CC BY
116
МЕХАНИКА
УДК 691.32
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФИБРОБЕТОНА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДИКИ КОЛЬСКОГО И ЕЕ МОДИФИКАЦИЙ
© 2011 г. А.М. Брагов1,2, Б. Карихалоо 3, А.Ю. Константинов 1,
Д.А. Ламзин 2, А.К. Ломунов 1,2
1 НИИ механики Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 2 Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет 3 Университет г. Кардиффа, Англия
bragov@mech.unn.ru
Покоупила оркдакцию 10.05.2011
Представлены результаты динамических испытаний композитного материала - фибробетона CARDIFRC, изготовленного в университете г. Кардиффа (Англия). Данный фибробетон обладает прочностными статическими свойствами, значительно превосходящими обычные строительные бетоны, при этом его стоимость является сравнительно низкой. Испытания выполнены с помощью методики Кольского и ее модификаций. В результате испытаний определены прочностные и деформационные характеристики этого материала при высоких скоростях деформации, а также значения ударной вязкости. Показана чувствительность механических характеристик к скорости деформации.
Ключкоые клооа: фибробетон, методика Кольского, сжатие, раскалывание, ударная вязкость.
Введение
В настоящее время одной из главных задач строительной отрасли является увеличение прочности и надежности строительных конструкций при снижении затрат на строительство. Этого можно добиться, используя новые, более совершенные строительные материалы, например, фибробетон (бетон с равномерно распределенными по объему армирующими волокнами). По сравнению с обычным бетоном фибробетон имеет более высокую статическую прочность на сжатие, растяжение и срез, ударную и усталостную прочность, трещиностойкость и вязкость разрушения, морозостойкость, водонепроницаемость, сопротивление кавитации, жаропрочность и пожаростойкость [1-2]. Поэтому на сегодняшний день перспективным направлением применения фибробетона является его использование при возведении современных сооружений энергетической и атомной промышленности.
В связи с участившимися в последнее время террористическими актами, техногенными и природными катастрофами, которые сопровождаются интенсивными ударными и взрывными нагрузками, уже на стадии проектирования зданий и сооружений следует учитывать эти динамические воздействия. Для рационального про-
ектирования и анализа работы динамически нагруженных конструкций необходимо знание механических свойств материалов, из которых они изготовлены, при высоких скоростях деформации. Поэтому становится актуальной задача изучения поведения современных конструкционных строительных материалов при высокоскоростном деформировании и разрушении.
В последние годы широко используется численное моделирование процессов деформирования как конструкций в целом, так и отдельных их элементов в условиях статических и динамических внешних воздействий. При этом поведение реального материала, обладающего комплексом физико-механических свойств, в расчете заменяется его математической моделью. Для оснащения известных моделей поведения материалов необходимыми параметрами и константами, а также для разработки новых математических моделей требуются экспериментальные данные по динамическим свойствам новых строительных конструкционных материалов.
Изучением поведения бетонов и других строительных материалов при динамическом нагружении занимаются многие ученые. Результаты различных исследований опубликованы в многочисленных работах отечественных и
зарубежных авторов (например, [3-10] и библиография к ним). Однако в силу неполноты, а иногда и противоречивости результатов исследований с одной стороны и появления новых материалов на основе цемента с другой, данная задача до сих пор остается не решенной полностью. В связи с этим в работе проведено экспериментальное исследование нового, перспективного строительного материала - фибробето-на, разработанного и изготовленного в университете г. Кардиффа (Англия). Испытанный фибробетон представлял собой мелкозернистый бетон с введёнными в его матрицу стальными оцинкованными проволочками. Исследования механических свойств этого материала были выполнены с использованием метода Кольского при скоростях деформации ~ 103 с-1.
Методики динамических испытаний
Среди известных к настоящему времени методов динамических испытаний наибольшее распространение получил метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсо-на (РСГ) [11], ввиду своей хорошей теоретической обоснованности и простоты реализации. К настоящему времени разработаны многочисленные модификации этой методики [12-22].
