Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов оценки прочностных характеристик цементобетонных аэродромных покрытий и их связь с параметрами трещинообразования и разрушения 13
1.1 Факторы, влияющие на образование дефектов и технико-эксплуатационное состояние цементобетонных аэродромных покрытий 13
1.2 Анализ методов определения параметров трещинообразования и разрушения цементобетонных аэродромных покрытий 24
1.3 Методы оценки прочностных характеристик цементобетонных аэродромных покрытий и их связь с остаточным ресурсом 30
1.4 Метод акустической эмиссии при оценке прочностных характеристик аэродромных покрытий и его преимущества при измерении параметров, важных для определения остаточного ресурса 41
1.5 Выводы по главе 1 48
2 Моделирование процессов распространения упругих волн акустической эмиссии в цементобетонных конструкциях при их нагружении 49
2.1 Постановка задачи 49
2.2 Физико-математическая модель распространения упругих волн в цементобетонном материале 50
2.3 Математическая модель затухания упругих волн, вызванных акустической эмиссией, при распространении их в цементобетон-ных конструкциях, представленных комплексными числами 54
2.4 Графические зависимости влияния свойств цементобетонного материала покрытия на характеристики распространения упругих волн акустической эмиссии 60
2.5 Выводы по главе 2.
3 Экспериментальные исследования усталостной прочности цементобетона 66
3.1 Цель и программа экспериментальных исследований 66
3.2 Методика экспериментальных исследований 67
3.3 Экспериментальная лабораторная установка 70
3.4 Проведение испытаний и анализ результатов
3.4.1. Испытание опытных образцов статической нагрузкой 81
3.4.2. Усталостные испытания цементобетонных образцов
3.5 Анализ связи образования дефектов в цементобетонном материале покрытия с изменением акусто-эмиссионных параметров 110
3.6 Выводы по главе 3 113
4 Методика оценки остаточного ресурса цементобетонных аэродромных покрытий и рекомендации по ее использованию для неразрушающего контроля их эксплуатационного состояния 114
4.1 Натурные исследования влияния состояния цементобетонных аэродромных покрытий на акустическую эмиссию, возникающую в них при нагружении 114
4.2 Методика оценки остаточного ресурса цементобетонных аэродромных покрытий акусто-эмиссионным откликом и рекомендации по ее применению на различных этапах их жизненного цикла 123
4.3 Перспектива развития метода акусто-эмиссионного отклика для получения объективных данных о эксплуатационном состоянии искусственных оснований аэродромных покрытий 133
4.4 Выводы по главе 4 142
Заключение 143
Список литературы .
- Методы оценки прочностных характеристик цементобетонных аэродромных покрытий и их связь с остаточным ресурсом
- Метод акустической эмиссии при оценке прочностных характеристик аэродромных покрытий и его преимущества при измерении параметров, важных для определения остаточного ресурса
- Математическая модель затухания упругих волн, вызванных акустической эмиссией, при распространении их в цементобетон-ных конструкциях, представленных комплексными числами
- Методика оценки остаточного ресурса цементобетонных аэродромных покрытий акусто-эмиссионным откликом и рекомендации по ее применению на различных этапах их жизненного цикла
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие авиации способствовало совершенствованию теории и практики посадочных систем воздушных судов, сопровождающиеся повышением давления в пневматиках колес. Взлетно-посадочные операции воздушных судов (ВС) совершаются с искусственных взлетно-посадочных полос (ИВПП) летного поля, которые являются одним из наиболее важных элементов аэродрома и должны, прежде всего, соответствовать тактико-техническим характеристикам авиационной техники, так как их состояние влияет на техническое состояние и несущую способность всего аэродрома.
Возникновение в покрытиях циклических, многократно повторяющихся знакопостоянных и знакопеременных напряжений при воздействии нагрузок от взлетно-посадочных операций приводит со временем к их разрушению.
В настоящее время в основном используются бетонные аэродромные покрытия, обладающие всеми необходимыми свойствами, тем не менее их многолетняя эксплуатация показала неодназначность природы их разрушения. Так, с позиции механики, не разработана точная теория деформирования и разрушения бетона, подвергаемого многоцикловым нагружениям, учитывающая реальные физические процессы изменения внутренней структуры материала; не определены четкие критерии, позволяющие говорить о возможном наступлении полного разрушения при различных видах силового нагружения. Это связано в первую очередь со сложностью структуры бетона, представляющей многокомпонентную конгломерацию составляющих, находящихся во взаимодействии друг с другом системой микротрещин и трещин.
Большой вклад в изучение процессов разрушения бетона внесли И.И. Ах-вердов, О.Я. Берг, Ю.М. Баженов, Ю.В. Зайцев, Г.Я. Почтовик, Н.В. Смирнов, Ф. Ансари, К.Н. Друкер, Т. Пауэрс, В. Рамачандра, C. Чандра.
