Диссертация (1150590), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Превосходство динамической прочности горных породпри скорости деформации 10 2 c 1 в 2–2.5 раза больше статической прочности, каквидно из Рисунка 2.1, что подтверждает теоретические предположения. Такимобразом, метод оценки инкубационных времен дает хорошую качественнуюоценку предела прочности в широком диапазоне скоростей деформаций.38Рисунок 2.1. Теоретические зависимости предела прочности (2.4) для мрамора([114]; красная кривая), гранита ([115]; черная кривая), известняка ([116]; синяякривая) по критерию разрушения (1.7) и соответствующие экспериментальныеданные [114–116].2.2. Физический смысл инкубационного времени на примере поведенияпрочности бетона с различными наполнителямиПараметр инкубационного времени, независимый от геометрии и способанагрузки образца, является важнейшей характеристикой при оценке прочностиконструкционных материалов при высокоскоростном воздействии.
Как отмеченовыше, качественно инкубационное время связано с релаксационными процессамироста микродефектов в структуре материала. Другими словами, увеличениеинкубационного времени при изменении внутренней структуры материала(введение заполнителей, внедрение волокон в строительную смесь) приводит кросту периода подготовки материала к разрушению. С точки зрения концепциипрочности, это означает, что материал стал более прочным относительноизначальной структуры.Влияние заполнителя на прочностные характеристики бетонаПроведем анализ с точки зрения концепции инкубационного времениэкспериментальных данных [1] по пределу прочности в условиях статических идинамических нагрузок двух материалов, приготовленных на идентичной основестроительного раствора, с разной долей заполнителя. Образцы сделанные избетона с заполнителем (доля агрегатного бетона 42%) по сравнению с агрегатнымбетоном обладали более дефектной структурой и максимальный агрегатныйразмер бетона составлял 9.5 мм.
В работе [1] было проведено три видаэкспериментов на сжатие: квазистатические (для двух материалов), на стержнях39Гопкинсона (102 c1 104 c1 ) (на образцах бетона с заполнителем) и налегкогазовых пушках с ударами образцов агрегатного бетона и бетона сзаполнителем об основание (105 c1 ). Инкубационное время было оценено поэкспериментальным данным бетона с заполнителем на стержнях Гопкинсона (102 c1 104 c1 )покритериюразрушения(2.1.5)иравнялось6.5 мкс .Предполагаем, что оба материала характеризуются одинаковым инкубационнымвременем, в связи с использованием в них одинаковой структуры основнойкомпоненты (строительный раствор) в образцах. Зависимость средней прочностина сжатие от скорости деформации по общим прочностным свойствам двухматериалов (Таблица 2.1) представлена на Рисунке 2.2.Таблица 2.1.
Сравнение свойств агрегатного бетона и бетона с заполнителем поэкспериментальным данным [1] и их динамической прочности.МатериалАгрегатный бетонБетон сзаполнителемПлотность ( кг/м3 )26002100Коэффициент Пуассона0.290.2Модуль Юнга (ГПа)4520Статическая прочность (МПа)3046Динамическая прочность (ГПа)1.55 (290)1.2 (290)(при скорости удара (м/с))1.7 (330)1.3 (330)6.56.5Инкубационное время (мкс)40Рисунок 2.2. Поведение прочности агрегатного бетона (красная кривая) и бетона сзаполнителем (черная кривая) по критерию инкубационного времени (2.4) вшироком диапазоне скоростей деформации 105 107 по экспериментальнымданным [1] (агрегатный бетон – красные треугольники; бетон с заполнителем –черные квадраты).Предел прочности увеличивается со скоростью деформации. Прочностьматериала при скорости деформации для бетона с заполнителем 1700 c1 в 4 разапревышаетстатическуюпрочность.Стремительныйростдинамическойпрочности материала наблюдается со скорости деформации порядка 102 103 c1.Результаты Таблицы 2.1 показывают, что агрегатный бетон имеет меньшуюстатическую прочность и больший модуль упругости, чем бетон с заполнителем.На Рисунке 2.2 и Таблице 2.1 можно отметить, что в случае экспериментов налегкогазовых пушках предел прочности агрегатного бетона больше на 30%, чем убетона с заполнителем.
Таким образом, материал с низким пределом прочности41при квазистатических экспериментах обладает высокой прочностью придинамическихвоздействиях(инверсияпрочности).Наблюдаемое явлениеподтверждает предположение о том, что поведение статической и динамическойпрочности материала не является тождественным.С одной стороны, наблюдаемый эффект инверсии прочности, по мнениюавторов [1], связан с действием сдерживающих сжимающих напряжений,содержащихся в наиболее дефектных образцах агрегатного бетона, которые приударных экспериментах препятствуют росту трещин, а при квазистатическомсжатии, напротив, увеличивают вероятность развития трещин. С другой стороны,подобные сдерживающие нагрузки в статических испытаниях также оказываютсущественное влияние на прочность образца, но, по мнению авторов [1], ихдоминирующая роль проявляется под действием ударных воздействий.
