УДК 691:620.179.1:620.19
СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОТКЛИКА НА ИМПУЛЬСНОЕ МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ С ПРОЦЕССАМИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В БЕТОНЕ
Т.В. Фурса, Д.Д. Данн, А.А. Демихова
Проведены исследования связи параметров акустической эмиссии и электрического отклика на импульсное механическое возбуждение тяжелого бетона с этапами напряженно-деформированного состояния, создаваемого внешними сжимающими нагрузками. Установлено, что при переходе образца бетона из области упругой деформации в область тре-щинообразования происходит значительное возрастание коэффициента затухания энергии электрического отклика.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, электрический отклик на ударное возбуждение, одноосное сжатие, трещинообразование, бетон, коэффициент затухания.
При длительной эксплуатации в условиях воздействия механических напряжений и изменяющихся температуры и влажности в бетоне появляются и развиваются трещины, которые в конечном итоге приводят к непредвиденному разрушению конструкции. Чтобы продлить срок службы конструкций из бетона и обеспечить их безопасную эксплуатацию, необходимо иметь достоверную информацию о формировании в конструкции трещин и их развитии, чтобы своевременно осуществлять ремонтно-восстановительные мероприятия или принимать решение о реконструкции инженерного сооружения.
Для решения этой задачи может быть использовано явление генерирования переменных электромагнитных полей гетерогенными неметаллическими материалами в условиях механического воздействия.
Задача определения процессов трещинообразования в бетонной конструкции в процессе эксплуатации может быть решена двумя способами. С одной стороны, может осуществляться непрерывный мониторинг бетонной конструкции с использованием электромагнитной эмиссии. Исследования электромагнитной эмиссии в процессе возникновения и прорастания трещин в различных материалах (таких, как горные породы, цементный раствор, некоторые композиционные материалы, лед и др.) [1—3] имеют значительный научный интерес. Однако с практической точки зрения электромагнитная эмиссия может быть использована при проведении непрерывного мониторинга конструкции, что связано со значительными финансовыми и техническими затратами. Существует необходимость закрепления на эксплуатирующуюся конструкцию регистрирующего датчика, который должен находиться на ней постоянно. Кроме того, если конструкция имеет значительные размеры, то следует использовать большое количество датчиков.
С другой стороны, может быть применен периодический контроль состояния конструкции с использованием метода, основанного на явлении механоэлектрических преобразований при слабом импульсном механическом воздействии [4—7].
Татьяна Викторовна Фурса, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Института неразрушающего контроля Томского политехнического университета. Тел. (3822) 563-834. E-mail: fursa@tpu.ru
Денис Дмитриевич Данн, младший научный сотрудник проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Института неразрушающего контроля Томского политехнического университета. Тел. (3822) 563-834. E-mail: D_D_D@sibmail.com
Анна Александровна Демихова, магистрант Института неразрушающего контроля Томского политехнического университета. Тел. (3822) 563-834. E-mail: demikhova.anna@mail.ru
Суть метода заключается в том, что объект исследования подвергается упругому ударному возбуждению, в результате чего в образце начинают распространяться акустические волны. Под действием механических напряжений, обусловленных акустическими волнами, возникает переменное электрическое поле.
Электрическое поле возникает за счет появления зарядов на гранях пьезокварца, содержащегося в мелком и крупном заполнителях (речном песке и гравии), при его деформации и за счет смещения этих зарядов и зарядов двойных электрических слоев, расположенных на границах цементной матрицы и заполнителя, относительно электрического приемника. Электрический измерительный приемник располагается в непосредственной близости от образца и находится в зоне действия этого поля. Поэтому параметры электрического отклика связаны с характеристиками упругих волн и надежно отражают процессы их взаимодействия с внутренними структурными неоднородностями и дефектами.
Проведенные исследования показали, что параметры электрического отклика на упругое ударное возбуждение зависят от структурных и механических характеристик образцов бетона [8—10].
Применение периодического контроля позволит снизить затраты на проведение испытаний. Кроме того, использование выносного измерительного зонда позволит проводить обследование протяженных объектов путем их сканирования.
В рамках данной работы исследовали связи параметров электромагнитного отклика на импульсное механическое воздействие с процессами тре-щинообразования в бетоне при его одноосном сжатии.
Исследования выполнены с помощью лабораторного комплекса, позволяющего проводить импульсное механическое возбуждение материалов и регистрацию электрического сигнала.
Комплекс состоит из выносного измерительного зонда, портативного источника питания для ударного устройства и микросхем канала измерения электрического отклика, платы ввода-вывода и переносного компьютера. Выносной зонд представляет собой металлический стакан, внутри которого расположено ударное устройство, позволяющее производить однократный удар и дифференциальный электрический датчик.