Как было показано исследованиями, разрушение материала всегда связано с накоплением повреждений структуры бетона на этапах жизненного цикла и связано с поглощением энергии деформации и последующим выделением ее в виде трещин. Процесс накопления дефектов длителен и составляет годы, тогда как образование трещин происходит лавинообразно. Процесс появления трещин сопровождается различными физическими явлениями, так, известно, что началу процесса разрушения предшествует появление акустической эмиссии и после многократного нагружения на поверхности бетона наблюдается появление интенсивно развивающихся магистральных трещин. Это разрушение бетона может регистрироваться различными методами, которые являются весьма чувствительными к указанного рода процессам, отражающим изменение физико-механических характеристик бетона. Изменение скоростей продольных и сдвиговых звуковых и ультразвуковых волн, приводит к вариациям амплитудно-частотных свойств генерируемой акустической эмиссии. Высокая чувствительность акустических методов к процессам деградации бетона позволяет исследовать изменение его свойств при различных видах нагружения с достаточной для практических целей точностью и достоверностью.
Совокупность этих методов составляет сердцевину неразрушающего контроля
и среди всех методов применяема ультразвуковая импульсная методика, основанная на определении затухания и времени прохождения ультразвука в материале, а также метод акустической эмиссии и спектрального анализа сигналов.
Наиболее существенные работы в этой области, применительно к бетону, были выполнены В.А. Грешниковым, Ю.Б. Дроботом, Н.С. Кузнецовым, В.Г. Липником, М.Д. Мосесовым, Г.Я. Почтовиком, Н.Л. Темником.
Исследование разрушения бетона наряду с механическими и статическими методами позволяет представить процесс разрушения лонгитюдным во времени и базирующемся на реальном физическом явлении развития трещинообразования. Исследования прочности и долговечности бетона основанные на изучении процессов дефектообразования структуры бетона с перерастанием в разрушение и подтвердившие явление роста и развития трещин в бетонах были проведены еще в начале двадцатого века. Также было замечено, что величина модуля упругости и коэффициента Пуассона меняется под нагрузкой. В своих работах О.Я. Берг установил, что при одноосном сжатии разрушение бетонов начинается с появлением и укрупнением микротрещин. В 1952 году Р.Джонс впервые выдвинул теорию о двухстадийном разрушении бетона, используя в исследованиях ультразвуковую аппаратуру, он обнаружил значительное увеличение скорости прохождения поперечных ультразвуковых волн с ростом нагрузки. Дальнейшие исследования, выполненные в 1962 году Г.Я. Почтовиком, позволили вести речь о трехстадийном разрушении бетона при испытании образцов любой формы. Используя ультразвуковой метод, они обнаружили увеличение скорости прохождения продольных ультразвуковых волн в области начальной стадии процесса разрушения бетона. Р. Лермит, сравнивая осциллограмму акустических сигналов с зависимостями скорости прохождения ультразвуковых волн и величиной коэффициента Пуассона от напряжений сжатия, показал, что разрушению предшествует процесс накопления внутренних неоднородностей, причем звукорегистрирующая аппаратура подтверждала наличие микротрещин на уровнях недоступных для восприятия микроскопа. Ю.В. Зайцев и Г.Я. Почтовик в своих работах в период 60-х 70-х годов доказали, что процесс разрушения в бетонах начинается с момента приложения внешней нагрузки и наблюдается на субмикроуровне, а по мере накопления микротрещин подымается в микроуровень, с последующим переходом в мезоуровень. Образование трещин сопровождается выделением упругой энергии работы бетонных образцов, выделившуюся в виде акустической эмиссии.
Описание процессов разрушения возникающих при лабораторных испытаниях не позволяют достаточно надежно оценить совокупность взаимодействия формируемых в бетоне трещин с физико-механическими характеристиками материала: модулем упругости, сдвига, прочности на сжатие и растяжение и зависит от различных факторов включающих температурно-влажностные воздействия, которые значительно изменяют физико-механические характеристики материала.
Автором был поставлен вопрос об оценке развития внутренней поврежден-ности и ее влияния на эксплуатационные характеристики конструкционных материалов аэродромных покрытий. В основе лежит физико-математическая модель повреждаемости аэродромного покрытия с разработкой практических методов идентификации дефектов и определения остаточного ресурса его жизненного
цикла. Развитие механики повреждений, являющимся новым направлением механики деформируемого твердого тела, исследователями предложены различные модели образования дефектов при различных условиях нагружения. Тем не менее, наличие противоречий, связанных с процессом зарождения трещины и обоснованием критериев разрушения, ставит вопрос определения напряженно-деформированного состояния цементобетонных аэродромных покрытий на различных этапах их жизненного цикла для определения их надежности и долговечности. В связи с этим, разработка методики определения остаточного ресурса це-ментобетонных аэродромных покрытий, связанного со структурным изменением в бетоне и исследованием общих закономерностей кинетики накопления в них повреждений в условиях многоциклового нагружения становится важным звеном в решении актуальной задачи определения реального эксплуатационного состояния аэродромных одежд.
Весьма эффективным в этом отношении является анализ сигналов акустической эмиссии (АЭ), сопровождающих деформацию и разрушение бетона. Так, отличительной особенностью эффекта акустической эмиссии, позволяющей обнаруживать отличия в акустическом спектре излучения с процессами связанными с изменением структуры материала.
