Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экспериментально-теоретические исследования поведения хрупких материалов при динамическом нагружении 10
1.1. Экспериментальные исследования 10
1.1.1. Устройства для создания интенсивных динамических нагрузок 10
1.1.2. Средства регистрации быстропротекающих динамических процессов 12
1.1.3. Методики динамических испытаний хрупких материалов 16
1.1.4. Поведение бетонов при динамическом нагружении 24
1.1.4.1. Динамическая прочность бетонов 25
1.1.4.2. Динамическая деформативность бетонов 32
1.1.4.3. Динамический модуль деформации и коэффициент Пуассона бетонов 34
1.1.5. Влияние структурных факторов на динамическое поведение бетонов 35
1.1.6. Динамическое поведение фибробетонов 39
1.2. Теоретические исследования 43
1.3. Экспериментально-теоретические исследования 46
1.4. Выводы по главе 1 49
ГЛАВА 2. Комплекс аппаратных и программных средств для экспериментального исследования процессов динамического деформирования и разрушения хрупких материалов 50
2.1. Метод Кольского 50
2.1.1. Математическая модель РСГ и основные предпосылки метода Кольского 50
2.1.2. Вывод основных зависимостей метода Кольского 52
2.2. Модификации метода Кольского 56
2.2.1. Развитие модификации метода Кольского для исследования свойств материалов в условиях пассивного ограничения радиальной деформации 56
2.2.2. Модификация метода Кольского для определения прочности хрупких материалов на растяжение 60
2.2.3. Модификация метода Кольского для определения прочности хрупких материалов на срез 62
2.2.4. Модификация метода Кольского для определения ударной вязкости 65
2.3. Методики ударного взаимодействия твердых тел с хрупкими преградами 66
2.4. Экспериментальные установки и средства регистрации динамических процессов 67
2.5. Автоматизация измерений и обработки экспериментальной информации 72
2.6. Выводы по главе 2 81
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследованиия динамического деформирования и разрушения некоторых видов бетона 83
3.1. Мелкозернистый бетон В25 83
3.1.1. Подбор состава бетонной смеси и формование образцов 83
3.1.2. Результаты статических испытаний 84
3.1.3. Результаты динамических испытаний на одноосное сжатие 84
3.1.4. Результаты динамических испытаний на растяжение 91
3.1.5. Результаты динамических испытаний на сжатие в обойме 94
3.1.6. Результаты испытаний на внедрение 97
3.2. Мелкозернистый фибробетон CARDIFRC 98
3.2.1. Результаты квазистатических испытаний 100
3.2.2. Результаты динамических испытаний на сжатие 100
3.2.3. Результаты динамических испытаний на растяжение при раскалывании и срез 106
3.2.4. Результаты испытаний на ударную вязкость 109
3.2.5. Результаты испытаний на внедрение 114
3.3. Выводы по главе 3 116
ГЛАВА 4. Экспериментально-расчетные исследования динамического деформирования и разрушения некоторых мелкозернистых бетонов 118
4.1. Модели динамического деформирования и разрушения хрупких материалов 118
4.1.1. Модель 5 118
4.1.2. Модель 14 119
4.1.3. Модель 78 119
4.1.4. Модель бетона Уинфрита 120
4.1.5. Модель бетона Джонсона Холмквиста 121
4.2. Методики идентификации параметров моделей хрупких материалов 123
4.2.1. Методика идентификации параметров моделей 5 и 14 123
4.2.2. Методика идентификации параметров модели 78 124
4.2.3. Методика идентификации параметров модели 84 125
4.2.4. Методика идентификации параметров модели 111 126
4.3. Идентификация параметров моделей для мелкозернистого бетона В25 128
4.4. Верификация моделей 135
4.5. Критерий инкубационного времени и интерпретация разрушения мелкозернистых бетонов на основе структурно-временного подхода 138
4.6. Выводы по главе 4 140
Заключение 142
Список использованной литературы
- Средства регистрации быстропротекающих динамических процессов
- Развитие модификации метода Кольского для исследования свойств материалов в условиях пассивного ограничения радиальной деформации
- Результаты динамических испытаний на растяжение
- Методика идентификации параметров моделей 5 и 14
Средства регистрации быстропротекающих динамических процессов
Выбор типа испытательной установки определяется конкретными задачами исследования в зависимости от требуемых параметров нагружения (диапазона давления, скоростей и масс метаемых тел, длительности нагружающих импульсов и пр.). Большое количество динамических испытаний хрупких материалов типа бетонов при однократном нагружении проводились с использованием копров, пневмодинамических установок, пороховых и пружинных устройств, а при многократном нагружении - механических, гидравлических и электрических машин [4].
