Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы образования, развития, регистрации трещин и оценки трещиностойкости конструкционных бетонов 12
1.1 Виды полимербетонов, их свойства и область применения в строительстве. Эпоксидные полимербетоны и несущие конструкции на их основе 12
1.2 Напряженно деформированное состояние и трещиностойкость защитного слоя полимербетонных конструкций при сжатии в условиях воздействия коррозионно-активных сред 19
1.3 Структурные дефекты и повреждения конструкционных бетонов. Масштабные уровни разрушения 29
1.4 Современные представления и механизмах разрушения бетонов 33
1.5 Экспериментальные методы изучения процессов трещинообразования в структуре материалов 46
1.5.1 Сравнительный анализ методов контроля процессов микро-трещинообразования 46
1.5.2 Применение метода акустической эмиссии для контроля процессов трещинообразования 48
1.5.2.1 Физические основы метода акустической эмиссии 48
1.5.2.2 Основные информативные параметры, анализируемые при акустико-эмиссионном контроле 52
1.5.2.3 Применение метода акустической эмиссии для оценки технического состояния бетона в несущих строительных конструкциях 55
1.5 Выводы по главе 1 59
1.6 Цели и задачи исследований 60
2 Объекты и методы исследования 62
2.1 Состав и технология изготовления исследуемых образцов 62
2.2 Методика измерения деформационных характеристик при испытаниях на сжатие 67
2.3 Методика проведения ультразвуковых испытаний 70
2.4 Методика проведения акустико-эмиссионных испытаний 71
2.5 Особенности статистической обработки и анализа потока сигналов акустической эмиссии 76
2.5.1 Регрессионный анализ акустико-эмиссионных измерений 77
2.5.2 Кластерный анализ акустико-эмиссионных измерений 79
2.6 Выводы по главе 2 82
3 Экспериментальное исследование кинетики микротрещинообразования в условиях одноосного сжатия монотонно возрастающей нагрузкой 83
3.1 Кинетика накопления структурных микроповреждений 83
3.2 Кластеризация микротрещинообразования 88
3.3 Оценка изменения размеров структурных микроповреждений 97
3.3.1 Оценка размеров микротрещин в эпоксидном полимербетоне по результатам частотного анализа акустико-эмиссионных импульсов 97
3.3.2 Оценка размеров микротрещин в эпоксидном полимербетоне по результатам совместных ультразвуковых и акустико-эмиссионных исследований 100
3.3.3 Анализ деформаций в эпоксидном полимербетоне. Оценка размеров микротрещин по результатам совместных деформационных и акустико-эмиссионных исследований 107
3.3.4 Сравнительный анализ размеров микротрещин образующихся при сжатии элементов из эпоксидного полимербетона полученных методами различной физической природы 112
3.4 Выводы по главе 3 115
4 Комплексная оценка трещиностойкости сжатых элементов конструкций из эпоксидного полимербетона . 117
4.1 Основные предпосылки, предположения и допущения методики оценки трещиностойкости 117
4.2 Описание особенностей изменения акустико-эмиссионных показателей, функциями принадлежности нечетким множествам 123
4.3 Описание особенностей изменения ультразвуковых показателей функциями принадлежности нечетким множествам 124
4.4 Описание особенностей изменения деформационных показателей, функциями принадлежности нечетким множествам 126
4.5 Стадии напряженно-деформированного состояния и их описание функциями принадлежности нечетким множествам 127
4.6 Правила связи функций принадлежности и алгоритм получения логического вывода 131
4.7 Экспериментальное определение момента трещинообразования в эпоксидном полимербетоне 134
4.8 Выводы по главе 4 136
5 Рекомендации по практической реализации результатов исследований при диагностике трещиностокйости элементов конструкций из эпоксидного полимербетона 137
5.1 Порядок проведения измерений при диагностике трещиностойкости полимербетонных элементов при испытании пробной нагрузкой 137
5.2 Алгоритм оценки трещиностойкости полимербетонных конструкций по данным об изменении активности акустической эмиссии 139