Объект исследования – монолитные цементобетонные аэродромные покрытия в условиях многоцикловых нагружений.
Предмет исследования – сигналы акустической эмиссии, возникающие в материале монолитных цементобетонных аэродромных покрытий при нагружении, эквивалентном многоцикловому воздействию колесных опор воздушных судов.
Целью работы является разработка методики неразрушающего контроля аэродромных покрытий и определения их стадий разрушения при многоцикловом силовом воздействии воздушных судов на основе анализа сигналов акусто-эмиссионного отклика.
Основные задачи работы:
построить физико-математическая модель формирования упругих волн акустической эмиссии при разрушении микроструктуры цементобетонного материала;
разработать математическую модель диссипативных процессов (образования трещин), происходящих при гармоническом возбуждении звуковыми волнами упругих, насыщенных газом пористых сред, заданных комплексными числами;
разработать методику экспериментальных исследований с использованием неразрушающего контроля для определения критериев статической и усталостной прочности цементобетонных образцов при различных режимах нагружения;
разработать методику проведения измерений и определения напряженно-деформированного состояния бетонных образцов с использованием данных акусто-эмиссионного отклика;
разработать методику неразрушающего контроля аэродромных покрытий и определения их стадий разрушения при многоцикловом силовом воздействии воздушных судов на основе анализа сигналов акусто-эмиссионного отклика.
Научная новизна работы:
- построена физико-математическая модель формирования упругих волн аку
стической эмиссии при разрушении микроструктуры цементобетонного материала
на основе математической теории разрывов, позволяющая своевременно определять эксплуатационную пригодность покрытия, при этом впервые цементобетон рассматривался как двухкомпонентная среда;
построена математическая модель диссипативных процессов (образование трещин), происходящих при гармоническом возбуждении звуковыми волнами упругих, насыщенных газом пористых сред, заданных комплексными числами. Модель позволяет с более высокой точностью прогнозировать трещиностойкость бетонных материалов;
разработана методика экспериментальных исследований критериев прочности цементобетона с использованием неразрушающего контроля, которая позволяет находить статическую и усталостную прочность цементобетонных образцов при различных режимах нагружения;
предложена методика проведения измерений и определения напряженно-деформированного состояния цементобетонных образцов с использованием данных акусто-эмиссионного отклика;
впервые разработана методика определения остаточного ресурса монолитных цементобетонных аэродромных покрытий методом акустической эмиссии.
Достоверность полученных результатов подтверждается соблюдением принципов математического и физического моделирования, теории волновых процессов, теории упругости, достаточным объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, определяющих связи между эксплуатационными свойствами материала монолитного цементобетонного аэродромного покрытия и изменением характеристик сигналов акустической эмиссии, адекватностью расчетных и экспериментальных данных. Основные положения представленной работы согласуются с результатами исследований других авторов.
Теоретическая значимость заключается в разработке физико-
математических моделей формирования и распространения упругих волн акустической эмиссии в микроструктуре цементобетонного материала, позволяющих прогнозировать процесс его разрушения. Установлена связь между характеристиками распространения упругих волн и физико-механическими свойствами среды распространения. Выведены зависимости скорости распространения, коэффициента затухания и логарифмического декремента колебаний звуковых волн от таких характеристик бетона, как коэффициент Пуассона, модуль Юнга, пористость, плотность материала.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики определения остаточного ресурса монолитных цементобетонных аэродромных покрытий на различных этапах жизненного цикла методом акустической эмиссии и рекомендаций по ее практическому применению, которые могут быть использованы при неразрушающей диагностике технико-эксплуатационного состояния жестких покрытий аэродромов, при обследовании аэродромов в ходе их реконструкции и капитального ремонта. Положения диссертации могут быть также использованы в научно-исследовательских институтах, проектных и конструкторских организациях, занимающихся диагностикой материалов, в частности цементобе-тонных образцов, исследованием возникновения и распространения звуковых полей, акустических волн.
На защиту выносятся:
- физико-математическая модель формирования упругих волн акустической эмиссии при разрушении микроструктуры цементобетонного материала с использованием математической теории разрывов;
- математическая модель диссипативных процессов (образования трещин),
происходящих при гармоническом возбуждении звуковыми волнами упругих, на
сыщенных газом пористых сред, заданных комплексными числами;
- методика экспериментальных исследований с использованием неразру-
шающего контроля статической и усталостной прочности цементобетонных об
разцов при различных режимах нагружения;
- методика проведения измерений и определения напряженно-
деформированного состояния бетонных образцов на основе данных акусто-
эмиссионного отклика;
методика определения остаточного ресурса монолитных цементобетонных аэродромных покрытий методом акустической эмиссии;
алгоритм и методические указания по практическому применению данной методики для контроля эксплуатационного состояния натурных объектов.
Методы исследования.
Экспериментальные исследования проводились с применением механических испытаний, метода акустической эмиссии, метода восстановления параметров АЭ, метода измерения модуля упругости при нагружении и разгрузке. При обработке данных использовался регрессионный анализ и модули вычислительных программ. Теоретическое моделирование проводилось на основе фундаментальных представлений теории волновых процессов, теории упругости и пластичности, с использованием методов решения дифференциальных уравнений.