Самыми простыми устройствами для ударных испытаний, использующими механическую энергию, являются вертикальные копры с падающим грузом (бабой), которые позволяют испытывать образцы на сжатие, растяжение и изгиб. Скорость деформирования у этих копров (скорость падения груза) не превышает 5 - 10 м/с, получаемые при этом скорости деформации достигают значений 102 с-1. Кроме того широкое распространение получили маятниковые копры, которые также просты по устройству, удобны в эксплуатации, позволяют проводить испытания на изгиб и на растяжение. Для создания более высоких скоростей нагружения применяют специальные типы копров: ротационные, пневматические, взрывного действия. Принцип действия ротационных копров различной конструкции [27, 73], позволяющих проводить испытания на ударный изгиб и ударный разрыв, заключается в разрушении образца вращающимся маховиком. Пневматические копры используют энергию сжатого воздуха и позволяют проводить испытания на ударное сжатие, растяжение и изгиб, на динамическую устойчивость при продольном ударе. В ротационных и пневматических копрах скорость бойка может достигать 300 м/с. Высокоскоростной копер с использованием энергии пороховых газов, спроектированный на базе пулемета, имеет начальную скорость ударного устройства 300-800 м/с [4]. В копре этого типа пули при стрельбе, ударяясь в пулеприемник, связанный с образцом, вызывают растяжение образца, деформируя и разрывая его с высокой скоростью.
При испытании на копрах образцы доводят до разрушения за тысячные или десятитысячные доли секунды, реализуя закон жесткого нагружения є«const. Материал испытывают, как правило, при режиме возрастающего напряжения, однако при этом трудно обеспечить нарастание нагрузки с одинаковой скоростью. На копрах обычно регистрируют энергетическую характеристику материала - работу разрушения образцов заданной формы и размеров. Однако, используя специальные датчики и аппаратуру, определяют и другие характеристики: динамическую прочность, деформативность, время разрушения и т. д.
Для определения зависимости свойств материала от режима динамического нагружения при сжатии, растяжении, изгибе и срезе используются установки, позволяющие изменять как скорость нагружения образца, так и характер динамического приложения нагрузки. Эти установки можно разделить на две группы [4]: - установки, позволяющие испытывать материал при плавном возрастании напряжений или динамически приложенном постоянном напряжении; - установки, позволяющие испытывать материал при сложных режимах нагружения.
Динамические установки, относящиеся к первой группе, являются наиболее простыми. Нагружение образца в них может осуществляться с помощью сжатого воздуха, пружинных, пороховых или гидравлических устройств. Пневмодинамические установки, работающие с применением сжатого воздуха, могут иметь две принципиальные схемы: с подвижной мембраной (для испытания образцов с малыми деформациями) и поршневую (для испытания образцов с большими деформациями). Пороховые установки по принципу работы похожи на пневмодинамические, но давление в рабочем цилиндре создается пороховыми газами, образующимися при сгорании определенной навески пороха. В пружинных установках деформирование образца происходит под воздействием выстрела сжатой пружины [4]. Пневмодинамические установки, относящиеся ко второй группе и предназначенные для испытания материалов при различных динамических режимах, похожи на установки, относящиеся к первой группе. Однако цилиндры, в которые нагнетается воздух или газ, снабжены быстродействующими клапанами или мембранами, управляемыми единой электронной системой. Эта система позволяет открывать клапаны и мембраны в любой момент времени и тем самым изменять режимы нагружения.