5.3 Реализация алгоритма диагностики трещиностойкости на полимербетонных элементах различных размеров 141
5.5 Выводы по главе 5 144
Основные выводы 145
Список использованных источников 147
Приложение
- Напряженно деформированное состояние и трещиностойкость защитного слоя полимербетонных конструкций при сжатии в условиях воздействия коррозионно-активных сред
- Методика измерения деформационных характеристик при испытаниях на сжатие
- Кластеризация микротрещинообразования
- Описание особенностей изменения акустико-эмиссионных показателей, функциями принадлежности нечетким множествам
Введение к работе
Актуальность работы
Действующие нормативные документы ограничивают трещиностойкость растянутой зоны бетона, его предельной растяжимостью. Возможность образования трещин в сжатой зоне бетона, действующими нормами не рассматривается. Однако, многочисленные экспериментальные исследования проведенные О.Я. Бергом, А.Н. Бобрышевым, В.В.Болотиным, Ю.В.Зайцевым, П.Г. Комоховым, Н.И. Макридиным, СИ. Меркуловым, Г.Б. Муравиным, О.Б. Наймарком, В.В. Носовым, В.А. Перфиловым, В.М. Финкелем, Е.М. Чернышовым, A.M. Ивановым, Ю.В. Ивановым, А.В. Никулиным, Ю.Ф. Рогатневым и др. указывают на то, что в сжатой зоне бетона, также как и в растянутой образуются микротрещины, снижающие эксплуатационные качества конструкций [118,112,107,108,50,119,64,19,94,96,95,93]. В соответствии с современными представлениями процесс трещинообразования происходит в два этапа: на первом этапе происходит образование и накопление микротрещин, которые увеличиваются в размерах и при достижении определенной концентрации на втором этапе объединяются в направленные нормальные и наклонные магистральные макротрещины. Микротрещины в отличие от макро, имеют хаотическое расположение в пространстве, и размеры их находятся в пределах 10"б..4,0 мм по длине трещины.
Негативное влияние микротрещин на конструкцию заключается в диффузии коррозионно-активных сред через микротрещины в защитном слое к арматуре, что приводит к ускорению коррозионных процессов под напряжением и как следствие к снижению долговечности конструкции. Это подтверждается исследованиями проведенными во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева в соответствии с которыми защитные свойства бетона по отношению к арматуре значительно снижаются при образовании структурных микротрещин.
Диагностика микротрещинообразования в эксплуатируемых конструкциях позволяет своевременно принимать меры по предотвращению появления направленных магистральных трещин.
Необходимость проведения своевременных мероприятий (усиление, снижение уровня нагрузки и др.) по предотвращению появления направленных магистральных трещин определяется результатами диагностики микротрещинообразования.
Нормирование параметров трещиностойкости сжатого защитного слоя бетона конструкции при расчете по образованию трещин, позволяет не только предотвратить появление направленных магистральных трещин, но и существенно повысить долговечность несущих конструкций за счет снижения степени влияния коррозионно-активной среды на арматуру.
Вопросы связанные с назначением предела трещиностойкости сжатой зоны защитного слоя железобетонных конструкций при расчете по образованию трещин до настоящего момента являются не раскрытыми, несмотря на их практическую значимость и очевидную актуальность.
Особенно актуальны данные вопросы для полимербетонных конструкций, которые предназначены для эксплуатации в условиях действия сильных коррозионно-активных сред. С этими вопросами связаны цели, задачи и содержание представленных в настоящей работе исследований., областью рассмотрения которых является процесс образования и развития микротрещин размерами от 0,001 до 2,000 мм и назначение и физически обоснованного предела трещиностойкости сжатого защитного слоя конструкций из эпоксидного полимербетона.