Внедрение (реализация) научных результатов диссертации. Основные результаты исследований реализованы в отчетных материалах по научно-исследовательским работам 2 категории шифр «Акустика» по заказу инженерно-аэродромной службы ГК ВВС, научно-исследовательским работам 3 категории шифры «Импульс», «Спектр», «Структура» и учебном процессе кафедры инженерно-аэродромного обеспечения Военно-воздушной академии имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (г. Воронеж) по дисциплине «Метрология, стандартизация, сертификация и контроль качества». Также результаты диссертационных исследований внедрены в технический регламент ЗАО «Лискинский газосиликат» и ОАО «ПК КПД-2».
Апробация работы.
Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на: V всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, Казанский государственный технический университет имени А.Н. Туполева, 2010); Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, ВАИУ, 2011); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инновационных систем информатизации и безопасности» (Воронеж, ВИВТ, 2014); Международных научно-практических конференциях «Комплексные проблемы техносферной безопасности» (Воронеж, ВГТУ, 2014, 2015); Всероссийской
научной конференции «Градостроительство, инфраструктура, коммуникации» (Воронеж, ВГАСУ, 2014); Всероссийских научно-практических конференциях «Академические Жуковские чтения» (Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014, 2015), Межвузовских научно-практических конференциях (Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2013, 2014, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных статей общим объёмом 124 страница, из них лично автору принадлежит 70 страниц. Три работы опубликованы в изданиях, включённых в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации: «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова» и «Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».
Объем и структура диссертации. Работа общим объёмом 158 страниц машинописного текста состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 132 наименований и одного приложения. В текст диссертации включены 8 таблиц и 87 рисунков.
Методы оценки прочностных характеристик цементобетонных аэродромных покрытий и их связь с остаточным ресурсом
В процессе эксплуатации любое аэродромное покрытие находится под воздействием эксплуатационных факторов, связанных с базированием самолетов, климатических и гидрогеологических факторов [130]. Особенностью искусственных покрытий аэродромов следует считать относительно большую площадь их контакта с грунтом оснований, небольшое заглубление в деятельный грунтовый слой и совершенно открытую поверхность. Это надо иметь в виду при оценке влияния на работу покрытий каждого из указанных факторов. Правильный учет воздействия всех этих факторов при проектировании и во время эксплуатации покрытий имеет важное значение в обеспечении заданной им долговечности при минимальных затратах сил и средств на возведение и эксплуатационное содержание.
При анализе влияния эксплуатационных факторов на работу искусственных покрытий необходимо учитывать интенсивное воздействие статических и динамических самолетных нагрузок, потока газов и высокой температуры от работающих двигателей.
Нагрузки и воздействия, влияющие на напряженно-деформированное состояние, долговечность, ремонтопригодность аэродромных одежд можно классифицировать по физической природе их происхождения: природно - климатические и гидрогеологические, производственно-технологические, механические, техногенные (эксплуатационно-технологические), аварийные и особые.
Влияние природно-климатических факторов среды и гидрогеологические условия размещения аэродрома относятся к категории не силовых воздействий, которые оказывают влияние на работу покрытий, начиная с первого дня строительства и в течение всего жизненного цикла. Эти виды воздействий имеют высокую степень неопределенности и практически не классифицируются в нормативных документах и научно-технической литературе, поэтому учет влияния природных факторов следует производить индивидуально для каждого конкретного аэродрома.
Отличительной особенностью природно-климатических воздействий является то, что они оказывают непосредственное влияние как на качественные показатели конструкционных материалов, вызывая их старение и изменение физико механических характеристик, так и на напряженно-деформированное состояние элементов покрытия. Сезонные колебания температуры и влажности внешней среды обуславливают изменение свойств материалов и формирование в конструкции покрытия соответствующих деформаций и напряжений, которые являются причиной разрушения строительных конструкций и выхода из строя, что требует проведения ремонтно-восстановительных работ. Ряд исследований в этом направлении выполнены Л. И. Горецким [25, 26], хотя принятые им предпосылки и допущения при изучении теплофизических и физико-механических процессов не в полной мере отражают реальные физические явления, происходящие в элементах покрытия. Следует отметить, что аэродромные покрытия имеют незначительную толщину по сравнению с линейными размерами, поэтому частотный спектр температурных и влажностных воздействий внешней среды в полном объеме сказывается на характере их деформирования.
Опыт эксплуатации аэродромных покрытий в различных климатических зонах свидетельствует, что природно-климатические воздействия оказывают наибольшее влияние на сроки их службы. Температурно-влажностные процессы, происходящие во внешней среде, определяют характер деформирования непосредственно верхнего строения аэродромной одежды и возникающие разрушения. Отрицательное воздействие природных факторов на искусственные покрытия может проявляться в виде: переувлажнения основания, а значит, и снижения их несущей способности; пучения подстилающих грунтов, температурных деформаций и эрозии покрытий; коррозионного разрушения конструктивных слоев покрытий минерализованными грунтовыми водами и др.
