Диссертация (1149331), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В данных работах для проведенияэкспериментов на динамическое раскалывание был применен модифицированныйметод Кольского (Бразильский тест) [116].На рисунке 3.11 приведены результаты экспериментов и расчетныхисследований для фибробетона и габбро-диабаза в квазистатических идинамических режимах работы. Кривые соответствуют расчетам по формуле(1.15) со следующими параметрами материала:бетона и= 70,= 18= 16,= 21.5длядля габбро-диабаза.Анализируя результаты экспериментов на раскалывание (рисунок 3.11)можно сделать вывод о том, что оба материала проявляют свойство нелинейноговозрастания прочности с ростом скорости приложения нагрузки. Однако стоитотметить тот факт, что бетон, будучи прочнее в рамках квазистатическихэкспериментов,намного«слабее»габбро-диабазанагружении (при скорости роста напряжений >при).высокоскоростном76Рисунок 3.11.
Зависимость предела прочности от скорости деформации дляфибробетона и габбро-диабаза. Кривые имеют смысл скоростнойзависимостипределапри,= 16прочности,= 21.5построеннойдля бетона и= 70по,формуле (1.15)= 18длягаббро-диабаза. Точки соответствуют экспериментальным точкам изработы [112] и [113].Учитывая всю сложность проведения экспериментов в широком диапазонеизмененияпараметровнагружения,подход,основанныйнапонятииинкубационного времени позволяет ограничиться определенным наборомэкспериментальных точек и решить поставленные задачи. А именно, вводя врассмотрение– так называемую динамическую прочность материала, можноопределить заранее поведение материалов в динамических условиях нагружения.Для бетона= 16, для габбро-диабаза = 70. Поэтому расчетная кривая77прочности для габбро-диабаза лежит значительно выше кривой для фибробетонав «динамическом» диапазоне параметров нагружения.Аналогичные эффекты удалось обнаружить и на одном типе материала, нопривезенных из разных мест России.
Речь идет о мраморе под названием«Коелга» и «Первоуральский».На рисунке 3.12 приводится вид образцов из мрамора «Коелга» и«Первоуральский».Рисунок 3.12. Исходный вид образцов мраморов «Коелга» (слева) и«Первоуральский» (справа)Образцы мрамора «Коелга» после испытаний на раскалывание показаны нарисунке 3.13.Применимраскалываниюописанныйдлямраморавышеподход«Коелга»икописаниюрезультатов«Первоуральский».поНаилучшеесовпадение расчетных кривых и экспериментальных точек наблюдается припараметрах модели, приведенных в таблице 3.5.78Рисунок 3.13.
Вид образцов мрамора «Коелга» (слева) и «Первоуральский»(справа) после испытаний на раскалываниеТаблица 3.5. Параметры материалов при раскалывании st , МПаМрамор «Коелга»5.5Мрамор «Первоуральский»4.5 r , мкс11.7На рисунке 3.14 приведена зависимость прочности на растяжение отскорости деформации для двух типов образцов. Кривая построена по критериюИнкубационного времени с учетом значений параметров из таблицы 3.5.Рисунок 3.14.деформацииЗависимостьдлямрамораэксперимент, кривая – теория)прочности на растяжение от скорости«Коелга»и«Первоуральский»(точки –79Для мрамора «Коелга» τ = 1, для мрамора «Первоуральский» τ= 1.7.То есть материалы имеют разную динамическую прочность.
Поэтому расчетнаякривая прочности для мрамора «Первоуральский» лежит выше кривой длямрамора «Коелга» в «динамическом» диапазоне параметров нагружения.Критерий инкубационного времени не только довольно точно описалданные экспериментов во всем диапазоне параметров нагружения, но и позволилнайти возможные значения прочности материалов в неисследованных областях пошкале скорости деформации. Используя данный подход можно на качественномуровне подбирать материалы под индивидуальные условия эксплуатации. Этонаиболее актуально для промышленности крайнего севера и военной отрасли.Также это может стать актуальным инструментом в развитии культурыдорожного строительства в России.Бетоны, отличающиеся физико-механическими свойствами наполнителяЭкспериментальное изучение поведения различных бетонных образцов насжатие с высокой скоростью деформации были проведены в работе [114].В роли аппаратной части выступали установки на основе стержней Гопкинсона(splitHopkinsonbar),деформированияпозволяющиенагружатьобразцысоскоростями.
Оба материала имели одинаковые способыизготовления, то есть вяжущая основа идентична. Отличия заключались лишь вразмерах наполнителя. Свойства материалов и их визуальное изображениеприведены в таблице 3.6 и на рисунке 3.15.Таблица 3.6. Свойства материалов бетон 1 и 2«Бетон 1»21000,220466.5«Бетон 2»26000,2945306.580Рисунок 3.15. Экспериментальные образцы; (a) бетон 2, (b) бетон 1.На рисунке 3.15 приведены результаты экспериментов и расчетныхисследований для бетона 1 и бетона 2 в квазистатических и динамическихрежимах работы. Кривые соответствуют расчетам по формуле (1.15) с учетомпараметров, представленных в таблице 3.6.Материал типа «бетон 1» имея немного меньшую по сравнению с«бетоном 2» прочность в квазистатических испытаниях оказался прочнее вдинамическом режиме нагружения.
При этом величина инкубационного времениоказалось равной для двух типов образцов. Отличия двух материаловзаключаются только в размере и физико-механических свойствах заполнителя.Авторыэкспериментов[114]объясняютдинамического давления в образцеэтотэффектсуществованиемпри высоких скоростях нагружения, чтоприводит к «сжатию» микродефектов и микротрещин в структуре материала.Бетон имеет множество дефектов (пустот, трещин между цементом ивключениями, и т.д.). Его прочность можно увеличить путем ограниченияразвития этих дефектов.Тем не менее этот эффект может быть объяснен простой аргументацией, безпредположений о механизмах деформации и разрушения.