Целью диссертационной работы является: обоснование механизмов разрушения эпоксидного полимербетона в условиях одноосного сжатия, как кинетического процесса образования и развития микротрещин в его структуре; разработка и совершенствование методов диагностики и оценки трещиностойкости сжатой зоны элементов строительных конструкций из эпоксидного полимербетона; — экспериментальное, физически обоснованное назначение предела трещиностоикости сжатых зон элементов строительных конструкций из эпоксидного полимербетона при расчетах по образованию трещин.
Для достижения поставленных целей, были решены следующие задачи: определены акустико-эмиссионные, ультразвуковые и деформационные параметры, предшествующие исчерпанию прочности эпоксидного полимербетона в условиях одноосного сжатия, монотонно возрастающей, кратковременной нагрузкой, с целью обоснования механизмов разрушения эпоксидного полимербетона, как кинетического процесса образования и развития микротрещин в его структуре; методами кластерного анализа установлено наличие трех характерных групп микротрещин образующихся в эпоксидном полимербетоне при сжатии, а также закономерности характеризующие кинетику изменения их размеров; выполнено экспериментальное обоснование предела трещиностоикости сжатых элементов из эпоксидного полимербетона, на основании анализа акустико-эмиссионных, ультразвуковых и деформационных параметров, изменяющихся с увеличением уровня нагрузки; на основании анализа полученных экспериментальных данных о разрушении эпоксидного полимербетона, разработан метод оценки трещиностоикости и диагностики технического состояния сжатых элементов полимербетонных конструкций.
Научная новизна работы состоит в следующем: — разработана методика оценки предела трещиностоикости сжатых элементов из эпоксидного полимербетона основанная на комплексном анализе методами теории нечетких множеств акустико-эмиссионных, деформационных и ультразвуковых параметров, характеризующих структурные изменения, происходящие в полимербетоне под нагрузкой; разработан алгоритм, позволяющий в режиме реального времени выполнять оценку исчерпания предела трещиностойкости сжатых элементов полимербетонных конструкций на основе корреляционного анализа временного ряда акустико-эмиссионной активности в скользящем окне; выполнено экспериментальное обоснование назначения предела трещиностойкости в сжатых элементах из эпоксидного полимербетона на основе анализа методами теории нечетких множеств акустико-эмиссионных, деформационных и ультразвуковых параметров разрушения; получены экспериментальные результаты акустико-эмиссионных, деформационных и ультразвуковых параметров разрушения эпоксидного полимербетона, на основе которых, выявлены закономерности изменения размеров микротрещин под нагрузкой, а также установлена корреляционная связь между скоростью роста микротрещин и уровнем напряжений в эпоксидном полимербетоне.
Автор защищает: — методику оценки трещиностойкости сжатых элементов из эпоксидного полимербетона на основе комплексного анализа методами теории нечетких множеств акустико-эмиссионных, деформационных и ультразвуковых параметров изменяющихся в процессе разрушения полимербетона; — алгоритм оценки исчерпания предела трещиностойкости защитного слоя сжатых элементов полимербетонных конструкций на основе статистического анализа акустико-эмиссионной активности; результаты экспериментального обоснования предела трещиностойкости сжатых элементов из эпоксидного полимербетона; результаты экспериментальных исследований механизмов разрушения эпоксидного полимербетона, как кинетического процесса образования и развития микротрещин в его структуре.
Теоретической и методологической основой рассматриваемых в работе задач являются: акустико-эмиссионный, ультразвуковой и деформационный методы исследования структуры бетона; аналитические методы экспериментальной механики, для анализа объемных деформаций бетона в условиях одноосного сжатия; статистический метод кластерного анализа для разделения всего ансамбля микротрещин образующихся в эпоксидном полимербетоне на характерные кластерные группы; методы теории нечетких множеств для определения предела трещиностойкости сжатых элементов из эпоксидного полимербетона; статистические методы корреляционного и регрессионного анализа для установления аналитических видов экспериментальных зависимостей.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается: проведением экспериментов с повторными испытаниями в необходимом объеме статистического минимума; применением апробированных статистических методик, а также сертифицированных и лицензированных программных средств ЭВМ, для обработки экспериментальных данных; использованием современных тарированных средств измерений; согласованием полученных результатов с независимыми исследованиями других авторов; сопоставлением основных результатов полученных на эпоксидном полимербетоне, с результатами, полученными на цементном бетоне; измерением акустико-эмиссионных параметров, двумя различными программно-аппаратными измерительными комплексами; сопоставлением результатов измерения по трем методикам, имеющим различную физическую природу.