К сожалению, в нормах проектирования природно-климатические воздействия учитываются косвенно с помощью коэффициентов условий работы конструкций, что не позволяет количественно проанализировать влияние этих воздействий на эксплуатационно-техническое состояние элементов покрытия.
Производственно-технические нагрузки и воздействия определяются в основном технологией производства строительно-монтажных работ, связанных с устройством грунтового корыта, искусственного основания, непосредственно по 16 крытия, герметизации швов мастиками и т.д. Эти нагрузки имеют крайне низкую степень определенности. Их учет производится условно с помощью некоторых коэффициентов, хотя их значимость достаточна высока, так как на стадии строительства закладываются основные эксплуатационные показатели будущего аэродрома. Нарушение технологических процессов в будущем проявляется в виде дефектов, повреждений и снижения эксплуатационных показателей аэродромных покрытий.
Механические нагрузки – обусловлены непосредственным воздействием на покрытие шасси воздушных судов. Они представлены вертикальными (взлет, посадка, руление и стоянка) и горизонтальными (торможением) нагрузками. Механические нагрузки имеют высокую степень определенности и являются основными исходными параметрами при проектировании аэродромных покрытий.
Аэродромные покрытия в процессе эксплуатации должны выдерживать без разрушения следующий комплекс силовых воздействий, влияющих на напряженно-деформированное состояние их конструктивных элементов:
Во-первых, нагрузки, формирующиеся при взлете, посадке, рулении и стоянке летательных аппаратов. Эти статические расчетные нагрузки соответствуют полному взлетному весу самолетов расчетного типа. Для большинства современных самолетов расчетная нагрузка на покрытие передается при помощи трехточечного шасси, состоящего из двух главных и одной носовой опоры, основная часть нагрузки (80-90%) равномерно распределена на две главные опоры, а на носовую опору приходится оставшиеся часть нагрузки. Помимо вертикальных сил, на покрытия аэродромов действуют и горизонтальные силы, возникающие от ударов колес при накатывании на неровности и от трения пневматических шин при торможении самолетов. При торможении возникает сила трения, которая начинает раскрутку колес и продолжает ее до тех пор, пока окружная скорость колес не сравняется с поступательной скоростью движения воздушного судна. Сила трения-скольжения, а затем трения-качения приложены к нижней части обжатого пневматика в направлении, обратном движению воздушного судна. Противоположная ей (сила-реакции), представляющая собой горизонтальную продольную нагрузку, вызывающую истирание верхнего слоя покрытия, и, кроме того, сдвиг плит цементобетонных покрытий.
Во-вторых, динамические воздействия, обусловленные нерасчетными условиями посадки, приводят к ударам и формированию локальных разрушений. При рулении, а также в начале разбега и на конечном этапе пробега, когда подъемная сила незначительна, возникают колебательные движения воздушных судов, создающие инерционные нагрузки на покрытие. Они вызывают колебания (сотрясения) покрытий и грунтов оснований. Именно вибрация покрытия является одной из причин появления волосяных трещин, развивающихся в последующем в открытые (видимые) водопроницаемые трещины, что способствует потере устойчивости оснований при их переувлажнении и, как следствие этого, просадке плит. В переувлажненных грунтах, подстилающих покрытия, колебательные явления способны образовать каверны, в которых собирается вода и резко уменьшается несущая способность грунтов оснований. Замеры перегрузок при стоянке самолетов с работающими двигателями показали, что существенного увеличения нагрузок на покрытия не происходит, хотя возникают колебания покрытия и, если основание плохо уплотнено и переувлажнено, появляются просадки, приводящие к неровностям в стыках плит покрытий. В связи с влиянием подъемной силы и различными скоростями движения самолета величины действующих на покрытия нагрузок неодинаковы. На концевых участках ВПП при нормальных посадках динамические нагрузки незначительно превышают статическую, а в ряде случаев бывают даже меньше ее. При движении самолетов в процессе руления, взлетов и посадок, вследствие естественных местных неровностей покрытий (отколов, выбоин, уступов в швах и т.п.) развиваются колебания самолетов, вследствие чего фактические нагрузки на покрытие возрастают. Наибольшие нагрузки на покрытие бывают при движении самолета со скоростью 30-40 км/ч, когда влияние подъемной силы невелико. Величина нагрузки на покрытие во многом зависит также от состояния его поверхности.
Метод акустической эмиссии при оценке прочностных характеристик аэродромных покрытий и его преимущества при измерении параметров, важных для определения остаточного ресурса
В процессе эксплуатации постепенно накапливаются микродефекты, что приводит к зарождению и развитию макротрещин, потере работоспособности и разрушению – наступает предельное состояние прочности и надежности конструкции [25]. Оценку развития внутренней поврежденности и ее влияния на деформационные характеристики композиционных материалов можно определить с помощью построения физико-математических моделей распространения упругих волн при механическом деформировании сред. Ударные волны всегда сопровождаются фазовыми переходами высокой интенсивности и разрушением [73].
Точно описать реальные физические процессы в материалах под действием приложенного к нему импульса давления математически достаточно сложно, поэтому строятся модели, способные более или менее адекватно отражать особенности поведения материала в реализующихся условиях. При этом моделируется процесс деформирования и реологические свойства пористых сред.
