CC BY
8К 80-летию Н.И. Макридина
2 августа 2014 г. исполнилось 80лет профессору кафедры «Технологии строительных материалов и деревообработки» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, доктору технических наук, советнику Российской академии архитектуры и строительных наук Николаю Ивановичу Макридину.
Н.И. Макридин родился в Пензенской области. После окончания в 1964 г. Пензенского инженерно-строительного института (ныне ПГУАС) был оставлен для преподавательской работы на кафедре «Строительные материалы», затем работал на кафедре «Технологии бетона, керамики и вяжущих».
Последовательно прошел путь от преподавателя до профессора кафедры, декана факультета и заслуженного профессора ПГУАС.
Николай Иванович Макридин постоянно совершенствует методы обучения, поддерживает связь с выпускниками вуза, учитывает их рекомендации по улучшению качества подготовки специалистов.
Научные исследования Н.И. Макридина посвящены изучению конструкционной прочности и механики разрушения цементных композитов на пористых и плотных заполнителях.
По результатам научных исследований и их практической реализации в 1969 г. он защитил кандидатскую диссертацию, в 1999 г. — докторскую. В 1991 г. ему присвоено ученое звание профессора.
На кафедре им была создана научно-исследовательская лаборатория по изучению закономерностей процесса разрушения конструкционных бетонов, которая стала кузницей высококвалифицированных инженеров и кандидатов наук.
Н.И. Макридин — известный ученый в области строительного материаловедения. Им опубликовано лично и в соавторстве с учениками более 570 научных и учебно-методических работ, в том числе 17 учебных пособий, 23 монографии, 7 нормативных документов, 20 учебно-методических разработок, 16 авторских свидетельств и патентов на изобретение. Его учебные пособия с грифом Минвуза СССР и Минобразования России используются во многих вузах России и стран СНГ.
При научном руководстве и консультировании Николая Ивановича подготовлено 10 кандидатов наук, один доктор наук и 13 магистров техники и технологии по направлению «Строительство».
За успехи в труде Николай Иванович Макридин награжден знаком Министерства образования СССР «Победитель социалистического соревнования — 1979»; за долголетний добросовестный труд — медалью «Ветеран труда», почетным званием «Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации»; за заслуги в области образования Российской Федерации — нагрудным знаком «Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации»; за заслуги в области науки и техники — званием «Почетный работник науки и техники Российской Федерации»; за изобретательскую деятельность Н.И. Макридин награжден почетным знаком «Изобретатель СССР».
УДК 691.327:539.4
Н.И. МАКРИДИН, д-р техн. наук, советник РААСН,
И.Н. МАКСИМОВА, канд. техн. наук (maksimovain@mail.ru), Е.А. ТАМБОВЦЕВА, магистрант
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28)
Сравнительный анализ механического поведения горных пород на диаграмме нагружения
Представлены результаты анализа экспериментально полученных графических зависимостей количества и характера изменения генерируемых ультразвуковых импульсов акустической эмиссии на диаграмме нагружения природных каменных материалов разного генезиса. 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.
Ключевые слова: горные породы, акустическая эмиссия, акустические параметры, процесс разрушения, трещиностойкость.
N.I. MAKRIDIN, Doctor of Sciences (Engineering), Counsellor of RAACS, I.N. MAKSIMOVA, Candidate of Sciences (Engineering) (maksimovain@mail.ru), E.A. TAMBOVTSEVA, MA Student
Penza State University of Architecture and Civil Engineering (28, Germana Titova Street, Penza, 440028, Russian Federation)
Comparative Analysis of Mechanical Behavior of Rocks on the Loading Diagram
Results of the analysis of experimentally obtained graphic dependences of the quantity and character of changes of generated ultrasound impulses of the acoustic emission on the diagram of loading of natural stone materials of different genesis are presented. The complex assessment of power, energetic, deformation, and acoustic parameters of the mechanical behavior of rocks makes it possible to offer the criterion of structural quality of fillers in the course of their selection for concretes of higher strength and reliability. Keywords: rocks, acoustic emission, acoustic parameters, destruction process, crack resistance.