Апробация работы и публикации. Результаты представленных в работе исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (2004-2009 г.); на академических чтениях "Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения" (г. Курск 2006-2009 г.); 11-ой международной научно-практической конференции "Высокие технологии в экологии", (г.Воронеж в 2008 г.); всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Молодые исследователи - регионам" (г.Вологда, 2008 г.).
По результатам исследований опубликованы девять научных статей из них четыре в журналах Известия ВУЗОВ, строительство, Известия Орел ГТУ, Научный вестник ВГАСУ рецензируемых ВАК и получено свидетельство об отраслевой регистрации программного продукта.
Практическое значение и реализация результатов работы.
Предложенный в работе метод диагностики сжатых элементов строительных конструкций позволяет адекватно оценить момент исчерпания трещиностойкости защитного слоя сжатых элементов конструкций из эпоксидного полимербетона. Полученные в работе результаты применимы при диагностике трещиностойкости защитного слоя полимербетонных конструкций а также комплексных элементов с защитным слоем из эпоксидного полимербетона.
Результаты исследований внедрены в программу комплексных инженерных обследований несущих полимербетонных конструкций производственных цехов ОАО «Воронежсинтезкаучук» с наличием химически агрессивных и коррозионно-активных сред.
Результаты исследований представленные в работе включены в учебный процесс ГОУВПО «Воронежский государственный архитектурно--строительный университет» для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство», «Городское строительство и хозяйство», по дисциплинам «Техническая диагностика зданий и сооружений», «Обследование и испытание зданий и сооружений».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, списка использованных источников и 3 приложений. Работа изложена на 170 страницах, включает 130 страниц машинописного текста, 25 таблиц, и 68 рисунков.
Автор работы выражает благодарность сотрудникам ГОУ ВПО ВГАСУ д.ф.м.н. П.А.Головинскому, к.т.н. И.И. Ушакову, а также сотруднику института атомной энергетики им. В.И. Курчатова к.т.н. Т.Б.Петерсен за оказанные консультации при выполнении экспериментальных и теоретических исследований по теме диссертации.
Напряженно деформированное состояние и трещиностойкость защитного слоя полимербетонных конструкций при сжатии в условиях воздействия коррозионно-активных сред
К сжатым элементам полимербетонных конструкций относятся: сжатые грани колонн, сжатая зона изгибаемых элементов (балки, ригели), верхний обрез конструкций фундаментов и другие части конструкций которые воспринимают преимущественно сжимающие напряжения (рисунок 1.4). Защитный слой полимербетона, в таких конструкциях может находиться как в сжатой, так и в растянутой зонах. В настоящей работе, рассматривается сжатый защитный слой полимербетонных элементов. Эпюры действующих напряжений в сжатой зоне железобетонных балок представлены на рис. 1.5, аналогичные эпюры для колонн представлены на рис 1.6. Напряженно-деформированное состояние сжатого защитного слоя в определенном приближении соответствует напряженно-деформированному состоянию центрально сжатой полимербетонной призмы. Такое приближение оправдывает себя, поскольку разница напряжений оЬ\ и Оь2 (рисунок 1.5) действующих в сжатом защитном слое незначительна, то есть в определенном приближении можно сказать что эти напряжения равны, а толщина защитного слоя составляет 20...50 мм, что приблизительно соответствует размерам стандартной лабораторной призмы 40x40x160 мм. Схема разрушения представленная на рис. 1.5 характерна также для ригелей и плит работающих в составе ребристых монолитных перекрытий резервуаров наполняемых коррозионно-активными средами. Таким образом структурные изменения в сжатом защитном слое полимербетонных элементов возможно изучать на сжатых призмах с размерами 40x40x160 мм. Аналогичное приближение возможно и для элементов колонн, как с большими, так и с малыми, случайными эксцентриситетами. В случае с колоннами, разница напряжений оЬІ и зЪ2 в сжатом защитном слое также не велика (рисунок 1.7), что, в определенном приближении позволяет рассматривать его напряженно-деформированное состояние, как сжатую призму. Разрушение полимербетонных колонн в случае невысоких эксцентриситетов приложения продольной силы проходит по растянутой грани, если же эксцентриситет велик то такое разрушение может проходить как по растянутой, так и по сжатой грани колонны.