Такимобразом, роль инерционных процессов на микро-уровне полностью не можетобъяснить улучшение свойств бетона при динамических нагрузках относительнобетона с заполнителем.В данной работе предполагается, что эффект инверсии прочности напрямуюзависит от поведения двух свойств материала: модуль Юнга и инкубационноевремя, связанное с релаксационными процессами, предшествующих развитиюмикроструктурных дефектов в материале. Напомним, что история локальныхнапряжений в критерии (1.7) определялась по линейной зависимости, гдепараметр материала ( E ) определял скорость роста напряжений. Тогда при равныхзначениях инкубационного времени максимальное напряжение, достигаемое втечениеинкубационногопериода,будетиметьматериал,обладающийнаибольшим модулем Юнга.Таким образом, при малых ударных скоростях (время процесса нагрузкиобразца сравнимо или больше fr ) роль параметра материала ( E ) считаетсянезначительной в определении максимального напряжения и различие вповедении двух материалов основано на значениях их статической прочности.
Вслучае быстрых ударных скоростей (инкубационное время превосходит время42процесса нагрузки образца) в определении предела прочности материаладоминирующее влияние имеет модуль Юнга.В качестве еще одного примера инверсии прочности, рассмотримэкспериментальные исследования [2] для образцов с разной долей заполнителя вбетоне (с максимальным агрегатным размером 9.5 мм) и одинаковой основой(цемент, песок). В работе [2] проводились статические и ударно-волновыеиспытания на стержнях Гопкинсона со скоростью деформации порядка101 103 с1 . Для бетона с заполнителем и агрегатного бетона было полученоинкубационное время 35 мкс.
На Рисунке 2.3 представлены две теоретическиекривые предела прочности в зависимости от скорости деформации, вычисленныена основе (2.4) и свойств материалов, приведенных в Таблице 2.2. Расчетныекривые дают хорошее соответствие с экспериментальными данными. Несмотря нанебольшое преимущество статической прочности бетона с заполнителем приувеличении скорости деформации, среднее максимальное напряжение прискоростях деформации выше 101 с1 для образцов агрегатного бетона.
Заметим поТаблице 2.2, что модуль Юнга агрегатного бетона больше чем у бетона сзаполнителем. Согласно выше изложенному, расчеты на Рисунке 2.3 поэкспериментальным данным демонстрируют доминирующую роль параметраматериала(E)прирассмотренииповеденияпределапрочностипридинамических воздействиях.Таблица 2.2.
Сравнение свойств бетона с заполнителем и агрегатного бетона поэкспериментальным данным [2].МатериалБетон с заполнителемАгрегатный бетон111742.642.43535Модуль Юнга (ГПа)Статическая прочность (МПа)Инкубационное время (мкс)43Рисунок 2.3.
Теоретическая зависимости прочности бетона с заполнителем(красная кривая) и агрегатного бетона (синяя кривая) в широком диапазонескоростей деформации на основе критерия инкубационного времени (2.4),полученные по экспериментальным данным [2] (бетон – синие круги; бетон сзаполнителем – красные треугольники).На практике явление инверсии прочности для двух материалов наблюдаетсяпри эксплуатации дорожных покрытий в одном из дефектов прочности дорожногопокрытия, называемого колейностью. Крупнозернистые асфальтовые покрытияпредназачены для эксплуатации пассажирского транспорта на большой скоростиперемещения (динамические нагрузки).
Мелкозернистые автомагистрали должнырассчитаны на движения на небольших скоростях грузового транспорта(статические нагрузки). Согласно эффекту инверсии прочности, колейностьсвязана с использованием пассажирского транспорта на автомагистралях,рассчитанных только для квазистатических воздействий. На основе критерия44инкубационного времени можно повысить работоспособность и срок службыдорожных покрытий выбором критического модуля Юнга для различныхобъемных долей заполнителя, при котором дорожное покрытие будет обладатьнеобходимой статической прочностью и достигать допустимого по условиямэксплуатациисреднегомаксимальногонапряжения.Решениепроблемыколлейности на основе концепции инкубационного времени позволит увеличитьсрок службы автомагистралей и уменьшить затраты на строительство новыхавтомагистралей.Прочность армированного бетона под действием динамическихнагрузокПрактическое применение армированного бетона (в частности, припроектировании дорожных покрытий [117]) широко распространено, и основныеисследования по улучшению способов армирования начали проводить в 60х годахпрошлого века [118].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