Предложена физико-математическая модель процесса прохождения акустических упругих волн, возникающих и развивающихся на различных этапах дефек-тообразования, связанного с особенностями физической структуры и свойств материала. Используя математическую теорию разрывов, получены формулы скоростей распространения акустической упругой волны.
Процесс разрушения бетона и появления трещин сопровождается распространением звуковых волн [61], являющихся высокоэффективным инструментом исследования напряженно-деформированного состояния твердых тел.
Поэтому предложена математическая модель затухания упругих волн акустической эмиссии, вызванных структурными изменениями в подверженных на-гружению цементобетонных конструкциях, физико-механические характеристики которых представлены комплексными числами.
Рассмотрим цементобетонное аэродромное покрытие, которое постоянно подвергается статической и динамической нагрузке при проведении диагностики, при взлете и посадке воздушных судов. В физическом смысле цементобетон представляет собой двухкомпонентную насыщенную газом пористую среду.
Распространение волн в неограниченной насыщенной газом однородной упругой пористой среде описывается системой уравнений [18, 22, 89, 104]: где u (a) - компоненты векторов смещения фаз (упругой и газа); R = mR0 , Q = (1-m)R0 - коэффициенты, зависящие от пористости среды т и сжимаемости газа (воздуха) R0; Л,р - коэффициенты Ламе; р11,р22- эффективные плотности фаз; р12 - динамической коэффициент связи фаз.
К системе уравнений (2.1) применим математическую теорию разрывов. С учетом обозначения R0 =G уравнения затухания продольных и по т перечных волн в разрывах запишем в виде где vt, Уj - координаты единичного вектора, направленного в невозмущенную часть пористой среды; с - скорость движения волновой поверхности; V-a), (а = 1, 2) - компоненты скорости перемещения фаз;.
При переходе через волновую поверхность Х(/) выполняются геометрические и кинематические условия совместности первого порядка где а )") - скачки первых производных скоростей перемещений фаз. В результате применения геометрических и кинематических условий совместности первого порядка и ряда преобразований, система уравнений (2.2) примет вид В двухкомпонентной упругой насыщенной газом пористой среде распространяются два типа продольных волн.
Анализируя выражения (2.8) и (2.11) можно сделать вывод о том, что распространение продольных и поперечной волн учитывает физические характеристики среды. Используя значения коэффициента Пуассона и модуля Юнга для цементобетона, получим скорости распространения волн в цементобетонной пористой среде.
Зависимость, изображенная на рисунке 2.1, показывает, что увеличение пористости на 20% приводит к изменению скорости на малую величину, связанную с изменением упругих свойств среды распространения волн. Тем не менее, используя дифференциальные методы измерения, можно выявить это отличие с достаточной точностью, что позволяет принципиально рассмотреть вопросы динамической связи среды, представленной на рисунке 2.2 и свидетельствующей о влиянии микропор на распространение упругой волны. Это может выражаться не только в изменении скорости ее распространения, а также и в поглощении. Диссипация энергии выражена в компонентном преобразовании волн на границе раздела между упругой и газообразной средой, входящей в состав пор. На рисунках 2.3 и 2.4 показаны зависимости изменения скорости распространения продольной упругой волны в материалах, характерных как для сплошного цементного камня, так и для наполненных газом. Графики имеют более линейную зависимость, что свидетельствует о перераспределении энергии волны на центрах концентрации напряжений или зарождения трещин. Модуль динамической связи изменяется по аналогичному закону за исключением знака процесса, что также является информационным предиктором для определения остаточного ресурса покрытия. 2.3 Математическая модель затухания упругих волн, вызванных акустической эмиссией, при распространении их в цементобетонных конструкциях, представленных комплексными числами
Образование трещин - это пространственный статистический процесс образования дефектов материала с формированием звуковых волн, распространяемых по разным траекториям сплошной среды, часто представленной в виде материала с порами.
Рассмотрим распространение акустических (звуковых) волн в цементобе-тонной конструкции - неограниченной упругой насыщенной газом или жидкостью пористой среде. Физико-механические свойства среды заданы комплексными модулями упругости.
Математическая модель затухания упругих волн, вызванных акустической эмиссией, при распространении их в цементобетон-ных конструкциях, представленных комплексными числами
Основной задачей статических и усталостных испытаний является определение критериальных характеристик механического поведения материалов, которые в дальнейшем можно использовать при расчете прочности и ресурса конструкций с учетом условий эксплуатации.
Целью экспериментальных исследований явилось изучение усталостной прочности бетона при различных режимах нагружения. Программой исследований предусматривалось определение усталостной прочности изгибаемых элементов в области положительных и отрицательных значений коэффициента асимметрии цикла нагружения и установлении закономерностей появления и развития трещин в зависимости от уровня нагружения и количества циклов. Для этого необходимо решить следующие задачи: - разработать методику экспериментальных исследований по определению усталостной прочности цементобетона на основе действующих норм [28]; - разработать методику проведения измерений и определения напряженно-деформированного состояния образцов из цементобетона; - провести испытания бетонных образцов при воздействии статической нагрузки для определения основных физико-механических характеристик испытуемого материала по существующим методикам [93] и на основе требований нормативных документов [28-39]; - определить численные значения величин нагрузок для проведения испытаний на выносливость с учетом результатов статических испытаний; - на основе разработанной методики и требований [28] исследовать усталостную прочность цементобетона при различных режимах нагружения и определить коэффициенты выносливости. 3.2 Методика экспериментальных исследований
Для достижения поставленной цели экспериментальных исследований разработана методика проведения испытаний в соответствии с требованиями [28], на основе которой проводились испытания бетонных образцов на выносливость путем их нагружения многократно повторяющейся нагрузкой, составляющей различные доли от максимальной – разрушающей.