Как правило, защитный слой не только воспринимает максимальные сжимающие напряжения, но и является препятствием для проникновения коррозионно-активных сред к арматуре. Сжатая зона бетона в таких конструкциях, как правило располагается сверху, то есть в месте непосредственного контакта полимребетона с агрессивной средой. Таким образом верхняя арматура сжатой зоны полимербетона в таких конструкциях более подвержена негативному воздействию коррозионно-активных сред, чем нижняя арматура расположенная в растянутой зоне (рисунок 1.8). коррозионно-активная среда просачивание агрессивной среды сквозь бетон сжатой зоны На рисунке 1.9 представлено напряженно-деформированное состояние колонны загруженной продольной силой N с эксцентриситетом е0 в виде изополей продольных деформаций и напряжений Рисунок 1.9 - Напряженно деформированное состояние колонны в случае загружения продольной силой N с большим эксцентриситетом е0 полученное с помощью программного комплекса ScadOffice. Защитный слой полимербетона должен обеспечивать совместную работу арматуры с бетоном на всех стадиях работы конструкции и защиту арматуры от воздействия агрессивных факторов. Поскольку защитный слой полимербетона, в отличие от цементного бетона, не обладает пассивирующими свойствами по отношению к арматуре и предотвращает коррозию арматуры за счет трещиностойкости и замкнутости пор, то надежная защита арматуры в сжатом слое бетона возможна в случае обеспечения надлежащей трещиностойкости защитного слоя. Микротрещины, образующиеся, в защитном слое бетона являются причиной просачивания агрессивной среды внутрь конструкции, что в последствии, приводит к ускорению коррозионных процессов в бетоне и арматуре и снижению долговечности конструкции. Недостаточная трещиностойкость сжатой зоны полимербетонных конструкций является причиной их преждевременного выхода из строя (рисунок 1.10).
Методика измерения деформационных характеристик при испытаниях на сжатие
Перед испытанием образец с приборами устанавливался центрально по геометрической оси плиты пресса. Нагружение образца проводилось ступенями по 8 т. до полного разрушения образцов. Отклонения деформаций по каждой грани не превышали 15%. На каждой ступени производили выдержку нагрузки в пределах одной минуты. Продольные и поперечные деформации фиксировались индикаторами часового типа и показаниями цифрового тензометрического моста, в начале и в конце выдержки ступени. При уровне нагрузки свыше 0,4xo7R, нагружение производилось практически непрерывно с постоянной скоростью в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78. При испытании на сжатие кратковременной нагрузкой фиксировались: нагрузка, разрушающее напряжение, а также продольные и поперечные деформации. Измерение деформаций осуществлялось двумя способами: с помощью индикаторов часового типа, с ценой деления 0,001 мм, и с помощью тензометрических датчиков соединенный с цифровым тензометрическим мостом. Схема испытания показана на рисунке 2.2. где P - разрушающая нагрузка в кН, А - площадь поперечного сечения в см . Статический модуль упругости при сжатии вычислялся в МПа при уровне нагрузки, составляющим 30 % от (і?