається незмінною. На ділянці напружень
383 450 МПа під час розкривання берегів макротріщин значення амплітуд знижуються до 12 у.о., а на заключній стадії руйнування – різке збільшення їх до 22 у.о.
Таким чином, з урахуванням реальнодіючих напружень в арматурі, що входить до складу залізобетонної балки, можна стверджувати, що її зварні з’єднання за наявності у них мікро- та макротріщин генерують сигнали, які не перевищують рівня 10 у.о. у межах реальних макcимальних пружних деформацій.
Для АЕ-дослідження процесів відшарування арматури від бетонної матриці були виготовлені куби розмірами 100100100 мм3 двох типів із заанкереною арматурою: з ЦПС та з бетону на щебеневому заповнювачі. Використали арматуру Ш12 мм А-ІІІ та отримали зусилля вириву стрижня з бетону Р = 46 кН, а з ЦПС – Р = 19,4 кН.
Зародження та розвиток руйнування за кількісними ознаками амплітуд сигналів АЕ під час витягування арматури з бетонного куба можна умовно поділити на 4 ді-лян-ки. На першій ділянці (напруження вириву * = 0...240 МПа) спостерігаються сигнали АЕ з малими амплітудами А та низькою швидкістю рахунку (Асер ,0 у.о., сер ,8 імп/с). Періодично на цій ділянці відбуваються спалахи амплітуд до мак-симальних значень 6 у.о. На ІІ-й ділянці (* = 240…300 МПа) збільшуються амплітуди та швидкість рахунку сигналів АЕ. Тут середні значення амплітуд становлять 5…6 у.о., максимальна амплітуда – 8 у.о. (рис. 5а), а середнє значення швидкості рахунку 38,2 імп/с. У діапазоні напружень 300…440 МПа (ІІІ-я ділянка) відбувається суттєве підвищення значень амплітуд сигналів АЕ та збільшення швидкості рахунку їх генерування. У цьому діапазоні напружень середнє значення амплітуд становить 8 у.о. із середньою швидкістю рахунку 109,5 імп/с. На IV-й ділянці (* > 440 МПа) різко збільшується швидкість рахунку сигналів АЕ (сер 2519,5 імп/с), а значення амплітуд підвищуються лавиноподібно у 6 разів. У зразку з ЦПС сигнали АЕ прослідковуються на усіх ділянках з меншими амплітудами (рис. 5б).
а |
б
Рис. 5. Характерні акустограми на різних стадіях навантаження зразків:
з бетону (а) та з ЦПС (б); R1 – напруження вириву арматури зі зразка.
Характер зміни сигналів АЕ на різних ділянках навантаження можна пояснити так. У зразку з ЦПС руйнування проходить, найімовірніше, у площині зрізу арматурою цементно-піщаної матриці, яку можна вважати майже однорідною, а у бетонному зразку – в околі щеплення арматури з бетоном, що підтверджено за допомогою методу локації джерел АЕ (Гроссе, Фінк, Коппель, "Schall-emission-sanaly-se zur Untersuchung von Stahlbetontragwerken", 2002 р.). Поступове наростання зусилля вириву у бетонних зразках супроводжується підвищенням амплітуд сигналів АЕ і наростанням їхньої швидкості рахунку, що свідчить, очевидно, про більшу кількість новоутворених площ дефектів. Отже, ураховуючи реальні деформації та напруження у місцях зчеплення арматури з бетоном, можна констатувати, що на ранніх стадіях відшарування арматури від бетонної матриці сигнали АЕ генеруються з амплітудами, що не перевищують 8 у.о.
У четвертому розділі проведено модельні випробування залізобетонних балок розмірами 70100900 мм3, виготовлених із бетону на щебеневому заповнювачі, склад якого наведено вище (див. с. 7). Їх навантажували квазістатично за схемою триточкового згину.
Під час руйнування залізобетонних балок спостерігаються 4 характерні ділянки зміни кривої "прогин f – сума амплітуд сигналів АЕ Ai" (рис. 6а). Так, на 1-й ді-лянці (Р = 0...3,8 кН, f = 0...1,4 мм) спостерігаються сигнали АЕ з амплітудами 0,5...2,0 у.о., на 2-й, за навантаження 3,8 кН – 4...5 у.о. (рис. 6б). Візуально перші тріщини на боковій поверхні балки вдалося виявити за навантаження Р = 13 кН (рис. 6в).