Методика исследования состояла из следующих этапов: - планирование эксперимента, которое включало определение физико механических характеристик используемых материалов, подбор состава тяжелого бетона, определение размеров образцов, планирование количества испытаний. - разработка измерительного комплекса для проведения испытаний; - проведение статических испытаний цементобетона; - проведение усталостных испытаний при различных режимах нагружения и характеристиках цикла; - анализ результатов экспериментальных исследований.
Испытания при циклических нагрузках выдвигает ряд дополнительных требований. Во-первых, требование устойчивости формы трещины, чтобы малые случайные отклонения в геометрии образца и структуры не приводили к значительным необратимым изменениям траектории и контура трещин. Во-вторых методика таких испытаний должна обеспечивать изучение в чистом виде влияние только одного фактора (коэффициента асимметрии цикла нагружения). В результате таких испытаний возможно построение диаграмм усталостного разрушения материала. В третьих, при проведении усталостных испытаний вызывает затруднение фиксирования появления и развития трещины, что указывает на необходимость разработки и совершенствования методики проведения измерений и использования современной измерительной аппаратуры.
Заданные эксплуатационные качества бетона обеспечивались применением исходных материалов, удовлетворяющих требованиям [32, 33, 38, 39]. Подбор состава бетонной смеси, ее приготовление и укладку производили в соответствии с требованиями и рекомендациями [35, 36, 77, 85, 93, 129]. В качестве вяжущего для приготовления бетонной смеси применялся портландцемент марки М500 [34].
В качестве мелкого заполнителя для приготовления тяжелого бетона применялся природный песок из карьера. Зерновой состав песка соответствовал требованиям [31, 36]. Модуль крупности песка Мк 2.4, что соответствует рекомендациям [31, 93]. В качестве крупного заполнителя применялся щебень из природного камня, отвечающий требованиям [41] фракционного состава из таблицы 3.1. Таблица 3.1 Наибольшая крупность заполнителя, мм Содержание фракций в крупном заполнителе,% от 5 до 10 мм свыше 10 до 20 мм свыше 20 до 40 мм 40 20 30 50 Зерновой состав крупного заполнителя (щебня) соответствовал требованиям [41, 93]. Для приготовления бетонной смеси, промывки заполнителей и поливки бетона в процессе твердения применялась питьевая вода [105]. Общий вид цементобетонных образцов представлен на рисунке 3.1. Подбор состава тяжелого бетона проводился с целью установления наиболее рационального соотношения между составляющими бетон материалами и выполнен с учетом требований [36, 37].
Соотношение составляющих материалов (Ц:П:Щ:В) для бетона принято 350:680:1300:170 по массе на 1 м3 бетонной смеси.
При приготовлении бетонной смеси водоцементное отношение составляло 0,5. Удобоукладываемость бетонной смеси 22 сек., осадка конуса составляла 2,5 см. Все компоненты перемешивались в бетоносмесителе принудительного действия в течение 20 мин. Затем в подготовленные формы укладывалась бетонная смесь послойно с уплотнением каждого слоя. Формы изготовлялись согласно требований [33, 55] и смазывались тонким слоем машинного масла для облегчения снятия опалубки. Из каждого замеса, рассчитанного на 4 балки изготовлялись по три контрольных кубика. После бетонирования образцы хранились во влажност-ных условиях при Т=20оС в течение не менее 28 суток.
Основное требование, предъявляемое к испытаниям, состоит в обеспечении стабильности разрушения, что приводит к необходимости использования образцов значительных размеров [37]. Прочность образцов в значительной мере зависит от их размеров, и даже при полном подобии более крупные образцы оказываются менее прочными, чем образцы малых размеров. Это объясняет статистическая теория, согласно которой влияние размеров образца обусловлено присутствием в материалах случайных неоднородностей, из которых самая слабая определяет прочность. Для исключения влияния данного фактора испытания производились на образцах-балках размером 1500x400x200 мм.
Методика оценки остаточного ресурса цементобетонных аэродромных покрытий акусто-эмиссионным откликом и рекомендации по ее применению на различных этапах их жизненного цикла
Акустическая эмиссия представляет собой явление генерации волн напряжений, вызванных внезапной перестройкой в структуре материала. Классическими источниками АЭ является процесс деформирования, связанный с ростом дефектов, например, трещины или зоны пластической деформации. Внезапное движение источника эмиссии вызывает возникновение волн напряжений, которые распространяются в структуре материала и достигают пьезоэлектрического преобразователя. По мере роста напряжений, активизируются многие из имеющихся в материале объекта источников эмиссии. Электрические сигналы эмиссии, полученные в результате преобразования датчиком волн напряжений, усиливаются, регистрируются аппаратурой и подвергаются дальнейшей обработке и интерпритации [1].