„ч) по формуле[22]: где ai=Pi/A- приращение напряжения от условного нуля до уровня внешней нагрузки, равной 30% от разрушающей; Р 0,3-11 , - приращение внешней нагрузки; є1у - приращение упруго-мгновенной относительной продольной деформации образца при уровне нагрузки равном Р Динамический модуль упругости в МПа определялся по скорости прохождения ультразвуковых колебаний через бетон, по формуле [22]: где Сг скорость распространения продольный ультразвуковых волн в образце м/с; р- плотность образца кг/м . Относительные объемные деформации вычислялась по формуле [105]: где: е., - средняя относительная продольная деформация, є и є - средние относительные поперечные деформации. Значение дифференциального коэффициента поперечных деформаций вычислялось по формуле[8,105]: Результаты определения механических характеристик приведены в разделе 2.1, а результаты анализа объемных деформаций в главе 3 настоящей работы. Целью проведения деформационных испытаний в настоящей работе, является получение данных об изменении объемных деформаций в эпоксидном полимербетоне под нагрузкой, определение параметрических точек согласно теории прочности бетона О.Я. Берга, а также для обеспечения достоверности и сравнения с результатами акустико-эмиссионных и ультразвуковых исследований. Ультразвуковые измерения проводились на образцах размером 40x40x160 мм и 100x100x400 мм. Перед испытанием образец с приборами устанавливался центрально по геометрическим осям плиты пресса. Нагружение образцов производилось непрерывно, монотонно возрастающей нагрузкой, со скоростью 5 МПа/мин. Нагружение опытных образцов размером 100x100x400 мм кратковременной нагрузкой осуществлялось в прессе ПСУ-50, а образцов 40x40x160 в прессе Instron-1195. При испытании на сжатие кратковременной нагрузкой фиксировались нагрузка, разрушающее напряжение, время прохождения ультразвука через образец при сквозном прозвучивании до нагружения, во время нагружения и после нагружения. Изменение времени прохождения ультразвука и величину нагрузки, фиксировали через интервалы времени, каждые пять секунд. Измерение времени прохождения ультразвуковых импульсов через бетон в микросекундах осуществлялась прибором Пульсар 1.2. Основное назначение прибора Пульсар 1.2 - дефектоскопия и контроль прочности изделий и конструкций из бетона, кирпича и других материалов (ГОСТ 17624, ГОСТ 24322). Прибор позволяет, измерять время прохождения ультразвуковых импульсов через бетон при сквозном прозвучивании, в диапазоне 5..2000 мкс, с разрешающей способностью 0,1 мкс. Предел основной погрешности измерения прибора составляет 0,01t+0,l мкс. Рабочая частота колебаний генерируемых преобразователями прибора находится в диапазоне 20..100 кГц. Обобщенная схема ультразвуковых испытаний с, прибором Пульсар 1.2, представлена на Рисунок 2.3.
Кластеризация микротрещинообразования
Микротрещины, образующиеся в полимербетоне при сжатии, являются источниками акустических колебаний, которые характеризуются определенными амплитудами и частотами. При прохождении акустической волны через толщу материала, она претерпевает изменения, которые выражаются в затухании ее мгновенных амплитуд.
В отличие от амплитуды, частота акустической волны остается практически неизменной [2,26]. Поскольку частота акустических импульсов, излучаемых вновь образовавшимися микротрещинами не претерпевает значительных изменений на пути от излучателя (микротрещины) до приемника (датчика АЭ), она может быть использована в качестве косвенной характеристики отражающей характер образовавшегося в источнике излучения микродефекта. Частота акустической эмиссии представляет также интерес для исследований в виду того, что она имеет связь с размерами микродефекта, подобно тому, как длина струны связана с частотой ее колебаний. В этой связи исследования связанные с анализом частот акустико-эмиссионных импульсов весьма актуальны, так как, по сути, изменение частоты акустико-эмиссионного импульса отражает изменение размеров микротрещины являющейся источником этого акустического импульса (чем выше частота, тем меньше размер образовавшейся трещины).