Поскольку нагрузка81является линейной (см. главу I и II), при высоких скоростях деформациипредельное напряжение будет зависеть от модуляупругости,тоестьквазистатическая прочность не влияет на прочность при динамических нагрузках.Мы можем установить несущую способность бетона за счет упругостинаполнителя.Таким образом, принимая за отправную точку материал, практически неимеющий в своем составе наполнителя, можно варьированием физикомеханических свойств заполнителя конструировать тот материал, которыйнаилучшим образом будет подходить под заданные условия эксплуатации.С использованием Критерия инкубационного времени можно не проводядорогостоящих экспериментов определить свойства материала для оптимальнойработы в заданных условиях эксплуатации.В качестве примера можно привести работу скоростных автомагистралей,содержащих несколько полос для движения автотранспорта.
Характерно, чтообразование колеи на таких дорогах в первую очередь начинается на левыхполосах. Там, как правило, движется транспорт на больших скоростях и темсамым в условиях зимней эксплуатации на шипованной резине, подвергаетдорожноеполотнодинамическимнагрузкам.Крайнийправыйряд,предназначенный для большегрузных автомобилей, движущихся с меньшейскоростью, порой находится в лучшем состоянии.82Рисунок 3.16. Зависимость предела прочности от скорости деформации дляматериала типа«бетона 1 и 2». Кривые имеют смысл скоростнойзависимости предела прочности, построенной по формуле (1.15) при учетепараметров материала, представленных в таблице 3.6.
Точки соответствуютэкспериментальным точкам из работы [114].Тем самым, варьируя свойства наполнителя для бетона или битума можносоздать оптимальный материал. На примере гипотетических материалов,имеющих в своей основе бетонную связку на рисунке 3.17 показано, какизменение модулей упругости приводит к смещению динамической ветви пошкале скорости деформации.83Compression strength (GPa)5E=20 GPaE=45 GPaE=60 GPa432101101003110451106110110Strain rate (1/s)Рисунок 3.17.
Зависимость предела прочности от скорости деформации дляматериала типа бетон с разными наполнителями. Кривые имеют смыслскоростной зависимости предела прочности, построенной по формуле (1.15)при учете параметров материала:образца соответственно;для 1, 2 и 3=30МРа,для трех типов образцов.Были рассмотрены модели материалов с модулями упругостидля 1, 2 и 3 образца соответственно;=30МРа,для всех типов образцов. Варьируя еще статическую прочность, что,как правило, и происходит при использовании природных наполнителей, можнодобиться еще большего эффекта.Вданномкорректировкипримерепрочностныхбылирассмотренысвойствматериаловискусственныевширокомспособыдиапазонепараметров внешнего воздействия.
Но больший интерес представляет материал,находящийся в разных условиях эксплуатации. В первом параграфе данной главы84были рассмотрены эффекты охрупчивания материала при изменении скоростидеформации и температуры. Другими словами были воссозданы возможныережимы эксплуатации. Также немаловажным и повсеместно встречающимсяфактором может служить водонасыщенность. В первую очередь это относится кприменению в строительстве горных пород, бетонов и т.д. То есть материалов,способных проявлять фильтрационные свойства.Различные окружающие условияБетон–основнойстроительныйматериал,имеющиймножествопреимуществ: сравнительно низкая стоимость, доступность, применимостьпрактически во всех эксплуатационных условиях.
Для бетонов характерна работана сжатие. Однако при проектировании допускают использование бетона и вусловиях сложного напряженного состояния. Особое внимание стоит уделятьрастягивающим напряжениям, поскольку прочность при растяжении значительноменьше прочности при сжатии. Таким образом, при улучшении прочностныхпоказателей в одних условиях эксплуатации неминуемо следует ухудшение вдругих.Другим важным моментом является учет среды, в которой будет работатьматериал. Например, в работе [117] было показано, что при увеличениивлажности бетона снижается его прочность при статических нагрузках.
Этоотчасти объясняется предположением о том, что в присутствии достаточногоколичества воды микротрещинообразование в бетоне резко интенсифицируется, ипроцесс разрушения протекает значительно быстрее, чем в бетоне нормальнойвлажности. А в работе [115] говорится о противоположных явлениях, но уже придинамических испытаниях. Таким образом, получается, что влияние влажности намеханические свойства бетона неоднозначно и не может быть объяснено в рамкаходного подхода. Из вышесказанного непосредственно следует, что необходиморассматривать поведение материалов в широком диапазоне параметров внешнеговоздействия.85Экспериментальное изучение поведения различных бетонных образцов (сварьированием влажности и способов изготовления) на растяжение с высокойскоростью деформации было проведено в работе [115].
Не вдаваясь вподробности технологии производства образцов и проведения испытанийобозначим первый тип «Бетон 1» (условно “сухой” образец), второй – «Бетон 2»,третий – «Бетон 3» (“влажный” образец). Способы изготовления бетона, наличиетех или иных наполнителей не являются целью настоящей работы. Результатыэкспериментов и расчетных исследований, выполненных для трех типов образцовприразличныхскоростяхдеформирования(отквазистатическогододинамического режима), показаны на рисунке 3.18.
В ходе экспериментов былополучено несколько экспериментальных точек. Сам факт того, что приэкспериментах получается некий разброс, нуждается в детальном анализе. Какуже говорилось выше, бетон – сложный материал и его прочность зависит отмногих факторов. И в самих экспериментальных установках всегда заложенанекоторая погрешность на получаемые результаты, тем более что экспериментовбыло сделано не так много. Однако этого оказалось вполне достаточно дляприменения критерия инкубационного времени (1.15).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