Источником акустико-эмиссионной энергии служит поле упругих напряжений в материале, поэтому АЭ контроль обычно проводится путем нагружения контролируемого объекта. Это может быть проверочный контроль перед сдачей объекта в эксплуатацию, контроль изменений нагрузки во время работы, испытания на усталость, ползучесть или комплексное нагружение. Очень часто конструкция нагружается произвольным способом. В этом случае использование АЭ контроля позволяет получать дополнительную ценную информацию о поведении конструкции под действием нагрузки. В других случаях эмиссия используется по причинам экономичности и безопасности, для таких задач разрабатываются специальные процедуры нагружения [56].
Акустическая эмиссия отличается от большинства методов неразрушающе-го контроля (МНК) в двух ключевых аспектах. Во-первых, источником сигнала служит сам материал, а не внешний источник, т.е. метод является пассивным, а не активным, как большинство других методов контроля. Во-вторых, в отличие от других методов АЭ обнаруживает движение дефекта, а не статические неоднородности, связанные с наличием дефектов, т.е. АЭ обнаруживает развивающиеся, а потому наиболее опасные дефекты. Как известно среди МНК не существует ни одного такого метода, который мог бы решить проблему оценки целостности объекта оптимально с учетом таких основных факторов, как получение наиболее низкой себестоимости работ и достижения технической адекватности результатов контроля. Лучшим решением проблемы является применение комбинации различных методов НК. Благодаря тому, что АЭ резко отличается по своим возможностям от традиционных методов контроля, на практике оказывается очень полезным совмещать АЭ с другими методами.
Основное преимущество метода АЭ связано с возможностью проведения неразрушающего контроля всего объекта целиком за один цикл нагружения.
Данный метод является дистанционным, он не требует сканирования поверхности объекта для поиска локальных дефектов. Необходимо просто правильным образом расположить нужное число датчиков и использовать их для осуществления локации источника волн напряжений. Возможности, связанные с дистанционным использованием метода, дают большие преимущества по сравнению с другими методами контроля, которые требуют, например, удаления изоляционных оболочек, освобождения контейнеров контроля от внутреннего содержания или сканирования больших поверхностей.
Типичный пример использования АЭ заключается в определении местоположения дефектных участков, после чего для более точного определения природы дефектов используются другие МНК.
Явление акустической эмиссии наблюдается в широком диапазоне материалов, структур и процессов. Наиболее крупномасштабная АЭ связана с существованием сейсмических волн, в то время как наименьший масштабный уровень эмиссии вызывается дислокационным движением в нагруженных металлически структурах. Между этими двумя видами АЭ существует широкий диапазон масштабов эмиссии, от лабораторных испытаний до промышленного контроля. При лабораторных испытаниях использование АЭ контроля ставит своей целью изучение процессов деформации и разрушения материала. Метод позволяет в реальном времени по сигналам эмиссии наблюдать за поведением материала при на-гружении. Поскольку АЭ отклик зависит от структуры материала и режима деформирования, разные материала при различных способах нагружения в сильной степени отличаются друг от друга по своему акустико-эмиссионному поведению. Существует 2 основных фактора, приводящих к высокой эмиссивности - это хрупкость и гетерогенность материала. Вязкие механизмы разрушения, например, слияние пор в мягких сталях, напротив, приводят к низкой эмиссивности (по энергии и числу сигналов). В целом АЭ контроль может применяться во всех случаях, когда имеют место процессы нагружения, приводящие к постоянному деформированию материалов.
Акустико-эмиссионная аппаратура является чрезвычайно чувствительной к любым видам структурных перемещений в широком частотном диапазоне работы (обычно от 20 кГц до 1200 кГц). Оборудование способно регистрировать не только рост трещин или развитие пластической деформации, но и процессы затвердевания, кристаллизации, трения, ударов, течеобразований и фазовых переходов.
Когда процессы типа ударов, трения, и другие возникают на фоне контроля развития трещин и карбонизации материала покрытия, они становятся источниками нежелательных шумов. Было предложено множество различных технических решений с целью снижения и избавления от этих шумовых помех. Следует заметить, что шумы являются основной преградой на пути широкого использования АЭ в качестве метода контроля. Важной задачей является их исследование и по возможности устранение с целью повышения чувствительности метода.
Волновое смещение представляет собой функцию близкую к ступенчатой. Напряжение, соответствующее смещению, имеет форму импульса, ширина и высота которого зависят от динамики процесса излучения. Импульсы таких источников как микротрещины или разрушение осажденных фракций имеют малую длительность (порядка микросекунд или долей микросекунд). Амплитуда и энергия первоначального импульса АЭ может меняться в широком диапазоне в зависимости от типа источника акустической эмиссии. Зародившаяся волна (импульс) распространяется от источника во всех направлениях, при этом распространение в соответствии с природой источника может носить ярко выраженный характер.