Учебное пособие 1265

11

механические свойства среды и то, что фазовая постоянная равна с t .

Тогда коэффициент затухания и скорость распространения поперечной волны будут равны следующим выражениям:

Логарифмический декремент колебаний волны равен

где tg 2 – тангенс угла механических потерь.

Логарифмический декремент колебаний поперечной волны в пористой среде зависит от коэффициента затухания волны и от скорости волны, проходящей от источника сигнала (трещины) к приемнику.

Из выражений (8) и (10) следует, что коэффициенты затухания и скорости распространения продольных и поперечных упругих волн акустической эмиссии зависят от коэффициента Пуассона , модуля Юнга Е, пористости m, плотности и массы компонент среды, то есть от характеристик и свойств материала.

На рисунках 1, 2 показаны зависимости коэффициента затухания и скорости распространения продольной акустической волны от пористости цементобетона. Очевидно, что возрастание затухания связано с формированием областей перехода дислокаций в новое состояние и уменьшением скорости в этом диапазоне пористости, характеризующихся возрастанием стационарных процессов упругого взаимодействия.

На рисунках 3, 4 показаны зависимости скорости распространения продольной упругой волны в материале цементобетонного покрытия от его физикомеханических характеристик – модуля Юнга и коэффициента Пуассона.

Величина скорости упругой продольной волны на рисунке 3 уменьшается при увеличении модуля упругости цементобетона, так как среда с большим модулем упругости соответствует цементобетону более высокой марки и имеет более высокий коэффициент поглощения. Зависимость скорости прохождения упругой про-

12

дольной волны от коэффициента Пуассона материала носит схожий характер.

Рис. 3 Рис. 4 Рисунки 5 и 6 показывают изменения коэффициента затухания и скорости

распространения продольной звуковой волны в цементобетонной среде с различной прочностью бетона. Графики рисунка 5 носят полиномиальный степенной характер для каждой из марок цементобетона. С увеличением прочности бетона по марке коэффициент затухания звуковой волны увеличивается, а скорость еѐ, наоборот, уменьшается. Скорость распространения продольной звуковой волны для всех рассмотренных марок цементобетона (рисунок 6) сначала незначительно растет в промежутке значений пористости от 0,03 до 0,1, а затем снижается и проходит ровно от 0,1 до 0,16. В более легких бетонах скорость упругой звуковой волны выше, а с увеличением марки уменьшается практически в два раза.

m

Свойства материала аэродромного покрытия, в частности плотность и прочность цементобетона по марке, оказывают существенное влияние на характеристики распространения упругих волн акустической эмиссии.

В третьей главе рассмотрены вопросы экспериментального исследования определения усталостной прочности изгибаемых бетонных образцов в области положительных и отрицательных значений коэффициента асимметрии цикла нагружения и установлены закономерности появления и развития трещин в зависимости от уровня нагружения и количества циклов.

Для производства статических и ресурсных испытаний цементобетонных образцов была разработана экспериментальная лабораторная установка (рисунок 7).

Установка состоит из следующих агрегатов: источника силовой энергии (1), пульта управления (2), измерительного комплекса (3), нагружающего

13

устройства (4).

Данный комплекс позволяет исследовать напряженно-деформированное состояния бетонных элементов по соответствующей методике. В ходе исследований измерялись и фиксировались следующие параметры:

-величины нагрузки;

-напряжений в бетоне;

-момента образования трещин;

-положения трещины в теле образца.

Для определения параметров НДС цементобетонных образцов использовалась следующая измерительная аппаратура и приборы:

-силоизмеритель пресса МС-1000;

-датчик вертикальных перемещений образца;

-тензометрическая станция для определения величины напряжений в бетоне;

-прибор акустической эмиссии для определения момента образования трещин в напряженном бетоне;

-ультразвуковой прибор для определения основных параметров бетона (скорость ультразвука, коэффициент поглощения) и положения трещины в напряженном бетоне.

Рис. 7. Общий вид экспериментальной установки

Для измерения деформаций и напряжений бетона конструкции применялся электротензометрический метод, в основе которого лежит тензорезисторный эффект, проявляющийся в изменении электрического активного сопротивления проводника при его деформации.