Конструктивно традиционный вариант РСГ выполняется из двух тонких длинных стержней с высоким пределом текучести, между которыми располагается образец малой длины из исследуемого материала, причем предел текучести мерных стержней должен быть выше предела текучести образца (схема 1 на рис. 1). В одном из стержней возбуждается одномерная упругая волна сжатия е (,), которая распростра-няяется по стержням со скоростью с. При достижении образца эта волна ввиду разницы акустических жесткостей рс материалов стержня и образца расщепляется: часть ее отражается обратно волной растяжения ея(,), а часть проходит через образец во второй стержень волной сжатия е (,). Образец при этом претерпевает упругопластическую деформацию, в то время как стержни деформируются упруго. Регистрируя тензодатчиками упругие импульсы деформации в мерных стержнях, по формулам, предложенным Г. Кольским, можно определить напряжения, деформации и скорости деформации в образце как функции времени:
еп ({) =- у-е* (*).
(3)
В этих формулах Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения мерных стержней, А0° и У0 - соответственно площадь сечения и длина образца. После исключения из полученных зависимостей (1)—(3) времени как параметра строится диаграмма деформирования образца ст п ~ е п с историей изменения скорости деформации е п ~ е п.
Для определения предела прочности хрупких материалов при растяжении применяется модификация методики Кольского - «бразильский тест» (испытание на раскалывание) [23]. При обычных испытаниях на сжатие цилиндрических образцов нагрузка прикладывается по продольной оси образца. В экспериментах на раскалывание образец в виде цилиндра поворачивается на 900 относительно поперечной оси, и нагрузка прикладывается по диаметральной плоскости образца, то есть по образующей цилиндра (схема 2 на рис. 1). В этом случае в направлении, перпендикулярном направлению действия нагрузки, возникают растягивающие напряжения ст,. При этом формула для расчета растягивающих напряжений имеет вид:
2ЕАет (,)
ст,(?) = -
%Ь0 D
(4)
еп (,) = - У | е - (, )Л,
(1)
(2)
Здесь е (,) - импульс деформации, зарегистрированный в опорном стержне, D - диаметр цилиндрического образца.
Для определения динамической вязкости разрушения разработана модификация метода Кольского, основанная на разрушении по схеме трехточечного изгиба в системе РСГ образца балочного типа с концентратором посередине [24]. Образец в этом случае располагается между торцами мерных стержней: нагружающего и двух опорных (схема 3 на рис. 1). В процессе испытания регистрируются падающий е7(,) и отраженный е (,) импульсы в нагружающем стержне, а также два прошедших через образец ет(,) импульса в двух опорных стержнях. В результате обработки этих импульсов определяется зависимость прогиба образца от времени:
< = г{[е'(0-е - (,)(5)
Здесь С - скорость распространения упругих волн по стержням.
Усилия, действующие на образец в процессе нагружения, вычисляются на основании прошедших импульсов в обоих опорных стержнях:
1)
3),
€
Рис. 1. Схема экспериментальных установок и реализованные типы испытаний
P(t) = EA(s[ (t) + s2(t)). (6)
Энергия разрушения (работа удара) KU равна:
l
KU = J Pdl.
0
(7)
Вязкость разрушения КСи определяется в соответствии с [25] как отношение работы удара Ки к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (рис. 2):
ки
КСи =------. (8)
ВН1
Экспериментальная установка и применяемое оборудование
Установка для динамических испытаний, реализующая метод РСГ, состоит из пневматического нагружающего устройства (газовая пушка) с системой управления, комплекса из-мерительно-регистрирующей аппаратуры и
сменного комплекта мерных стержней (рис. 1). Измерение деформаций производится с помощью наклеенных на боковую поверхность стержней тензодатчиков. Сигналы от тензодат-чиков через усилители поступают на многоканальную компьютерную измерительную систему (крейтовый конструктив) PXI-1042 фирмы NATIONAL INSTRUMENTS, где в среде инженерного графического программирования NI LabVIEW организовано несколько виртуальных измерительных приборов: измеритель скорости ударника и два высокоскоростных двухканальных осциллографа. При испытаниях полученные с измерителя скорости и с мерных стержней импульсы визуализируются в виде осциллограмм и сохраняются в цифровом виде в памяти компьютера для последующей обработки с помощью оригинального пакета программ в соответствии с соотношениями (1)-(8).