В результате проведенных акустико-эмиссионных испытаний на образцах 40x40x160 мм, установлены зависимости изменения средней частоты импульсов акустической эмиссии в эпоксидном полимербетоне и цементном бетоне при сжатии (Рисунок 3.3). Из Рисунок 3.3 видно, что механизм изменения параметров микротрещин в эпоксидном полимербетоне, значительно отличается от аналогичного механизма в цементном бетоне. Это различие связано с различной механикой разрушения этих материалов, подробно рассмотренной в работе [36]. Цементный бетон разрушается исключительно по матрице, в то время как эпоксидный полимербетон разрушается и по матрице и по заполнителю.
До точки А (Рисунок 3.3) размеры трещин, как и скорость из образования увеличиваются по линейному закону. Предположительно, основная масса трещин образуется в зернах крупного заполнителя, имеющего меньшую прочность по сравнению с полимерным связующим. На участке А-В линейность нарушается ввиду стремительного увеличения размеров и количества микротрещин. Можно предположить, что на этом участке образуются трещины значительных размеров в заполнителе и наряду с ними начинается появление небольших трещин в матрице. Однако формирование магистральной трещины не происходит в виду действия механизмов торможения трещин на границах матрица-заполнитель. Подробно эти механизмы рассмотрены в работе [36]. Напряжения, действующие за пределами точки В (a/R 0,9), характерны для процессов связанных с формированием магистральных трещин [16, 35, 36]. Заполнитель в структуре полимербетона, практически разрушен и микротрещины преимущественно образуются в матрице. Размеры этих трещин, меньше, чем размеры трещин практически разрушивших заполнитель, а концентрация их постоянно растет. Ввиду постоянно растущей высокой концентрации микротрещин в матрице, срабатывает механизм торможения микротрещин друг о друга [45]. Этот механизм не позволяет образовываться трещинам больших размеров, более того, средний размер трещин уменьшается в виду высокой концентрации более мелких трещин. Эта концентрация расчет до тех пор, пока не происходит окончательное разрушение материала.
В цементном бетоне напротив, разрушение происходит исключительно по матрице, и средний размер микротрещин постоянно увеличивается.
Различие в механизмах разрушения цементного бетона и эпоксидного полимербетона свидетельствует о неприемлемости методов расчета конструкций из цементного бетона для полимербетонных конструкций, особенно в тех случаях, когда речь идет о расчетах по образованию и раскрытию трещин.
Поскольку частота акустико-эмиссионных импульсов имеет связь с размерами этих импульсов, то интерес для дальнейших исследований представляет выделение характерных групп микротрещин, по их частотным характеристикам. Разделение всего ансамбля микротрещин на подгруппы может быть полезно для решения вопросов связанных с повышением трещиностойкости полимербетонных материалов, за счет фибрового армирования. Для решения такого рода задачи, временной ряд параметров сигналов акустико-эмиссионных импульсов, был подвержен кластерному анализу по частотному признаку. Методика кластерного анализа подробно рассмотрена в разделе 2.5.2 настоящей работы.
Кластеризация осуществлялась в скользящем вдоль оси напряжений окне шириной o7R=0,001. Параметром для отнесения сигнала акустической эмиссии к кластеру, служила частота сигнала в кГц. Кластеризация осуществлялась в два этапа. На первом этапе размах выборки частот (0...1000 кГц) разбивался на равные интервалы шириной 100 кГц. Для каждого интервала был построен график скорости поступления частот, в рамках единой декартовой системы координат (Рисунок 3.4).
Описание особенностей изменения акустико-эмиссионных показателей, функциями принадлежности нечетким множествам
По данным таблицы 4.4 были построены соответствующие функции принадлежности. Общий вид построенных функций показан на рисунке 4.3.
В главе 3, было показано, что при появлении в структуре эпоксидного полимербетона значительного количества микротрещин, скорость прохождения ультразвука через материал резко снижается. Эта особенность учитывается в модели соответствующими функциями принадлежности (Рисунок 4.4).