34
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2014
iA ®
В настоящее время существует тенденция использования в строительстве бетонов нового поколения высокой и сверхвысокой прочности, склонных к хрупкому разрушению. Это обусловливает постановку экспериментальных исследований по изучению и получению новых физически обоснованных параметров механического поведения и классификации каменных материалов по трещиностойкости с целью реализации основной идеи разработки композиционных материалов: соединения высокой прочности с хорошей вязкостью разрушения и повышения на этой основе качества и надежности бетона.
В соответствии с подходом структурной механики разрушения композиционных материалов реальная прочность материала связывается с его энергией разрушения, модулем упругости и размером дефекта структуры, обусловливающим начало разрушения, так как концепция механики разрушения заключается в том, что 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 в задаче выбора заполнителей, особенно для бетонов высокой и сверхвысокой прочности, эти вопросы весьма слабо освещены в литературе и поэтому приобретают особую значимость при оценке надежности и долговечности бетонов нового поколения при силовых и несиловых воздействиях.
Одним из путей дальнейшего выяснения природы механического поведения композиционных материалов под нагрузкой может служить новый подход к проблеме прочности, в основе которого лежит детальное изучение самого процесса разрушения с позиций физики и механики разрушения. Целью данной работы является сравнительный анализ методических возможностей и перспектив применения метода акустической эмиссии (АЭ) при изучении поведения каменных материалов с оценкой механических и акустических параметров предельного состояния структуры заполнителей разного генезиса на диаграмме нагружения при неравновесных механических испытаниях опытных образцов по ГОСТ 29167—91 (Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении).
Для исследования были изготовлены опытные образцы: 24x60x300 мм из гранита; 23x43x340 мм из известняка. Количество образцов из каждого материала 15.
На каждом образце последовательно определяли: динамический модуль упругости Ед и коэффициент внутреннего трения КВТ; предельную деформативность ер растянутой зоны образца при изгибе (с помощью тензо-датчиков базой 30 мм); критический коэффициент интенсивности напряжений К1С при неравновесных механических испытаниях образцов при изгибе; критическую интенсивность высвобождения энергии или силу продвижения трещины GIC; АЭ образцов на кривой на-гружения в полосе частотного диапазона 50—150 кГц; предел прочности на растяжение при изгибе ЯРИ. Основные характеристики акустико-эмиссионного устройства (АЭУ): число приемных каналов 2; частотный диапазон аппаратуры 8—1000 кГц; чувствительность по входу предусилителя в полосе Д/ = 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 мин 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 торцевой поверхности образца-призмы через тонкий слой петро-латумной смазки.
В данной работе 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 нагруже-ния, а также амплитуды импульсов АЭ на двух уровнях А1 и А2: первый уровень в диапазоне 0,05—0,5 В; второй уровень выше 0,5 В.
Силовую характеристику трещиностойкости для образцов типа I при трехточечном изгибе, ЛРИ, вычисляли по формуле:
з^; ■ ь
ш2(1-ху (1)
где Р* — максимальная (разрушающая) нагрузка, Н; L — расстояние между опорами, м; ? и Ь — ширина и высота сечения, м; — относительная длина надреза.
Динамический модуль упругости Ед определяли по формуле [2]:
2?д=О,965-1О-6{0.^.:Г, (2)
где I, Ь, а — соответственно длина, высота, 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 — коэффициент, учитывающий основной вид колебаний образца и размерность выбранных единиц измерения.
Коэффициент внутреннего трения определяли по формуле [2]:
(3)
где Д/ — ширина резонансной характеристики образца на уровне половины максимальной амплитуды изгиб-ных колебаний по обе стороны от резонанса.
Критический коэффициент интенсивности напряжений К1С определяли по зависимости ГОСТ 29167—91:
3Fc-L0
■-je 2йз2.г
' (1,93-3,07Ш4,53^-25,1 а3+25,8Х4), (4)
где Рс — критическая нагрузка начала движения трещины; Ь0 — расстояние между опорами, равное 3,8Ь; Ь — высота образца; ( — ширина образца; а0 — глубина надреза;
критическую интенсивность высвобождения энергии или силу продвижения трещины G-[C определяли по формуле [3]:
г _К1С
(5)
Суммарную энергию акустической эмиссии ЭАЭ (В2см-2), как критерий трещиностойкости образцов, определяли по [4] путем отношения зафиксированной акустико-эмиссионным устройством энергии АЭ, ЭАЭ, В2 при нагружении образца до деформации ер к поверхности его разрушения S, см2.