Необходимым элементом любой измерительной системы является датчик (тензометрический, пьезоэлектрический, емкостной, индукционный, диэлектрический и др.) преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал. В основе работы датчиков, применяемых для регистрации быстропротекающих процессов, лежат физические принципы, которые можно объединить в три группы [68]: механические; электрические (магнитоэлектрические); оптические (рентгенографические, электронно-оптические). Для определения напряжений и деформаций образцов при динамическом нагружении необходимы специальные безынерционные приборы. При динамических испытаниях широкое распространение получил электрический способ определения усилий и деформаций, использующий схему: датчик (первичный преобразователь) – усилитель (промежуточный преобразователь) – осциллограф (измерительный прибор) [4, 63]. Основными элементами измерительных устройств, работающих по этому принципу, являются электрические тензодатчики сопротивления (тензорезисторы), преобразующие неэлектрические измеряемые величины в электрические – изменения сопротивления. Основное уравнение тензорезистивного эффекта имеет вид:
Развитие модификации метода Кольского для исследования свойств материалов в условиях пассивного ограничения радиальной деформации
Динамические испытания бетона при сжатии и растяжении показали, что при возрастании скорости деформации (или уменьшении времени нагружения) происходит увеличение прочности этого материала. Главным критерием, определяющим поведение бетона при динамическом нагружении, служит коэффициент динамического упрочнения, сокр. КДУ (в зарубежной литературе Dynamic Increase Factor, сокр. DIF), т. е. отношение прочности бетона при динамическом нагружении к его статической прочности. Критерием, оценивающим длительность сопротивления бетона перегрузке (по сравнению со статической прочностью) служит время задержки разрушения. В качестве критериев поведения бетона при ударе принимаются: количество работы, затраченное на появление первой трещины или на разрушение всего материала (энергетическая характеристика); - динамический предел прочности, при котором появляется местное разрушение;
В работе [4] приведены результаты испытаний более 500 образцов различных бетонов на сжатие. Бетоны испытывали при естественной влажности (после выдержки в течение нескольких суток на воздухе) и нормальной температуре - около 20С. Результаты опытов представлены на рис. 1.18. Эти результаты показывают, что при уменьшении времени нагружения, т. е. при увеличении скорости деформации происходит упрочнение бетона и при минимальном времени нагружения 0,001 с в этих экспериментах КДУ приближается к двум.
На рис. 1.19 [107] в виде графика зависимости КДУ от скорости деформации показаны сводные результаты испытаний различных бетонов на сжатие, проведенных некоторыми исследователями (работы [93, 94, 97, 99, 119, 128, 131, 132, 133, 144, 145, 147, 148, 154, 156, 157, 169, 170, 174, 175, 181, 192, 200, 209, 210, 213, 214, 215, 216, 225, 228, 229, 231]). Описание использованных в этих экспериментах испытательных установок, геометрические размеры, форма, максимальный размер заполнителя, водоцементное отношение испытанных образцов, их возраст, статическая прочность, условия твердения, КДУ, а также скорость деформации при испытаниях и другая более подробная информация об экспериментах приводится в обзорной работе [107]. На рис. 1.19 также показаны графики аналитических зависимостей КДУ от скорости деформации, предложенные Европейским Международным Комитетом по Бетону, сокр. ЕМКБ (Comit Euro-International du Bton, сокр. СЕВ), в [123] для описания поведения бетонов при динамическом сжатии со статическими прочностями 20 МПа и 50 МПа. Рис. 1.18. Зависимость КДУ от времени нагружения при испытаниях бетонов на сжатие [4]
Величины КДУ в зависимости от скорости деформации, полученные некоторыми исследователями при испытаниях различных бетонов на сжатие [107] Видно, что при скорости деформации приблизительно 10 с-1 прочность бетона при сжатии может в два раза превосходить его статическую прочность. Однако существует разброс результатов испытаний, который увеличивается с ростом скорости деформации. Этот разброс может происходить из-за нескольких причин [107, 162]: применения различных методов испытаний; применения образцов с различными геометрическими размерами и формой; применения образцов, изготовленных из разных материалов с различными пропорциями компонентов (например, гранулометрический состав заполнителя, водоцементное отношение и т. д.) и с разными статическими прочностями; применения образцов, выдержанных в разных влажностных условиях и испытанных в разном возрасте; определения статической прочности при различной статической скорости деформации; инерционные эффекты и эффекты трения.