В связи с большим количеством поступающей информации в единицу времени и сложностью задания параметров нагружения, имеется блок аналогоцифрового преобразования (АЦП), необходимый для преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид. Для управления элементами автоматики установки, в комплект входит устройство дискретного ввода-вывода (УВВ).

На АЦП поступают сигналы:

- от тензометрической станции, измеряющей деформации бетонных элемен-

тов;

- сигнал с прибора, регистрирующего акустические импульсы.

На устройство ввода ПЭВМ поступают логические сигналы от датчика вер-

14

тикальных перемещений образца и от датчика числа нагружений.

Полученные данные обрабатываются с помощью прикладной программы. Результаты сохраняются в памяти ПЭВМ и выдаются управляющие сигналы на корректировку параметров нагружения.

Определение местоположения дислокационных изменений, вызванных большими величинами напряжений в материале цементобетона, а также их спектрального состава, необходимого для идентификации акустических сигналов от различных источников помех осуществляется с помощью прибора акустической эмиссии. Общий вид блока сбора и обработки информации представлен на рисунке 8.

Рис. 8. Схема блока сбора и обработки информации Погрешность измерительного комплекса определялась:

где - возможная погрешность, возникающая в следствии влияния погрешностей в измерительной схеме и ошибок, допускаемых при обработке величин; m - погрешность показания тензодатчиков; ус. - погрешность, возникающая при работе усилителя; АЦП. - погрешность, возникающая при обработке выборок АЦП; l - погрешность, возникающая в следствии изменения проводимости проводников при воздействии внешних факторов. Ошибка измерений составляла 8-10 .

Он состоит из четырех пьезодатчиков, преобразующих импульсы механических колебаний в электрические сигналы, поступающие на предварительный усилитель, который поднимает уровень сигнала до необходимого для последующего преобразования и поступают далее на входы АЦП блока сбора и обработки информации. Для обеспечения обработки высокочастотных спектральных составляющих сигнала, дискретизация производится на частоте:

F ацп N k n в f max , (12)

где Nк – количество каналов; nв – число выборок;fmax – максимальная частота спектра. Частота выборок АЦП 1,6 МГц .

15

Преобразованные аналого-цифровые сигналы поступают на ПЭВМ и, обработанные программой, отображается на мониторе, указывая наиболее вероятные места образования микроповреждений.

Таким образом, данный измерительный комплекс позволяет отслеживать одновременно несколько параметров напряженно-деформированного состояния на всех этапах проведения испытаний, вести их статистическую обработку и накопление, а также, при заданных условиях выдавать управляющие сигналы на корректировку параметров нагружения.

Экспериментальная установка по производству статических и динамических испытаний после изготовления и опробования была подвергнута метрологическому контролю. При статических испытаниях бетонных балок определялись напряжения в бетоне растянутой зоны до образования трещин, момент появления трещин, развитие трещин по длине и ширине, расстояние между трещинами. При этом анализу подвергались три наиболее характерные (крупные) трещины. Целью статических испытаний являлось установление величины статической разрушающей нагрузки для сопоставления ее с величиной разрушающей нагрузки при усталостных испытаниях.

Критерием исчерпания прочности бетонных образцов являлось появление магистральных трещин разрушения.

Прочность бетона на растяжение при изгибе согласно требованиям определяли путем испытания образцов в возрасте трех месяцев. Образцы в процессе испытаний нагружали с постоянной скоростью нарастания напряжений (0,05 0,02) МПа/с. На каждой ступени производились замеры ширины раскрытия трещин и фиксировалась нагрузка. Графические результаты обработки экспериментальных данных представлены на рисунках 9,10,11.

Рис. 10. Ширина раскрытия трещин в зависимости от нагрузки

16

Зависимость усталостной прочности железобетона от характеристики цикла нагружения наиболее удобно представлять в полулогарифмической системе координат (рисунок 12).

Рис. 11. – Зависимость акустического спектра от нагрузки

lg N - логарифм числа циклов, соответствующий пределу выносливости; Rри - предел прочности материала на растяжение при изгибе.