Рис. 2. Конфигурация балочного образца с U образным концентратором
Результаты динамических испытаний и их обсуждение
Динамические испытания проводились на установках с диаметром мерных стержней 20 мм, изготовленных из стали либо из сплава Д16Т. Образцы для испытаний на сжатие и раскалывание имели форму цилиндров диаметром ~15 мм и длиной ~10 мм.
Испытания на сжатие проводились с целью построения динамических диаграмм деформирования и исследования влияния скорости деформации на механические характеристики материала при его разрушении: максимальное напряжение сттах, предельную деформацию е тах
Деформация
а
Скорость деформации. 1/с
В
(деформацию при максимальном напряжении), время до начала разрушения ттах (время «жизни»). В экспериментах варьировалась скорость ударника, а также использовались ударники, изготовленные из разных материалов и имеющие разную длину, что позволяло менять амплитуду и длительность нагружающего импульса. Для уменьшения влияния сил трения при радиальной раздаче образца на торцы мерных стержней перед испытанием наносился тонкий слой графитовой смазки. Результаты испытаний показаны на рис. 3а-г. На рис. 3а приведены характерные диаграммы деформирования, полученные при разных скоростях деформации. Сплошными линиями показаны зависимости а(е) (левая вертикальная ось -напряжение), пунктирными - зависимости s (е) (правая вертикальная ось - скорость деформации). На приведенных диаграммах на первом участке ветви нагружения происходит рост напряжений и деформаций, а после того, как напряжения в образце достигают предельного значения, материал начинает интенсивно разрушаться, при этом образование микро- и макротрещин приводит к существенному снижению уровня напряжений с ростом деформаций. Зависимости полученных в экспериментах максимальных напряжений, соответствующих им предельных деформаций и времени «жизни» от скорости деформации показаны на рис. 3б-г.
100 I 90 1 80 I 70
I60
«50
| 40 я
I 30
120 1 10
СжативІ
— 1
N
%Ч<
о V Ґ . =1510.1-£ч,57®1
<1 * " ЕІШ
о < Г $
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Скорость деформации, 1/с
4
а*3,5
к
1 3
.5 2 .5 1
,5
I2-
■в-
■
Ct
к
£1.
-О
5
СЕ
о
Сжатие
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Скорость деформации, 1/с
Г
Рис. 3. Влияние скорости деформации на механические характеристики фибробетона
О
50
150
200
Рис.
100 Время, мкс
4. Динамические диаграммы, полученные при раскалывании
Хотя наблюдается разброс свойств данного материала, можно с уверенностью отметить, что с ростом скорости деформации происходит увеличение максимальных напряжений и предельных деформаций, а время «жизни» при этом уменьшается. Изменение максимальных напряжений и соответствующих им деформаций в зависимости от скорости деформации можно аппроксимировать линейными зависимостями, а время «жизни» образцов - законом, близким к степенному.
Испытания на раскалывание («бразильский тест») проведены с целью определения порогового значения разрушающих растягивающих напряжений в диапазоне скоростей роста напряжений на ветви нагрузки от ~ 1500-103 МПа/с до ~ 3000-103 МПа/с. Для этого было реализовано два режима нагружения: режим 1 - частичные повреждения образца и режим 2 - его полное разрушение на две части, путем вариации параметров нагружения (материал, длина и скорость ударника). Для уменше-ния влияния трения также использовалась смазка торцов стержней.
Результаты испытаний показаны на рис. 4. Видно, что в исследованном диапазоне скоростей роста напряжений изменение режима нагружения образца слабо повлияло на величину максимальных растягивающих напряжений при раскалывании.
