Диссертация (1150590), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Разработка новых материалов, обладающих высокимипрочностными свойствами, при модификации арматуры (выбор материалаволокна, геометрия армирующей структуры, выбор расстояния между волокнами)является широкой задачей для изучения (в большинстве случаев при статическихнагрузках). Данная работа анализирует поведение прочности армированногобетона при ударно-волновых нагрузках и предлагается качественный методоценки поведения прочности бетона при увеличении доли армирования.Прочностные характеристики бетона с армирующей структурой поддействием динамических нагрузок исследуются в работах [119–122] на стержняхГопкинсона (метод Кольского) [41]. Рассматривая экспериментальные данные[119], [120] для каждой процентной доли армирования стальным волокномвычислим инкубационные времена по зависимости (2.4).В Таблице 2.3 приведены результаты вычислений инкубационного временидля каждого типа образцов в зависимости от процента армирования стальным45волокном по экспериментальным данным [119,120].

Полученные зависимостикритическогосжимающегонапряженияотскоростидеформациидляармированного бетона [119] и [120], построенные на основе функции (2.4),представлены на Рисунке 2.5 и Рисунке 2.6, соответственно.Таблица 2.3. Свойства армированного бетона [119,120].МатериалБетон [119]Бетон [120]30 – 40350.50.55Параметры волокна:длина, ммдиаметр, мм0%0.5%1%1.5%0%0.5 %1%1.5%Статическая прочность, МПа35.540.643.344.251667074.4Инкубационное время, мкс17.821.432408.211.34614.6 13.5Рис.2.5. Теоретические зависимости (2.4) предела прочности от скоростидеформации армированного бетона [119] с различной объемной долейволокон,обозначенной линией 1-0%; 2-0.5%; 3-1%; 4-1.5%.Рис.2.6.

Теоретические зависимости предела прочности от скорости деформации(2.4) армированного бетона [120] с различной объемной долей волокон,обозначенной линией 1-0%; 2-0.5%; 3-1%; 4-1.5%.ТеоретическиекривыенаРисунке2.5иРисунке2.6соответствуютэкспериментальным данным. Увеличения статической прочности (порядка 5 МПана Рисунке 2.4 и 20 МПа на Рисунке 2.5) для различного процента арматурыявляется незначительным по сравнению с поведением предела прочности поддинамическими воздействиями (при скорости деформации 100 c 1 порядка 20МПа на Рисунке 2.5 и 50 МПа на Рисунке 2.6). Согласно Таблице 2.3,инкубационное время монотонно увеличивается с добавлением армирующихструктур.Всоответствиисоструктурно-временнымподходомростинкубационного времени соотносится с увеличением периода подготовки47материала к разрушению, обозначающий ослабление скорости процессов ростамикродефектов в структуре материала [45].

Таким образом, увеличение пределапрочности при высокоскоростном воздействии будет наблюдаться для бетона сбольшим инкубационным временем.Рассмотрим расчеты инкубационного времени для армированного бетона наРисунке 2.7 (a) по другим экспериментальным данным при ударно-волновыхвоздействияхсостальнымволокном[121],базальтоволокном[122],стекловолокном [122] и при статических экспериментах со стальным волокном[123].

Сравнение поведения статической прочности и инкубационного времени взависимости от объемной доли волокна для ряда экспериментальных точек [119–122], соединенных непрерывной линией показано на Рисунке 2.7. Уменьшениеинкубационного времени наблюдается для бетона [123], обладающего объемнойдолей волокна при переходе от 1% к 1.5%; [121] – от 0% к 6%, что демонстрируетспад восприимчевости внутренней структуры образца к процессу разрушения, вто время как статическая прочность бетона растет. Не соответствие междутенденцией роста статической прочности и инкубационного времени связано стем, что бетон может проявлять свойства вязкого разрушения при увеличениипроцентаарматуры,требующиеформулировокразрушения.48переходавязко-хрупкогоРисунок 2.7.

Поведение (a) инкубационного времени и (b) статической прочностив зависимости от процентного содержания армирующих структур в бетоне наоснове экспериментальных данных: из стали (сплошная линия) [123] (бирюзовыезвезды), [120] (оранжевые квадраты), [119] (синие треугольники), [121](фиолетовые ромбы), стекла (штрихпунктирная линия) и базальта (пунктирнаялиния) [122] (черные треугольники и красные круги).В целом, механизм инкубационного времени дает качественное объяснениеповедению армированного бетона при ударно-волновых нагрузках. Такимобразом, критерий инкубационного времени: объясняет неустойчивое поведение предела прочности при динамическихнагрузках; дает оценку прочности по измеряемым параметрам материала, то естьможно провести конкретные эксперименты для их оценки; описывает процессы разрушения с помощью минимального количествапараметров; критерий является продолжением классических теорий и прогнозируетновые динамические эффекты поведения материала.492.3.

Определение прочности на различных масштабных уровнях. Различиемежду размерным и масштабным эффектамиПри определении прочности материала при кратковременных воздействияхнеобходимо учитывать масштабный уровень разрушения [15–17]. Поведениематериала при хрупком разрушении в зависимости от исследуемого масштабапроцесса может описываться различными прочностными характеристиками(прочность, ударная вязкость).