Ударное возбуждение осуществляется с помощью электромеханического ударного устройства с нормированной силой удара порядка 300 Н. Для того чтобы исключить локальные нарушения в зоне соприкосновения бойка ударного устройства с образцом, удар проводится через металлическую пластину, закрепленную на корпусе ударного устройства. Для регистрации электрического сигнала используется дифференциальный электрический датчик, позволяющий существенно повысить соотношение сигнал-помеха. Измерительный приемник располагается на расстоянии 2 мм от поверхности образца, а компенсационный — параллельно измерительному на высоте 30 мм от него. В непосредственной близости с приемниками для снижения потерь сигналов в проводах на корпусе ударника закреплена плата с согласующей электроникой для передачи измеренных сигналов на регистрирующую систему. Сигнал с электрического датчика регистрируется с помощью многофункциональной платы ввода-вывода «N1 РС1-6251», позволяющей осуществлять оцифровку временной реализации электрического сигнала.
Нагружение на сжатие образцов проводили с помощью компьютеризированного пресса ИП-500 с постоянной скоростью 0,2 кН/с, при этом с помощью специальной программы проводили регистрацию нагрузки и смещения с дискретом по времени, равным 1с.
Измерения осуществляли следующим образом. Измерительный зонд с помощью резиновых жгутов прикрепляли к боковой поверхности образца. Затем образец бетона вместе с зондом устанавливали на нижнюю плиту
пресса и проводили нагружение вплоть до разрушения, а также ударное возбуждение, регистрацию электрических откликов через каждые 10 кН и измерение акустической эмиссии с помощью пьезопреобразователя на основе ЦТС-керамики. Частота оцифровки сигналов акустической эмиссии составляла 10 кГц.
Исследования проводили на образцах тяжелого бетона размером 100x100x100 мм3. Процессы трещинообразования достаточно надежно регистрируются с помощью акустической эмиссии.
На рис. 1 приведены типичные зависимости акустической эмиссии и деформации бетона в процессе одноосного сжатия. Временная зависимость акустической эмиссии преобразована в зависимость от нагрузки, так как скорость нагружения автоматически поддерживалась постоянной. Видно, что деформационная зависимость для бетона при постоянной скорости нагружения характеризуется наличием трех этапов: первый (I) — от начала нагружения до нагрузки, составляющей порядка 0,15 от разрушающей, связан с процессами уплотнения поверхностного слоя образца (установкой формы); второй (II) — в диапазоне нагрузок от 0,15 до 0,7—0,8 от разрушающей имеет линейную зависимость и характеризует участок квазиупругой деформации; третий этап (III) характеризуется резким возрастанием деформации, связанной с процессом возникновения и прорастания трещин. Начало интенсивного трещинообразования (зависимость 2) наступает при достижении внешней нагрузки порядка 100 кН.
1,0
-0,5
0,014
I II III
2
£
< -1,0
0,007
20 40 60 80 100 Нагрузка, кН
120 140
р
о
е еД
Рис.1. Зависимости деформации (1) и акустической эмиссии (2) бетона от приложенной
внешней механической нагрузки.
0
0
Рассмотрим характер трансформации электрических откликов при изменении стадий напряженно-деформированного состояния.
На рис. 2 приведены типичные электрические отклики из: ненагруженного образца — 1; из образца, находящегося под нагрузкой 10 кН (стадия I), — 2; при внешней нагрузке 70 кН (стадия II) — 3 и при нагрузке 130 кГц (стадия III) — 4. Видно, что при переходе в стадию трещинообразования (кривая 4) значительно изменяется характер затухания электрического отклика. Проведенными ранее исследованиями [11] показано, что увеличение глубины искусственной трещины в бетоне приводит к возрастанию величины коэффициента затухания энергии электрического сигнала.
Для определения динамики изменения коэффициента затухания энергии электрического сигнала из образца бетона в процессе нагружения использован частотно-временной анализ [12, 13].
4
3
2
-jUllllUiiMlh.
1
0
2
4
6
8
10
Время, мс
Рис. 2. Электрические отклики на ударное возбуждение образца бетона в процессе изменения
внешней нагрузки.
Суть данного подхода заключается в отслеживании характера изменения спектральной энергии электрического отклика на воздействие, создаваемое упругими волнами как функции времени.
Обработку полученных экспериментальных данных осуществляли следующим образом. С помощью специальной программы в среде программирования Lab View проводили выбор размера скользящего окна и задавали шаг для смещения этого окна
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.