Г; научно-технический и производственный журнал
^ ® октябрь 2014 35
Эаэ.103 Ж 3150
3100
250 200 150 100 50
б
Эаэ.10: 400
395
390
25
20
15
10
5
,3 Ж
см2 ЛЭаэ.103, -^г 380 см2
375
370
10
0,3 0,4
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 яри
Рис. 1. Зависимость энергии акустической эмиссии ЭАЭ (1) и дифференциального приращения энергии акустической эмиссии ДЭАЭ (2) гранита (а) и известняка (б) от интенсивности нагружения образцов типа I по ГОСТ 29167 при трехточечном изгибе
На рис. 1 представлено амплитудно-энергетическое распределение суммарной энергии импульсов АЭ и дифференциальное приращение энергии импульсов АЭ на этапах нагружения образцов из гранита и известняка. Из анализа суммарной энергии импульсов АЭ и дифференциального приращения энергии импульсов АЭ на диаграммах нагружения следует отметить, что излучение акустических волн напряжений, вызванное внутренней динамической перестройкой структуры материала под воздействием механической нагрузки для рассматриваемых в исследовании горных пород, имеет существенное, как качественное, так и количественное различие.
Анализируя акустическую эмиссию, полученную на образцах из гранита и известняка (рис. 1), следует отметить, что излучение АЭ фиксировали с первого этапа нагружения для гранита. При этом до интенсивности напряжения, равного 0,7RPH, фиксируется излучение АЭ только при приложении нагрузки. Начиная с этапа 0,8Rpe стала проявляться акустическая эмиссия и при выдержке образца под нагрузкой.
На следующем этапе выдержки под постоянной нагрузкой 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 из сравниваемых 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.
Излучение импульсов АЭ отражает развитие деформирования и разрушения материала на разных масштабных уровнях и разную природу генерируемых сигналов, в основе которых лежат различные физические явления — пластические деформации, характеризующиеся ультразвуковыми импульсами АЭ относительно малой амплитуды А1, а возникновение и развитие дефектов структуры материала излучают сигналы АЭ относительно большой амплитуды А2. Измерение параметров указанных импульсов позволяет не только обнаруживать развитие дефектов и оценивать механическое поведение и параметры предельного состояния структуры, но и выявлять параметры материала, определяющие его трещиностойкость, понимание которых позволяет указать технологам оптимальные пути создания конструкционных бетонов нового поколения.
На рис. 2 представлена кинетика развития УЗ-импульсов АЭ Ni и N2 с дискриминационными амплитудами соответственно А1 и А2 и соотношение количества УЗ-импульсов NJN2 малых и больших амплитуд на кривой нагружения опытных образцов из гранита и известняка, по которым проводили идентификацию процесса разрушения в реальном масштабе времени.
Акустический параметр N^A^/N^A^ можно использовать для идентификации разрушения образцов сравниваемых пород на диаграмме нагружения с учетом различных физических явлений, лежащих в основе генерируемых сигналов АЭ с амплитудами А1 и А2, и отражающих в общем случае вклад пластической и упругой (хрупкой) составляющих в суммарный процесс силового разрушения.
а
2
5
с
Параметры Вид породы
Гранит Известняк
Плотность, г/см3 (кг/м3) 2,78 (2780) 2,44 (2440)
Прочность ЯРИ, МПа 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 1,27 0,785
Критическая интенсивность высвобождения энергии, Н/м 39,493 18,06
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 36 октябрь 2014 ~ Ы ®
АЭ A2>0,5 В; 3 - отношение N,/N2 сигналов АЭ
Совместный анализ графических зависимостей рис. 2 и таблицы с учетом совокупности физико-механических характеристик 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 на-гружения опытных образцов гранита и известняка, заключающееся прежде всего в том, что первые сигналы АЭ с амплитудой до 0,5 В были зарегистрированы на образцах гранита при интенсивности нагружения 0,067ЯРИ, а на образцах известняка — 0,4ЯРИ. В свою очередь, первые сигналы АЭ с амплитудой более 0,5 В были зарегистрированы соответственно при уровне на-гружения 0,267 и 0,4ЯРИ. При этом и характер графических зависимостей изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ на рис. 2 имеет принципиальное отличие, что обусловлено различием как механического поведения, так и микромеханизмами процессов разрушения каменных материалов разного генезиса. В этом случае значение акустического параметра ^1(А1)/^2(А2) очень
четко отражает идентификацию процесса разрушения образцов с учетом различных физических явлений, лежащих в основе генерируемых сигналов с амплитудами А1 и А2, что приближает исследователя к пониманию процесса разрушения и выявлению параметров материала, определяющих его трещиностойкость. 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 его вязкость разрушения при силовом воздействии. Чем более широкий диапазон интенсивностей нагружения охватывает акустический параметр и чем больше его численное значение, тем больше он отражает вклад пластической составляющей в суммарный процесс разрушения и наоборот, что следует из графиков рис. 2. В свою очередь, достаточно резкое уменьшение численного значения акустического параметра, отражающего скачкообразную смену микромеханизма разрушения, является предвестником наступления предельного состояния структуры материала.