Более поздние результаты исследований поведения бетонов (работы [142, 162, 223, 224, 237]) совместно с данными, приведенными на рис. 1.19, показаны на рис. 1.20 [234]. Видно, что при максимально достигнутой скорости деформации 1700 с-1 значение КДУ приближается к четырем.
На основе результатов многочисленных испытаний различных бетонов на сжатие было показано, что влияние скорости деформации на КДУ становится значительным, когда скорость деформации выше определенной критической величины, которая по-разному оценивается разным исследователями [162, 163, 234].
В работе [4] описаны результаты испытаний на растяжение при раскалывании бетонных цилиндров и кубов. Образцы были изготовлены из бетона на гранитном щебне. Зависимость КДУ бетона при растяжении от времени нагружения по результатам этих опытов (рис. 1.21) близка к зависимости, полученной этими же исследователями при испытаниях на сжатие (рис. 1.18). Однако значение КДУ при растяжении несколько меньше. Рис. 1.21. Зависимость КДУ от времени нагружения при испытаниях бетонов на растяжение при раскалывании [4]
На рис. 1.22 [173] в виде графика зависимости КДУ от скорости деформации показаны результаты испытаний бетона на растяжение, проведенные некоторыми исследователями в диапазоне скоростей деформации до 200 с-1 (работы [95, 105, 128, 150, 152, 161, 177, 178, 203, 204, 205, 206, 207, 217, 220, 221, 222, 226]). На этом рисунке также показаны графики аналитических зависимостей КДУ от скорости деформации, предложенные авторами [173] для описания поведения при динамическом растяжении бетонов со статическими прочностями при сжатии 30 МПа и 70 МПа. Видно, что значение КДУ для бетонов при растяжении несколько больше, чем при сжатии и при скорости деформации 102 с-1 приближается к семи. Описание примененных методов испытаний, геометрические размеры и форма образцов, их статическая прочность, КДУ, скорость деформации при этих испытаниях, а также другую подробную информацию об экспериментах этих исследователей можно найти в обзорной работе [173].
Результаты динамических испытаний на растяжение
Как показано в [4] изменение свойств бетона в зависимости от времени или скорости нагружения определяется его структурой и зависит от следующих факторов: - свойств применяемых материалов; - особенностей структуры бетона, в первую очередь от расположения и объема, занимаемого отдельными составляющими, количества и качества дефектов, особенностей контактной зоны между цементным камнем и заполнителем; - содержания и распределения жидкой фазы и др.
Наилучшим сопротивлением динамическому воздействию обладают бетоны с небольшим количеством дефектов, высокой плотностью и однородностью, хорошим сцеплением между заполнителем и цементным камнем, повышенным отношением статической прочности на растяжение к статической прочности на сжатие Rp/RCЖ и пластичностью. Качественное влияние некоторых факторов на КДУ бетонов описано в табл. 1.1 [4].
Влияние марки бетона, заполнителя, условий твердения, влажности и возраста на динамическую прочность при сжатии рассматривалось в обзорной работе [107] на основе результатов многочисленных исследований. Был отмечен разброс и противоречивость результатов и сделаны выводы, что только марка (класс) бетона (или статическая прочность на сжатие) оказывает значительное влияние на КДУ. Влияние других факторов было оценено как второстепенное и нестабильное. В рекомендациях ЕМКБ [123, 124] было принято, что бетоны с более низкой статической прочностью на сжатие при динамическом нагружении проявляют большее относительное увеличение прочности как при сжатии, так и при растяжении. Влияние марки бетона на его динамическую прочность количественно проиллюстрировано на рис. 1.28, который показывает, что при одинаковой скорости нагружения с увеличением марки бетона КДУ незначительно понижается [4].
Влияние заполнителя на динамическое поведение бетонов исследовалось в работах [17, 41, 159]. Так в [41] описаны результаты испытаний шести партий бетонов, Рис. 1.28. Зависимости КДУ от отличающихся друг от друга крупностью заполнителя. Для скорости нагружения для партии 1 применялся щебень с размером фракций 2,5 – 7 мм бетонов разных марок [4] и песок с размером фракций 1,0 мм; для партий 2, 3, 4, 5, 6 применялся песок с размером фракций 2,5 мм, 0,63 мм, 0,4 мм, 0,315 мм и 0,2 мм соответственно. Эксперименты, проведенные с помощью метода Кольского, показали, что с ростом крупности заполнителя прочность бетона при одной и той же скорости деформации растет (исключение составляет только фракция 0,2) и наклон на графике зависимостей разрушающее напряжение – скорость деформирования у всех линий примерно одинаков (рис. 1.29).