Рис. 12. Линии регрессии по результатам усталостных испытаний

Значения коэффициентов А при ρ = 0,5 и ρ = 0 превышает единицу. Это явление возможно объяснить наличием у бетона эффекта динамического упрочнения, возникающего при малых числах нагружений и высокой скорости при проведении испытаний. В данной работе значение этих коэффициентов принято по интерполяции прямых в область малоцикловой усталости.

Анализ корреляционных уравнений позволяет сделать следующие выводы:

-при возрастании коэффициента асимметрии цикла от -1 до 0,5 коэффициент выносливости испытуемых образцов увеличивается от 0,43 до 0,77;

-при возрастании амплитуды напряжений коэффициент выносливости железобетона уменьшается;

-нагружение циклической нагрузкой, когда изменяется не только величина,

но и знак нагрузки ( <0 - знакопеременные циклы), значительно опаснее знакопостоянных циклов;

- при определении выносливости железобетонных образцов необходим учет напряжений, величина которых больше 40 -ой величины разрушающей нагрузки.

Графически результаты исследований выносливости цементобетона при различных можно представить зависимостью max / R ри (рисунок 13).

На основании экспериментальных данных по линейной зависимости определена выносливость монолитного цементобетона при = 1 (т.е. при длительном

17

нагружении), которая составляет 0,84 Rпр.(рисунок 13). Величина полученной длительной прочности цементобетона сопоставима с результатами исследований других авторов.

Корреляционное уравнение имеет вид:

В четвѐртой главе произведѐн анализ результатов моделирования и экспериментального исследования по диагностике эксплуатационного состояния монолитных цементобетонных аэродромных покрытий неразрушающим методом акустической эмиссии, приведены рекомендации и алгоритм по использованию данной методики на практике.

Для практического использования методики разработана схема производства работ по диагностической оценке остаточного ресурса и техникоэксплуатационного состояния монолитных цементобетонных аэродромных покрытий. Особенностью разработанного алгоритма схемы является указание расположения места измерения на ВПП и РД аэродрома и взаиморасположение техники и измерительных приборов.

Представленное в работе нагружающее устройство позволяет проводить испытания, учитывающие величины нагружения, близкие к условиям эксплуатации, что, в свою очередь, позволяет определить напряжѐнно - деформированное состояние аэродромной одежды, эквивалентное реальному воздействию воздушного судна. Локация процессов дислокационных изменений в структуре материала покрытия и микротрещинообразования при различных условиях нагружения позволяет получать реологическую составляющую, необходимую для получения объективной оценки технико-эксплуатационного состояния аэродромной одежды данного типа и определить остаточный ресурс ее жизненного цикла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Построена физико-математическая модель формирования упругих волн акустической эмиссии при разрушении микроструктуры цементобетонного материала на основе математической теории разрывов;

2.Впервые построена математическая модель диссипативных процессов (образования трещин), происходящих при гармоническом возбуждении звуковыми волнами двухкомпонентных пористых сред, свойства которых заданы ком-

18

плексными числами и учитывают физико-механические характеристики среды;

3.Разработана методика неразрушающего акусто-эмиссионного контроля, позволяющая определить статическую и усталостную прочность цементобетонных образцов при различных режимах нагружения;

4.Разработана методика проведения измерений, позволяющая определить напряженно-деформированное состояние цементобетонных образцов и связывающая данные акустической эмиссии, возникающей при сложном нагружении с физико-механическими характеристиками материала;

5.Впервые разработана методика неразрушающего контроля, позволяющая определять остаточный ресурс монолитных цементобетонных аэродромных покрытий в условиях силового воздействия воздушных судов по анализу сигналов акусто-эмиссионного отклика.

6.Предложен алгоритм и методические указания по применению неразрушающего акусто-эмиссионного контроля для определения эксплуатационного состояния транспортных сооружений.

Перспективами дальнейшей разработки темы следует считать исследования неразрушающего акустического мониторинга эксплуатационного состояния элементов зданий и сооружений на различных этапах их жизненного цикла.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1.Белых, А.Г. Влияние остаточного ресурса цементобетонных покрытий аэродромов и автомобильных дорог на формирование упругих волн акустической эмиссии / А.Г. Белых, В.В. Волков, Л.А. Кукарских // Научный Вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. – 2015. - № 3. – С. 60–67.

