Response of fine-grained fiber-reinforced concrete under different mechanical loading conditions.pdf Введение Противодействие техногенным угрозам и терроризму, а также природным опасностям, создающим риски для жизни, здоровья людей и экономики государства, является одной из приоритетных задач, на решение которой должны быть направлены усилия ученых согласно Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. В процессе таких явлений возникают динамические воздействия на конструкции зданий или сооружений - удары и взрывы, характеризующиеся непрерывным изменением параметров и вызывающие высокие скорости деформации конструкционных материалов. Поэтому изучение фундаментальных закономерностей поведения строительных материалов при динамических режимах нагружения является актуальным направлением исследований в современной механике, которое позволит спрогнозировать последствия чрезвычайных ситуаций и уменьшить негативный эффект от них. Механические свойства материалов необходимы для идентификации математических моделей, а также разработки и проверки гипотез прочности, которые используются при численном расчете напряженно-деформированного состояния конструкций сооружений различного назначения на быстро изменяющиеся во времени воздействия. Одним из перспективных строительных материалов является фибробетон [1]. Фибробетон - это бетон, армированный равномерно распределенными в его объеме волокнами (фиброй), имеющими сцепление с бетоном по своей поверхности. Фибробетон обладает повышенной трещиностойкостью, ударной прочностью, вязкостью разрушения, износостойкостью, морозостойкостью, сопротивлением 98 Ламзин Д.А., Гонов М.Е., Брагов А.М., Ломунов А.К. Поведение мелкозернистых фибробетонов кавитации, а также пониженной усадкой и ползучестью. Эти преимущества позволяют рекомендовать дисперсно-армированный бетон к применению в конструкциях, которые могут быть подвержены высокоскоростным воздействиям. Опубликованы некоторые результаты изучения механического поведения фибробетона при высоких скоростях деформации [2-7]. В данной работе было выполнено экспериментальное исследование, цель которого заключалась в анализе процессов деформирования и энергопоглощения при сжатии разных мелкозернистых фибробетонов, отличающихся друг от друга видом добавляемой фибры. Образцы для испытаний изготавливались из бетонной смеси с добавлением волокон волнистой формы из стальной проволоки или полипропилена, объемная доля которых составляла 1,5%. Методы исследования При ударах и взрывах скорости деформации конструкционных материалов могут составлять ІО'-ІѲ4 1/с. Для определения свойств разных материалов в этом диапазоне скоростей деформации применяется методика Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) [8], которая к настоящему времени дополнена многочисленными модификациями, позволяющими исследовать динамическое поведение хрупких сред при различных типах нагружения [9-ІІ]. Имеются публикации, которые посвящены анализу явлений, происходящих в системе РСГ [12-15]. Суть указанного метода состоит в следующем. В одном из стержней ударом бойка возбуждается одномерная упругая волна сжатия, которая распространяется по стержням со скоростью звука. При достижении образца эта волна ввиду разницы акустических жесткостей материалов стержня и образца, а также площадей их поперечных сечений расщепляется: часть ее отражается обратно волной растяжения, а часть проходит через образец во второй стержень волной сжатия. Образец при этом повреждается или полностью разрушается, в то время как стержни деформируются упруго. В ходе эксперимента производится регистрация импульсов деформации в поперечных сечениях мерных стержней, на основании которых строится диаграмма деформирования исследуемого материала. Деформация образца определяется по перемещениям торцов стержней, примыкающих к образцу, а напряжение - по усилиям, соответствующим этим перемещениям. После численного интегрирования зависимости напряжения от деформации определяется энергия, затраченная на деформирование единицы объема образца исследуемого материала. Варьируя амплитуду и длительность нагружающего импульса путем изменения скорости и длины ударника, можно получить разные режимы нагружения испытываемых образцов, которые будут соответствовать определенной степени повреждения и скорости деформации материала. Используемая для динамических испытаний установка состояла из газовой пушки с системой управления, позволяющей разгонять ударники диаметром 20 мм, сменного комплекта мерных стержней диаметром 20 мм и измерительной аппаратуры. В экспериментах регистрировалась скорость ударника перед его воздействием на нагружающий стержень, а также импульсы деформации мерных стержней с помощью цифрового осциллографа. Построение диаграмм деформирования на основе полученных осциллограмм осуществлялось с использованием оригинальных программ обработки экспериментальных данных. Образцы материалов 99 Механика / Mechanics для динамических испытаний имели цилиндрическую форму с диаметром основания 20 мм и высотой 10 мм. Динамические эксперименты проводились в совокупности со статическими испытаниями при скорости деформации 30 х 10-6 1/с на универсальной испытательной машине Z100 Zwick-Roell [16, 17], чтобы оценить изменение механического поведения исследуемых фибробетонов при переходе от статического нагружения к динамическому. Образцы для статических испытаний также имели цилиндрическую форму с диаметром основания 20 мм, но их высота составляла 20 мм. Управление статическими экспериментами осуществлялось с использованием программного обеспечения testXpert II. Результаты исследования Используемые методы испытаний позволили проследить процессы деформирования и энергопоглощения исследуемых фибробетонов, а также оценить изменение механических характеристик с ростом скорости деформации. После проведения экспериментов, обработки зарегистрированных усилий и перемещений в условиях статики, а также импульсов деформации мерных стержней в условиях динамики были построены диаграммы деформирования и соответствующие им диаграммы удельного энергопоглощения испытанных образцов. При каждом режиме нагружения