В статье [17] рассматривалось влияние шероховатости поверхности заполнителя. Авторы этой работы провели испытания на одноосное сжатие, сжатие в обойме и растяжение при раскалывании двух партий мелкозернистых бетонов с помощью метода Кольского и его модификаций. Образцы партии № 1 были изготовлены с заполнителем – песком из гранитного щебня (более шероховатая поверхность), а образцы партии № 2 – песком из гравия (более окатанная поверхность). Размер частиц заполнителя в обеих партиях был примерно одинаков (D=1,25 – 2,5 мм). Статическая прочность при сжатии образцов из бетона первой партии была 40 МПа, а образцов из бетона второй партии – 33,8 МПа. В результате проведенных испытаний были сделаны выводы, что применение заполнителя, обладающего более шероховатой поверхностью, позволяет повысить динамический предел прочности до 30% на сжатие и до 15% на растяжение (рис. 1.31). Этот эффект является следствием образования более качественного контакта заполнителя с цементным камнем. 250
Для количественного определения влияния влажности на динамическую прочность в работе [4] описаны результаты испытаний образцов из бетона. Часть образцов до момента испытания хранили в воде, другую часть перед испытанием высушивали в течение двух суток при температуре около 100С. Большое количество влаги в водонасыщенных образцах вызвало заметное снижение статической прочности бетона, и, наоборот, повысило его прочность при динамическом нагружении (рис. 1.32). Две кривые на рис. 1.32 пересекаются в точке, в которой прочность сухого и водонасыщенного бетона одинакова. В этой критической точке разупрочняющее и упрочняющее действие влаги нейтрализуют друг друга. При дальнейшем увеличении скорости нагружения (за точкой) наступит момент, когда влага уже не будет успевать проникать в микротрещины и не сможет ускорить деформирование и разрушение образца. На рис. 1.33 приводятся кривые КДУ от времени нагружения для бетонов разной степени влажности. Хорошо видно большое влияние влажности на динамическую прочность и КДУ.
Методика идентификации параметров моделей 5 и 14
Испытания на ударную вязкость 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. Поэтому, чтобы менять амплитуду нагружающего импульса, в испытаниях варьировалась скорость ударника, а чтобы менять еще и длительность нагружающего импульса при испытаниях на установке РСГ-20 использовались ударники, изготовленные из разных материалов и имеющие разную длину (алюминиевый сплав Д16Т и винипласт, длиной 100 мм, 250 мм и 240 мм). Как известно, длительность нагружающего импульса определяется временем двойного пробега упругой волны по телу ударника, т. е. отношением двух длин ударника к скорости этой волны. Поэтому при испытаниях на установке РСГ-20 при длинах ударников, изготовленных из алюминиевого сплава Д16Т, 100 мм и 250 мм, длительность ti нагружающего импульса составляла приблизительно 40мкс и 100 мкс соответственно. При длине винипластового ударника 240 мм, длительность ti нагружающего импульса равнялась 300 мкс.
Вследствие большой хрупкости и малой вязкости испытываемого материала, при самых минимальных, которые можно реализовать на имеющихся установках, амплитудах нагружающих импульсов разной длительности зарождалась трещина. При бльших амплитудах нагружающей волны появлялись значительные прогибы образца, и происходило его разрушение на две части. На рис. 3.42 показан внешний вид образцов после испытаний на установке РСГ-20: образца с зародившейся трещиной и практически разрушенного на две части образца.
Поскольку площадь контакта нагружающего стержня (клина) и образца мала, большая часть падающей волны отражается обратно и распространяется волной растяжения до ударяемого торца нагружающего мерного стержня, вновь отражается от этого свободного торца волной сжатия, снова достигает клина и образца, нагружая его, большая часть волны снова отражается и т.д. Таким образом, процесс нагружения образца состоит из множества циклов с постепенно убывающей амплитудой. Для примера на рис. 3.43 показаны импульсы деформации нагружающего стержня в 1 – ом и 5 – ом циклах нагружения при испытаниях на установке РСГ-20. Регистрация импульсов в нагружающем стержне позволила установить, что амплитуда 5 – го цикла нагружения упала по сравнению с амплитудой первого цикла только приблизительно на 30%.