а
б
в
Рис. 6. Залежність суми амплітуд Ai сигналів АЕ, зусилля навантаження Р від прогину f балки (а); характерні амплітуди А сигналів АЕ у діапазоні навантаження 3,6...4,1 кН (б) та вид і розташування макротріщин у балці за час навантаження (в).
Беручи до уваги результати, отримані в попередньому розділі, поява на акустограмі сигналів з амплітудами 4,5 у.о. свідчить про початок розвитку руйнування, а саме про зародження і розвиток макротріщин. Перевірку цієї гіпотези здійснили так.
Припускаємо, що зародження і розвиток тріщиноутворення у залізобетоні розпочинається саме у бетоні у місцях найбільших розтягувальних напружень, тобто у зоні дії максимального згинального моменту. Для визначення коефіцієнта інтенсивності напружень KI, характерних для бетону класу В-35 наявних макротріщин використали дані з літературних джерел (Гузєєв, "Разрушение бетона и его долговечность", 1997 р.). Найбільші розміри у такому бетоні мають еліптичні тріщини з великою та малою осями 5 та 2 мм, відповідно, а наведене автором у монографії критичне значення коефіцієнта інтенсивності напружень для найпоширеніших тріщин такого бетону KIС = 0,68 .
Припускаємо, що існує поверхнева півеліптична або півдискова макротріщина в нижній частині балки, а її площина орієнтована по нормалі до нижньої поверхні балки, в зоні найбільших розтягувальних напружень (рис. 7).
Рис. 7. Схеми розташування поверхневої напівеліптичної тріщини.
Для визначення KI використаємо методику розрахунку Панасюка-Андрейківа ("Механика разрушения и прочность материалов: Справ. пособие", 1988 р.). Цей по-казник напруженого стану у вершині тріщини знаходять за допомогою методу граничної інтерполяції за залежністю:
, (1)
де Е(k) – повний еліптичний інтеграл 2-го роду; а, b – геометричні розміри тріщини; ;; ; , тут M1=1+0,12(1+Л2)-1); k2=1–Л2; . Напруження , що виникають в перерізі балки, визначали як , де у = h/2; h = 100 мм – висота модельної балки; – момент інерції; х2L = 70 мм – ширина балки; – згинальний момент у середині прогону балки; l0 = 800 мм – відстань між опорами; Р = РАЕ – визначаємо з акустограми, яку записуємо синхронно із початком навантаження (рис. 6б).
Як показали експерименти, під час досягнення навантаження РАЕ = 3,8 кН у бетоні В-35 починається субкритичний розвиток півеліптичної (або півдискової) тріщини з розмірами, які наведено у таблиці 2.
Таблиця 2.
Значення KI для півеліптичних та півдискових тріщин
у залежності від їх розмірів.
Вид тріщини | Геометричні розміри, мм
а | b | Експеримент | Літературні дані
Півеліпс | 1 | 2 | 0,364 | 0,608
3 | 5 | 0,609
Півдиск | 1 | 1 | 0,309
4 | 4 | 0,617
Для підтвердження початку росту тріщини та визначення при цьому її харак-терних модельних розмірів нами додатково проведено експериментальну оцінку KI для бетону класу В-35. Випробовували бетонні призми з тріщиною за схемою триточкового згину. На підставі залежності (1) з урахуванням діаграм руйнування та даних акустограм було встановлено значення KIC для нашого бетону, яке становило KIC = 0,38 . Це підт-вердило вище висунуту гіпотезу про те, що у залізобетонній балці за навантаження РАЕ = 3,8 кН розпочався субкритичний ріст тріщин, вказаних у таблиці розмірів.
Маючи результати лабораторних АЕ-досліджень та напівнатурних випробувань залізобетонної балки, постала проблема оцінювання заникання сигналів АЕ під час їх проходження від джерела до місця встановлення ПАЕ.
Визначали заникання пружних хвиль АЕ: у зразках розмірами 100Ч100Ч400 мм3 із бетону (Б) та (для порівняння) із ЦПС; у модельних залізобетонних балках без та з наявними тріщинами (ЗБ і ЗБт, відповідно) розмірами 70Ч100Ч900 мм, а також у залізобетонній трубі (Тр) довжиною 5,0 м та внутрішнім діаметром 1,0 м з
товщиною стінки 100 мм. Склад бетонної суміші та фізико-механічні характеристики для зразків з ЦПС, типів Б та ЗБ, ЗБт наведено у 3 розділі. Структурну схему дос-ліджень заникання пружних хвиль АЕ для всіх типів зразків приведено на рис. 8.