Для испытаний на ударную вязкость были изготовлены образцы в виде балок со следующими геометрическими размерами (см. рис. 2): L«66 мм, Н«20 мм, $«11 мм, ^«15 мм. Данные исследования проводились с целью определения критической нагрузки, при которой в образце образовываются и начинают распространяться трещины. В связи с этим требовалось подобрать такую энергию нагружения образца, при которой трещина в образце образовалась, но его полного разрушения не происходило.
Также исследовалось влияние величины прилагаемых усилий (при разной длительности нагружающего импульса) и скорости их роста на величину работы удара и ударной вязкости. В испытаниях варьировалась скорость ударника, и использовались ударники, изготовленные из разных материалов и имеющие разную длину. Вследствие большой хрупкости и малой вязкости испытываемого материала при самых минимальных (которые можно реализовать на имеющейся установке) амплитудах нагружающих импульсов разной длительности (максимальное усилие порядка 2 кН) зарождалась трещина. При больших амплитудах нагружающей волны появлялись значительные прогибы образца, и происходило его разрушение на две части. Результаты испытаний показаны на рис. 5а—г. Из приведенных данных видно, что при увеличении величины и скорости роста прилагаемой нагрузки возрастает затраченная за цикл нагружения работа, причем работа удара и ударная вязкость в зависимости от максимального усилия изменяется по закону, близкому к линейному. Затраченная работа практически одинакова при разной длительности нагружающего импульса.
Выводы
Проведены испытания фибробетона на сжатие, растяжение при раскалывании и ударную вязкость с помощью методики Кольского и ее модификаций. В результате анализа опытных данных установлено, что динамическая прочность и способность образца деформироваться при сжатии увеличивается с ростом скорости деформации. При раскалывании значения максимальных растягивающих напряжений при частичных повреждениях и полном разрушении образца практически не изменяются в исследованном диапазоне скоростей роста напряжений.
Рис. 5. Результаты испытаний фибробетона на ударную вязкость
Затраченная работа за цикл нагружения балочного образца с U - образным концентратором практически одинакова при разной длительности нагружающего импульса.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 11-08-00545; 10-01-00585).
Список литературы
1. Фибробетон: технико-экономическая эффективность применения // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 9 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ropshastroy.ru/info.
2. Армирующие материалы для фибробетонов // Архитектура и строительство. 2009. № 11 (210) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ais.by/ story/3582.
3. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружении. М.: Стройиздат, 1970. 274 с.
4. Брагов А.М., Грушевский Г.М., Комаров Н.Ю. Влияние шероховатости заполнителя на динамическое поведение бетона // Проблемы прочности и пластичности: Межвуз. сб. Вып.70. Нижний Новгород,
2008. С. 169-174.
5. Брагов А.М., Ломунов А.К., Минеев В.Н., Акопов Ф.А., Чернышов Г.П. Исследование динамических свойств диоксидциркониевых огнеупоров // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т. 42. № 3. С. 168-174.
6. Bischoff P.H., Perry S.H. Compressive behaviour of concrete at high strain rates // Materials and Structures. 1991. Vol. 24. P. 425-450.
7. Malvar L.J., Crawford J.E. Dynamic increase factors for concrete // Twenty-Eighth DDESB Seminar Orlando, FL, August 98.
8. Akopov F., Bragov A.M., Demenko P., Krusz-ka L., Lomunov A.K., Mineev V., Sergeichev L.V. Static and dynamic response of ceramics and zirconium alumina concrete materials // Journal de Physique IV. France. 2003. Vol. 110. P. 225-230.
9. Klepaczko J. R. On a very high rate sensitivity of concrete failure at high loading rates and impact // Proc. Int. Symp. Brittle Matrix Composites 7, Warsaw, 2003. P. 1-27.
10. Chujie Jiao, Wei Sun, Shi Huan, Guoping Jiang. Behavior of steel fiber-reinforced high-strength concrete at medium strain rate // Front. Archit. Civ. Eng. China.