Прогиб образца за один цикл нагружения определяется на основании импульсов деформации, зарегистрированных в мерных стержнях, по формуле (2.43). В экспериментах эта величина оказалась намного меньше, чем прогиб образца, измеренный после испытаний. Например, при испытании образца с сильно раскрывшейся трещиной на установке РСГ-20 его прогиб за один цикл нагружения, рассчитанный по формуле составил 1 мм, а измеренный после испытания прогиб составил 17 мм. Это происходит из - за многократности нагружения образца с постепенно убывающей амплитудой. К сожалению, зарегистрировать все циклы нагружения очень сложно вследствие недостаточной длины мерных стержней.
В процессе испытания регистрируются падающий \t) и отраженный \t) импульсы в нагружающем стержне, а также прошедшие через образец импульсы в двух опорных стержнях sl(t) и 4(). После обработки этих импульсов в соответствии с методикой Кольского можно получить зависимости от времени усилия, действующего на образец в процессе нагружения, по импульсам в нагружающем стержне P1(t) = EA(sJ(t) + sR(t)) или на основании прошедших импульсов P2(t) = EA(sl(t) + sT2(t)) . В этих формулах Е и А - соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения нагружающего или одного из двух опорных стержней. Для примера на рис. 3.44 приведены графики изменения во времени усилия, действующего на образец и рассчитанного по этим двум разным формулам (для испытания на установке РСГ -20). Видно, что более надежный результат при определении разрушающих усилий, действующих на образец, дает вторая зависимость (по сумме прошедших импульсов).
Результаты испытаний фибробетона на ударную вязкость на установке РСГ-20 показаны на рис. 3.45. На рис. 3.45 а, в, д в логарифмическом масштабе приведены значения вычисленных работы удара KU, ударной вязкости KCU и прогиба образца в зависимости от ма ксимального усилия. На рис. 3.45 б, г, е приведены значения этих же величин от скорости роста усилия в логарифмическом масштабе скоростей роста усилий. Скорость роста усилия F = — определялась следующим образом. Выделялся практически линейный участок графика dt усилие - время и производилась аппроксимация экспериментальной кривой линейной функцией. Угловой коэффициент аппроксимирующей прямой и принимался за среднюю скорость роста усилий. Хотя имеется небольшой разброс результатов из приведенных данных видно, что при увеличении величины и скорости роста прилагаемой нагрузки возрастает затраченная за цикл нагружения работа, причем работа удара, ударная вязкость и прогиб образца в зависимости от максимального усилия изменяется по закону, близкому к линейному. Затраченная работа практически одинакова при разной длительности нагружающего импульса.
Результаты испытаний фибробетона на ударную вязкость на установке РСГ-60 показаны на рис. 3.46. На этом рисунке приведены характерные временны/е графики изменения силы, действующей на образец, и его прогиба, а также зависимости вычисленных значений работы удара KU, ударной вязкости KCU и предельного прогиба образца от максимального усилия в логарифмическом масштабе максимальных усилий.
Для оценки стойкости фибробетона к удару были выполнены эксперименты по внедрению с мишенями в виде дисков диаметром 100 мм и толщиной 20 мм. В качестве ударника использовался стальной цилиндр, который разгонялся в поддоне газовой пушкой калибра 20 мм с затвором диафрагменного типа. В качестве рабочего газа использовался воздух и гелий. Вид лицевой и тыльной поверхности мишени после пробития показан на рис. 3.48. Можно отметить, что образцы фибробетона после экспериментов сохраняли сплошность, в то время как образцы мелкозернистого бетона в подобных экспериментах полностью разрушались на крупные и мелкие куски. Кинограмма процесса пробития фибробетона при скорости ударника 337 м/с показана на рис. 3.49. Построенные зависимости изменения во времени расстояния от заднего торца ударника до мишени, перемещения заднего торца ударника от времени и его средней скорости, полученные после обработки фотографий, приведены на рис. 3.50.