2.Белых, А.Г. Моделирование процесса трещинообразования цементобетонных конструкций, подверженных нагружению, и его связь с акустоэмиссионным откликом / А.Г. Белых, В.Н. Мелькумов, В.В. Волков, Л.А. Кукарских // Научный Вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. –

2015. - № 4. – С. 18-27.

3.Белых, А.Г. Исследование статической и усталостной прочности цементобетона при различных режимах нагружения с использованием метода акустической эмиссии/ А.Г. Белых, А.Н. Скляров, Л.А. Кукарских // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2016. – № 3. – С. 47–53.

Публикации в других изданиях

4.Белых, А.Г. Математическая модель распространения упругих волн в цементобетоне с использованием его физико-механических характеристик / А.Г. Белых, Л.А. Кукарских // X Межд. науч.-прак. конф. 17-18 апреля 2015 года. Ежемесяч. науч. журнал. - Новосибирск. - С. 56-62. – ISSN 34567-1769.

5.Белых, А.Г. Влияние водоцементного соотношения на деформативные характеристики цементобетона / А.Г. Белых, Л.А. Кукарских // Первые Международные Лыковские научные чтения 22 сентября 2015. - Курск. - С. 277-281. - ISBN 978-5-9907009-4-9

6.Белых, А.Г. Влияние волновых процессов на разрушение водонасыщенных пористых сред / А.Г. Белых, Л.А. Кукарских // Первые Международные Лыковские научные чтения 22 сентября 2015. - Курск. - С. 284-289. - ISBN 978-5-

19

9907009-4-9

7.Белых, А.Г. Применение неразрушающего акустического мониторинга для обеспечения безопасной эксплуатации промышленных объектов / А.Г. Белых, Л.А. Кукарских // VI Всерос. НПК с междунар. участием 17 апреля 2015. - ФГБОУ ВПО ВИ ГПС МЧС России. – Воронеж. - 2015. - Ч 2. - С. 11-14.

8.Белых, А.Г. Волновые процессы в пористых средах / А.Г. Белых, Л.А. Кукарских // Современные тенденции развития науки и технологий. Сб. науч. трудов по мат. V МНПК 31 августа 2015 г. Секция «Физико-математические науки». – Белгород. – 2015. - № 5. - Ч.1. - С.13-16.

9.Белых, А.Г. Математическая модель скорости распространения ударных волн возникающих в цементобетонных аэродромных покрытиях при динамическом нагружении / А.Г. Белых, Л.А. Кукарских // НТ-2015: труды XIII Всерос. науч.-тех. конф. – Воронеж: ВГТУ, 2015. – 167 с. - С. 18-20.

10.Белых, А.Г. Деформирование пористой цементобетонной среды / Л.А. Кукарских, А.Г. Белых // НТ-2015: труды XIII Всерос. науч.-тех. конф. – Воронеж: ВГТУ, 2015. – 167 с. - С. 20-22.

11.Белых, А.Г. Экспериментальные исследования напряженнодеформированного состояния цементобетонных аэродромных покрытий методом акустической эмиссии / А.Г. Белых, М.В. Ключникова // Всерос. ежегод. науч. конф. «Актуальные проблемы вооруженной борьбы в воздушно-космической сфере»

–Воронеж: ВУНЦ ВВС ВВА, 2015. - С. 28-32.

12.Белых, А.Г. Распространение ударных волн в бетонных покрытиях аэродрома при силовом воздействии колесных опор воздушных судов. / А.Г. Белых, Л.А. Кукарских // Межд. науч. институт «Educatio». – 2014. – № 4. – С. 128-131.

13.Белых, А.Г. Распространение ударных волн в двухкомпонентной насыщенной газом пористой среде. / А.Г. Белых, В.С. Поленов, Л.А. Кукарских // Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). – 2014. – № 5. – ч. 5. – С. 8-10.

Белых Антон Геннадьевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МОНОЛИТНЫХ ЦЕМЕНТОБЕТОННЫХ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учѐной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.03.2016. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № ---.

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий

Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84