проводилось от трех до шести испытаний. Далее осуществлялось усреднение полученных данных для определенных режимов нагружения и выполнялась их статистическая обработка, а также определялись значения удельной энергии, затраченной до начала разрушения изучаемых фибробетонов. Статические зависимости напряжения и удельной энергии от деформации бетона с добавлением полипропиленовой фибры приведены на рисю 1, а сталефибробетона - на рисю 2. Доверительные интервалы на графиках соответствуют 90%-ному уровню надежности. Динамические режимы нагружения были выбраны таким образом, чтобы увеличение скорости ударника позволило плавно подойти к разрушению образца. В результате максимальные величины скорости деформации, которые были получены в экспериментах, находились в интервале 200-800 1/с. Зависимости изменения напряжения в процессе деформирования и удельной энергии до начала разрушения от деформации для бетона с добавлением полипропиленовой фибры при трех достигнутых скоростях деформации приведены на рис. 3, а для сталефибробетона при двух достигнутых скоростях деформации - на рис. 4. Доверительные интервалы на графиках, полученных в условиях динамического нагружения, соответствуют 90%-ному уровню надежности, так же как и на статических диаграммах. При самой маленькой скорости деформации диаграмма деформирования имеет ветвь разгрузки, характеризующуюся уменьшением деформации и напряжения после достижения максимума на графике. При больших скоростях деформации диаграммы деформирования имеют протяженный участок роста деформаций при уменьшении напряжений, соответствующий процессу разрушения материала. Диаграммы деформирования и энергопоглощения всех исследованных бетонов имеют схожий вид, а также показывают увеличение прочности и энергоемкости с ростом скорости деформации. Наибольшее увеличение прочности и энергоемкости происходит при добавлении в бетонную смесь стальной фибры. 100 Ламзин Д.А., Гонов М.Е., Брагов А.М., Ломунов А.К. Поведение мелкозернистых фибробетонов Удельная энергия, кДж/м3 Напряжение, МПа 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Деформация, % 300 250 200 0.3 0.4 0.5 Деформация, % Ъ Рис. 1. Результаты статических испытаний бетона с добавлением полипропиленовой фибры: а - диаграмма деформирования, b - диаграмма энергопоглощения Fig. 1. Static load test results for concrete with the addition of polypropylene fiber: (a) deformation and (b) energy absorption diagrams 101 Удельная энергия, кДж/м3 Напряжение, МПа Механика / Mechanics Деформация, % 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Деформация, % b Рис. 2. Результаты статических испытаний сталефибробетона: а - диаграмма деформирования, b - диаграмма энергопоглощения Fig. 2. Static load test results for steel fiber reinforced concrete: (a) deformation and (b) energy absorption diagrams 102 Удельная энергия, кДж/м3 Напряжение, МПа іШТіТг 783 1/с j \\ I A 266 1/с /// 1 216 1/с ....."ЩЯШ Ламзин Д.А., Гонов М.Е., Брагов А.М., Ломунов А.К. Поведение мелкозернистых фибробетонов 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 Деформация, % а 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 266 1/с 216 1/с Деформация, % Рис. 3. Результаты динамических испытаний бетона с добавлением полипропиленовой фибры при трех скоростях деформации: а - диаграммы деформирования, b - диаграммы энергопоглощения Fig. 3. Dynamic load test results for concrete with the addition of polypropylene fiber at three different strain rates: (a) deformation and (b) energy absorption diagrams b 103 Механика / Mechanics 120 Удельная энергия, кДж/м3 Напряжение, МПа 0 100 80 60 40 20 681 1/с 253 1/с у 1 Деформация, % Рис. 4. Результаты динамических испытаний сталефибробетона при двух скоростях деформации: а - диаграммы деформирования, b - диаграммы энергопоглощения Fig. 4. Dynamic load test results for steel fiber reinforced concrete at two different strain rates: (a) deformation and (b) energy absorption diagrams Деформация, % Ъ 104 Ламзин Д.А., Гонов М.Е., Брагов А.М., Ломунов А.К. Поведение мелкозернистых фибробетонов ♦ * ♦ ♦ ♦ /у * * I Энергия, кДж/м3 Энергия, кДж/м3 1200 1000 800 600 400 200 0 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 Скорость деформации, 1/с Рис. 5. Влияние скорости деформации на величину энергии, затраченной до начала разрушения бетона с добавлением полипропиленовой фибры Fig. 5. Effect of the strain rate on the energy expended before the fracture initiation in concrete with the addition of polypropylene liber 1200 1000 800 600 400 200 0 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 Скорость деформации, 1/с Рис. 6. Влияние скорости деформации на величину энергии, затраченной до начала разрушения сталефибробетона Fig. 6. Effect of the strain rate on the energy expended before the fracture initiation in steel fiber reinforced concrete Зависимость величины удельной энергии до начала разрушения от скорости деформации, полученная при испытаниях образцов бетона с добавлением полипропиленовой фибры, представлена на рис. 5, а полученная при испытаниях об-105 Механика / Mechanics разцов сталефибробетона - на рис. 6. Видно, что энергия, необходимая для старта разрушения, растет с увеличением скорости деформации для обоих исследуемых фибробетонов. Это увеличение достигает восьми раз для бетона с добавлением полипропиленовой фибры и шести раз для бетона с добавлением стальной фибры. Заключение Проведены статические и динамические испытания бетонов с добавлением стальной и полипропиленовой фибры. Выполнена обработка полученных экспериментальных данных, в результате которой построены диаграммы деформирования и энергопоглощения с доверительными интервалами при разных скоростях деформации. Отмечен схожий вид графиков деформирования и энергопоглощения исследованных бетонов. Показано влияние скорости деформации на прочность и энергоемкость материалов, характеризующееся их ростом. При достигнутых скоростях деформации в диапазоне 200-800 1/с значение энергии до начала разрушения увеличивалось в разы по сравнению со статической величиной при скорости деформации 30 х 10-6 1/с.

Скачать электронную версию публикации