Рис. 8. Принципова схема експериментальних випробувань: 1 – зразок; 2 – генератор Г5-63;
3 – осцилограф цифровий Ins-tek GDS-806S;
4 – зонд-імітатор; 5 – ПАЕ; 6 – прилад SKOP-8.
Імітували пружну хвилю у зразках 1 за допомогою: 8-ми канального АЕ-приладу SKOP-8 6 (варіант І); джерела Гсу (варіант ІІ), а також генератора імпульсів типу Г5-63 2 (варіант ІІІ). Робоча смуга частот АЕ-приладу 6 становила 0,2…0,8 МГц.
Отримані експериментальні дані апроксимували експонен-ціальною залежністю типу y = de-дx, де – коефіцієнт заникання, х – шлях проходження хвилі, d – коефіцієнт апроксимації. На рис. 9 показано характерні залеж-ності заникання амплітуд пружних хвиль, імітованих за варіантом ІІ у модельних залізобетонних балках ЗБ та ЗБт.
Отже, коефіцієнт заникання змінювався у межах: для зразків Б і ЦПС – = 2…2,4 та = 4,3…5,3 м-1, відповідно; для зразків ЗБ і ЗБт – = 3,3…4,5 та = 5,6…6,3 м-1, відповідно, а для зразка Тр – = 5,0…7,6 м-1.
Рис. 9. Заникання амплітуд сигналів АЕ у модельних залізобетонних балках ЗБ (1) та ЗБт (2).
Таким чином, урахувавши експоненціальний характер заникання пружних хвиль АЕ в таких матеріалах, можна констатувати, що заникання амплітуди пружної хвилі АЕ описується формулою:
, (2)
де А0 – початкове значення амплітуди сигналу АЕ; R* – віддаль, яку проходить пружна хвиля АЕ; d – коефіцієнт апроксимації; А – значення амплітуди сигналу АЕ на віддалі R*. На підставі залежності (2) узагальнено відому формулу Андрейківа-Сергієнка ("Актуальні питання відбору та передачі сигналів акустичної емісії під час рос-ту внутрішніх тріщин", 2001) для оцінки амплітуд сигналів АЕ, що виникають під час утворення внутрішньої тріщини нормального відриву, і яка набула вигляду:
(3)
де A – амплітуда сигналу АЕ на виході ПАЕ; 0 – критичні нормальні напруження, які виникають у момент розриву суцільності матеріалу; R – віддаль від джерела АЕ до ПАЕ; – кут напрямку до точки спостереження, який відраховується від площини розташування тріщини; – функція кутового розподілу; S0 –приріст площі тріщини; с1, с2 – швидкість поздовжньої та поперечної хвиль, відповідно; – густина матеріалу; С f, , E, G, d); d – коефіцієнт апроксимації; – коефіцієнт підсилення АЕ-тракту; – чутливість ПАЕ; E, G – модуль Юнга та зсуву, відповідно.
З урахуванням результатів досліджень, викладених у попередніх розділах дисертації, пропонується такий алгоритм методики оптимізації встановлення ПАЕ на об’єкті контролю:
1. Визначити за підходами опору матеріалів та будівельної механіки зону найнебезпечніших механічних напружень в елементі конструкції.
2. Розрахувати за залежністю (3) амплітуду сигналу АЕ з урахуванням коефіцієнта заникання та інших, попередньо встановлених констант, відстані від ПАЕ до точки спостереження.
3. Співставити розраховані амплітуди сигналів АЕ із мінімальною амплітудою пружної хвилі АЕ , яку може зареєструвати ПАЕ. Підібрати відстань вста-новлення ПАЕ так, щоб виконувалася така критеріальна умова:
А . (4)
4. З урахуванням критерію (4) та додаткової умови (5) розрахувати повторно віддаль R від джерела АЕ до ПАЕ:
(5)
5. Встановити у визначених місцях ПАЕ та здійснити необхідні коректування їх розташування після тарування чутливості АЕ-тракту кожного каналу приладу на об’єкті контролю (рис. 10).