Процесс разрушения может рассматриваться сточки зрения теорий прочности (макро-уровень) и механики разрушения твердыхтел (на микро-уровне: зарождение и рост микротрещин), отличающихсяопределением момента разрушения.Введение концепции масштабного уровня разрушения [15–17] позволяетсвести в многоуровневую систему различные поведения прочности материала. Вкачестве характеристики масштабного уровня разрушения в [15–17] используетсяпонятие пространственно-временного объема (d , ) . Понимание разрушения наданном масштабном уровне определяется характеристикой образования дефектовлинейным размером d , введенным в (1.6) в качестве связующего параметрамежду прочностными свойствами материала на заданном масштабном уровне[66,67]. Временной характеристикой  является инкубационное время, какпараметр скоростной чувствительности материала, обсуждаемый выше. Такимобразом, масштабный уровень состоит из пространственно-временного объема истатической прочности, определяемой структурным параметром d .Согласно [15–17], каждый масштабный уровень имеет два линейных размера– верхний D upper и нижний Dlower :D upper  c fr ,Dlower2 K IC 2  c2(2.6).(2.7)50Где c – скорость переноса энергии в материале; K IC – статическая вязкостьразрушения и  c– критическое значение прочности, измеренное приквазистатических экспериментальных условиях нагрузки.

Характерная длина Lиспытуемого образца на данном масштабном уровне, вводимая в [15–17],находится в диапазоне:Dlower  L  Dupper .(2.8)Применяя концепцию масштабного уровня к представительному объему длямногоуровневой динамической модели разрушения ( Dlower , Dupper ,  ) , размериспытуемого образца для i-го масштабного уровня попадает в следующийинтервал:Dilower  L  Diupper ,(2.9)который определяется какupperDilower,1  Di(2.10)DilowerDiupper1i .cc(2.11)Отметим, что i-ое инкубационное время характеризует i-ый масштабный уровеньразрушения.

Соотношение (2.11) показывает, что динамические испытанияпредсказывают поведение прочности материала на нескольких масштабныхуровнях. Построенная многоуровневая модель разрушения позволяет описатьпрочностные свойства материала более подробно с помощью различныхдинамических и квазистатических экспериментов.Масштабный эффект в рамках многоуровневой модели разрушения (2.6) –(2.11) следует отличать от размерного эффекта хрупкого разрушения [3,4,124],когда статическая прочность уменьшается с увеличением характерных размеровобразца. Размерный эффект, наблюдаемый в материалах при хрупком разрушении51[32,125,126], можно проинтерпретировать на основе статистического подходапрочности по теории Вейсбулла [127–130] («гипотезы слабого звена» [131]):увеличение характерной длины образца может привести к расширениювозможностей распространения микродефектов в материале, ослабляющихпрочностные свойства материала.

Таким образом, размерный эффект прочности имасштабный эффект прочности [15–17], описываемый независимым параметромот геометрии образца и параметров внешнего воздействия (инкубационнымвременем), является самостоятельными явлениями поведения прочностныхсвойств материала.Рассмотрим экспериментальные данные по растяжению тонких пленок(толщиной порядка 2 мкм) поликристаллического кремния [132,133] в условияхстатическихвоздействий,присутствиеразмерногопредставленныхэффектавпрочностиТаблице 2.4.приНесмотряразличныхнадлинахификсированной ширине образца, можно заметить, что прочность материалаувеличивается при изменении ширины пленки от 5.8 мкм до 19.8 мкм прификсированной длине.

Это противоречие с размерным эффектом прочностиможно объяснить с точки зрения многоуровневой модели разрушения (2.6) –(2.11) как переход материала на другой масштабный уровень.Таблица 2.4. Поведение прочности пленок поликристаллического кремния[132,133].Длина, мкм2501000Ширина, мкм5.819.85.819.8Прочность [132], МПа3.263.472.872.96Прочность [133], МПа3.273.372.973.1Рассмотрим квазистатические и динамические эксперименты, проведенныев работе [134] на стержнях Гопкинсона в интервале скоростей деформации50  500 с 1 , на цилиндрических образцах бетона:52Ds  22 мм и Ls  11 мм ;Ds  32 мм и Ls  10 мм ; Ds  32 мм и Ls  20 мм ; Ds  32 мм и Ls  30 мм ( D s иLs – диаметр и длина испытуемого образца).

На основе критерия (2.5) длякаждого образца (Таблица 2.5) было получено инкубационное время и построенызависимости предела прочности от скорости деформации (Рисунок 2.8). Заметим,что при увеличении диаметра образца от 22 мм до 32 мм при его длинах 10 мм и11 мм наблюдается увеличение предела прочности при статических (на 3.3 МПа)и динамических воздействиях (порядка 100 МПа при скорости деформации1000 с 1 ), а также инкубационного времени (в 2.5 раза). С другой стороны, приразличных длинах образца и диаметре 32 мм, предел прочности и инкубационноевремя уменьшается.

Характеристики

Список файлов диссертации