2009. Vol. 3. № 2. P. 131-136.
11. Kolsky H. An investigation of the mechanical properties of material at very high rates of loading // Proc. Phys. Soc. (London). 1949. Vol. 62B. P. 676-700.
12. Campbell J.D., Dowling A.R. The behaviour of materials subjected to dynamic incremental shear loading // J. Mech. Phys. Solids. 1970. Vol.18. P. 43-63.
13. Dharan C.K.H., Hauser F.E. Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates // Exp. Mech. 1970. Vol.10. P. 370-376.
14. Nicholas T. Tensile testing of materials at high rates of strain // Exp. Mech. 1981. Vol. 21. № 5. P. 177195.
15. Даффи Дж., Кэмпбелл Дж., Хоули Р. О применении крутильного разрезного стержня Гопкинсо-на к исследованию влияния скорости нагружения на поведение алюминиевого сплава 1100-0. // Прикл. механика. Сер. Е. М.: Мир, 1971. № 1. С. 81-90.
16. Льюис Дж., Гольдсмит В. Двухосный стержень Гопкинсона для одновременного кручения и сжатия // Приборы для научн. исследований. 1973. №
7. С. 22-26.
17. Клепачко Я. Обсуждение нового экспериментального метода определения начала роста трещин при больших скоростях нагружения с помощью волн напряжения // Теор. основы инж. расчетов, 1982. Т. 104. № 1. С. 33-40.
18. Николас Т. Поведение материалов при высоких скоростях деформации // Динамика удара / Под ред. Дж. Зукаса и др. (Пер. с англ.). М.: Мир, 1985. С. 198-256.
19. Музыченко В.П., Кащенко С.И., Гуськов В.А. Применение метода составного стержня Гопкинсона при исследовании динамических свойств материалов (обзор) // Заводская лаборатория. 1986. № 1. С. 58-66.
20. Брагов А.М., Ломунов А.К., Медведев А.А. Модификация метода Кольского для динамических циклических испытаний материалов // Прикл. проблемы прочн. и пластичности. Методы решения: Всесоюз. межвуз. сб. / Горьк. ун-т.1987. С. 90-94.
21. Брагов А.М., Гандурин В.П., Грушевский Г.М., Ломунов А.К. Новые возможности метода Кольского для исследования динамических свойств мягких грунтов // Прикладная механика и техническая физика. 1995. Т. 36. № 3. С. 179-186.
22. Брагов А.М., Константинов А.Ю., Ломунов А.К. Модификация метода Кольского для определения динамического коэффициента трения // Вестник ННГУ. 2008. № 6. С. 125-131.
23. Rodriguez T., Navarro C., Sanchez-Galvez V. Splitting tests: an alternative to determine the dynamic tensile strength of ceramic materials // Journal de Physique IV. 1994. Р. 101-106.
24. Ruiz C., Mines R. The Hopkinson Pressure Bar: An Alternative to the Instrumented Pendulum for Charpy Test // Int. J. Fracture. 1985. Vol. 29. № 2. Р. 101-109.
25. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенных температурах. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. 9 с.
INVESTIGATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF FIBER REINFORCED CONCRETE USING KOLSKY METHOD AND ITS MODIFICATIONS
A.M. Bragov, B. Karihaloo, A.Yu Konstantinov, D.A Lamzin, A.K. Lomunov
The results of dynamic tests of fiber reinforced concrete which was produced in the University of Cardiff (UK) are presented. The static properties of this material significantly higher of static properties of conventional construction concretes but cost of this fiber reinforced concrete is relatively low. The dynamic tests have been performed using Kolsky method and its modifications: uniaxial compression, splitting and impact elasticity. The strength and deformative characteristics of this fiber reinforced concrete at high strain rates and values of impact elasticity are defined as a result of testing. Sensitivity of mechanical characteristics to strain rate is shown.
Keywords: fiber reinforced concrete, Kolsky method, compression, splitting, impact elasticity.