Рис. 10. Схема оптимального встановлення ПАЕ на об’єкті контролю.
Отже, за зазначених режимів відбору і обробки АЕ-інформації для залізобетону класу В-35, під час появи на акустограмі амплітуд сигналів АЕ зі значеннями 4,5 у.о. починається субкритичний розвиток півеліптичної тріщини, велика вісь якої становить 2 мм, мала – 1 мм або півдискової з радіусом 1 мм.
У п’ятому розділі приведено результати натурних випробувань з АЕ-діагностуванням стану шляхопроводу у с. Вістова Івано-Франківської області, проведеного разом з ДерждорНДІ ім. Шульгіна, м. Київ. Технічні параметри шляхопроводу такі: загальна довжина 47,5 м; габарит за шириною 11,5+2Ч1,5 м; поздовжня схема – 11,4+22,2+11,4; статична схема – нерозрізна, балочна, трипрогонова з монолітною залізобетонною накладною плитою. Досліджувана прогонова будова середнього прогону – монолітна залізобетонна перехресно-ребриста конструкція, виконана із 7-ми таврових діафрагмових балок в поперечному перерізі. Крайні балки цього прогону підсилені за допомогою вуглецевих стрічок по нижній та боковій гранях.
Як випробувальне навантаження використовували чотири великовантажні автомобілі вагою 20…24 т. Максимальне значення випробувального навантаження становила 90 т. Як показав аналіз отриманих даних, генерування сигналів АЕ, в основному, інтенсивно відбувалися під час статичного навантаження моста трьома та чотирма автомобілями (рис. 11). АЕ виникала практично рівномірно на всьому конт-рольованому відтинку балки з амплітудами, які не перевищували критичний рівень сигналів АЕ, встановлених у лабораторних дослідженнях за відповідних напружень (4 у.о.). Розташування джерел АЕ на заключних етапах навантаження здебільшого було зосереджено у середній частині балки та поблизу її опорних частин.
АЕ з приопорної зони балки свідчить про ймовірне тертя її опорних частин, а мікротріщиноутворення в місцях найбільших розтягувальних напружень можна пояснити різними значеннями пружних характеристик бетону та наклеєних вуглецевих композитних стрічок, що, очевидно, зумовлює мікротріщиноутворення у клеєвому шарі. Якщо врахувати середньостатистичний розподіл наявних технологічних мікротріщин в залізобетоні типових конструкцій мостових балок, то саме їх частковий розвиток може супроводжуватись такою АЕ. Її доповнює переміщення кінця балки на опорі ригеля, яке викликає АЕ від тертя цих елементів.
а | б
Рис. 11. Динаміка розвитку джерел АЕ під час навантаження крайньої балки
прогону 1-2 за несиметричною схемою навантаження (а) та амплітудний
розподіл сигналів АЕ (б).
Таким чином, сигналів АЕ, що несуть інформацію про старт чи розвиток
мак-ротріщин небезпечних розмірів (А ,0 у.о.), не виявлено. Це дало змогу зробити висновок про задовільний техніч-ний стан шляхопроводу. За аналогічною методикою проводили випробування мостів через р. Дністер, шляхопроводу на Західному обході м. Львова та інших будівельних споруд.
Висновки.
У дисертації описано методологічні аспекти розв’язання важливої науково-технічної задачі щодо встановлення кількісних по-казників сигналів АЕ, які супроводжують руйнування у бетоні та залізобетоні на ранніх стадіях його зародження та розвитку, при цьому отримано такі наукові результати:
1. На підставі створеної теоретичної описової моделі фізичних процесів, що призводять до виникнення та ранніх стадій розвитку руйнування у бетоні та залізобетоні показано, що основними чинниками цих процесів, які супроводжуються випромінюванням пружних хвиль АЕ, є постійно зростаючі експлуатаційні навантаження, робоче середовище, широкий діапазон зміни температур, природні катаклізми та різного роду фізичні поля.
2. Встановлено, що на зародження руйнування бетону суттєво впливають орієнтація в просторі, форма та розміри крупного заповнювача (щебінь, гравій). Гострокінцеві виступи служать концентраторами напружень, біля вершин яких, як показав аналіз доломів, відбувається мікротріщиноутворення. Так, найгіршою орієнтацією заповнювача є положення його