Заключение
Выполненные комплексные исследования 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, позволяют 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 обусловлена неравновесными фазовыми переходами, отвечающими особой точке (точке бифуркации), при достижении которой скачкообразно изменяются свойства, обусловленные самоорганизацией про-
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2014
37
цесса. По характеру потери устойчивости однородного состояния равновесия и необратимого перехода в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений, рассматриваемые структуры горных пород относятся к диссипа-тивным структурам.
3. Анализ зависимости сопротивления горных пород разрушению по энергетическому распределению импульсов АЭ (рис. 1, 2) с позиций синергетики позволяет заключить, что эта зависимость является естественно присущей процессу разрушения — проявлять при разрушении одного и того же материала разные свойства в точках бифуркации, отвечающих
Список литературы
1. Ленг Ф.Ф. Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице. В кн.: Композиционные материалы. Т. 5. Разрушение и усталость / Пер. с англ. Под ред. Г.П. Черепанова. М.: Мир, 1978. С. 9-57.
2. Прибор для измерения коэффициента внутреннего трения типа ИКВТ-2. Инструкция. Л.: ЛЭТИ, 1967. 32 с.
3. Карпенко Н.И., Зайцев Ю.В., Окольникова Г.Э., Андрианов А.А. Экспериментальное определение физико-механических свойств и параметров механики разрушения ультравысокопрочных бетонов // Сб. трудов «Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2010 году.». Москва-Орел: РААСН, 2011. С. 242-248.
4. Макридин Н.И., Королев Е.В., Максимова И.Н. Метод акустической эмиссии в строительном материаловедении // Строительные материалы. 2007. № 3 / Наука. № 9. С. 25-27.
смене как типа диссипативных структур, так и микромеханизма разрушения, что подтверждается численными значениями коэффициента изменчивости силового критерия разрушения исследуемых материалов.
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 = Ед ■ Квт.
References
Leng F.F. Razrushenie kompozitov s dispersnymi chas-titsami v khrupkoi matritse. V kn. Kompozitsionnye ma-terialy. Tom 5. Razrushenie i ustalost'. [Destruction composites dispersed particles in the brittle matrix. In the book. Composite materials. Vol. 5 Destruction and fatigue. Translated from English by ed. Cherepanov G.P.]. Moscow: Mir. 1978, pp 9-57.
An instrument for measuring the coefficient of internal friction type IKVT-2. Instructions. Leningrad: LETI, 1967. 32 p. Karpenko N.I., Zaitsev Yu.V., Okolnikova G.E., Andrianov A.A. Experimental determination of physical and mechanical properties and fracture mechanics parameters of ultra high-strength concrete. Proceedings. Fundamental research RAASN on scientific support development of architecture, urban planning and construction industry of the Russian Federation in 2010. Moscow-Orel: RAASN. 2011, pp. 242-248. (In Russian) Makridin N.I., Korolev E.V., Maksimova I.N. The acoustic emission method in building materials. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2007. No. 3 / Nauka. No. 9, pp. 25-27. (In Russian).
YugBuild
Л
Международная
архитектурно-строительная
выставка
Россия. Краснодар
£5-28 февраля 391S
Architecture & Bullding. Interiors
www,yugbuild,com
TT?* ■ №1№ k BUZKDr,
ОБУСТРОЙСТВО
научно-технический и производственный журнал Q'TFOWf1- JJbrlbJ'
октябрь 2014 " ы ®
2
4