По данным таблицы 4.5 были построены соответствующие функции принадлежности. Общий вид построенных функций показан на рисунке 4.4.
В главе 3, был проведен анализ кривых нагружения и установлены параметрические точки по данным [8] , которые, согласно данным [8, 105], а также подтверждающимися акустико-эмиссионными и ультразвуковыми исследованиями, свидетельствуют о начале интенсивного разрушения (разуплотнения) структуры бетона. Эти параметрические точки характеризуют дефект плотности бетона, который также учитывается в методике соответствующими функциями принадлежности (Рисунок 4.5).
По данным таблицы 4.6 были построены соответствующие функции принадлежности. Общий вид построенных функций показан на рисунке 4.5.
В соответствии с характером негативных последствий, которые могут быть вызваны действием различных уровней напряжений, весь процесс нагружения условно был разделен на три стадии: 1) AS (Admissible Stress) - допускаемый (безопасный) уровень напряжений; 2) RS (Restricted Stress) - ограниченный уровень напряжений (уровень напряжений не грозящий в момент нагружения обрушением конструкции, но снижающий ее химическую стойкость за счет образования трещин, и как следствие — долговечность); 3) CS (Critical Stress) — критический (за проектный) уровень напряжений - велика вероятность обрушения конструкции.
Функции принадлежности, которые характеризуют эти стадии, по сути являются выходными параметрами модели, то есть на основе анализа функций соответствия параметров акустической эмиссии, ультразвука и деформаций, выполняется оценка состояния сжатого полимербетона, как принадлежность к одной из трех стадий AS, RS или CS. Переход от стадии AS к стадии RS сопровождается началом интенсивного образования микротрещин и может считаться моментом трещинообразования.
В качестве функций принадлежности уровням AS, RS и CS, принимаем функции нормального распределения Гаусса. Выбор функции основан на предположении о нормальном распределении прочности бетона при испытаниях на сжатие [57]. Область определения функций на границе интенсивного микро-трещинообразования, назначалась согласно данным табл. 4.7. Область определения функций на границе запроектных нагрузок, назначалась согласно данных таблицы 2.5. Построение функции принадлежности AS (Admissible Stress). Принадлежность напряжений к стадии AS соответствует безопасному
уровню напряжений. В соответствии с этим предположением, левая граница функции AS принимает значение максимума Р=1, при значении аргумента a/R=0, поскольку полное отсутствие напряжений позволяет однозначно отнести нагрузку к безопасному уровню. Правая граница аргумента функции AS назначена в соответствии с данными таблицы 4.7, как наиболее удаленная граница, и принимает значение a/R=0,7, при значении функции Р=0. Другими словами, напряжения a/R 0,7 невозможно отнести к уровню безопасных, и соответственно к стадии AS. Построение функции принадлежности RS (Restricted Stress).
Принадлежность напряжений к стадии RS соответствует уровню напряжений, при котором в структуре полимербетона происходит интенсивное микро-трещинообразование приводящее к снижению коррозионной стойкости бетона и соответственно долговечности конструкции. Соответствующие уровни напряжений были исследованы и обоснованы в главе 3, обобщенные результаты исследований приведены в таблице 4.1 настоящего раздела. В соответствии с данными таблицы 4.4 левая граница функции принадлежности RS принимает значение аргумента a/R=0.56, а правая граница назначается в соответствии с результатами, приведенными в таблице 4.8 и составляет a/R=0,960. Функция на своей левой и правой границе равна нулю, поскольку при напряжениях менее 0,56 уровень микро-трещинообразования незначителен, а при напряжениях более 0,96 действующие нагрузки можно отнести к запроектным. В соответствии с назначенными границами функции RS, был определен аргумент максимума рассматриваемой функции, как середина обрасти определения RS, то есть при P=l, a/R= 0,76. Построение функции принадлежности CS (Critical Stress)
Похожие диссертации на Трещиностойкость сжатых элементов строительных конструкций из эпоксидного полимербетона
