2026

Рис. 3.14. Зависимость количества (N1 и N2) сигналов АЭ соответственно с амплитудами А1 и А2 и отношения N1/N2 – от интенсивности нагружения образцов серии 3:

1 – амплитуда сигнала АЭ А1=0,05-0,50 В; 2 – амплитуда сигнала АЭ А2>0,50 В; 3 – отношение количества (N1 и N2) сигналов АЭ;

а) возраст цементного камня 28 суток; б) то же – 420 суток; в) то же – 18 лет

121

Рис. 3.15. Зависимость количества (N1 и N2) сигналов АЭ соответственно с амплитудами А1 и А2 и отношения N1/N2 – от интенсивности нагружения образцов серии 4:

1 – амплитуда сигнала АЭ А1=0,05-0,50 В; 2 – амплитуда сигнала АЭ А2>0,50 В; 3 – отношение количества (N1 и N2) сигналов АЭ;

а) возраст цементного камня 28 суток; б) то же – 420 суток; в) то же – 18 лет

122

Так, первые сигналы АЭ с амплитудой A1 на диаграммах нагружения

образцов серии №1…№4 были зарегистрированы, соответственно, при уровнях нагружения 0,4; 0,96; 0,15 и 0,78 Rри, а сигналы АЭ с амплитудой

A2 – соответственно, при уровнях нагружения 0,8; 0,96; 0,94 и 0,78 Rри. При этом количество УЗ-импульсов АЭ N1 и N2 c амплитудой A1 и A2 при предельном уровне нагружения 0,95-0,96 Rри составляло, соответственно, 17 и 3; 5 и 1; 10 и 2; 13 и 3, что соответствует отношению N1 A1 N2 A2 ,

как 5,6; 5; 5 и 4,3. При полном разрушении этих образцов было зарегистрировано УЗ-импульсов с амплитудой A1 и A2 , соответственно,

180 и 155; 160 и 120; 101 и 65; 271 и 143, что соответствует отношению

N1 A1 N2 A2 – 1,2; 1,33; 1,55 и 1,9.

Сравнивая зависимости изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ от интенсивности нагружения образцов серии №1…№4 в возрасте цементного камня 28 суток, отличающихся друг от друга технологической процедурой дозирования СП С-3 и его концентрацией, что нашло отражение, прежде всего, в значениях прочности Rри этих составов, которая, соответ-

ственно, составляла 5,19; 3,88; 3,98 и 4,0 МПа, следует отметить как качественное, так и количественное различие изменения анализируемых зависимостей, что, на наш взгляд, отражает влияние особенности химикотехнологической процедуры модификации дисперсно-кристаллитной наноструктуры цементного камня как на механизм разрушения структуры под нагрузкой, так и на значения прочности Rри и Rсж [21]. Вместе с тем,

следует отметить, что незначительное излучение УЗ-импульсов вплоть до уровня нагружения 0,95-0,96 Rри обусловлено наличием достаточного

количества адгезионных контактов электромагнитной и электростатической природы в наноструктуре цементного камня 28-суточного возраста, что особенно характерно для образцов цементного камня серии №2 с дозировкой СП С-3 в количестве 1 % от массы цемента. На наш взгляд, акустический параметр отношения N1 A1 N2 A2 может быть использован

для идентификации процесса разрушения образцов цементного камня на диаграмме нагружения с учетом различных физических явлений, лежащих в основе процессов генерируемых сигналов АЭ с амплитудой A1 и A2 и

отражающих в общем случае вклад пластической и хрупкой составляющей в суммарный процесс разрушения.

Анализ зависимостей изменения генерируемых сигналов АЭ от интенсивности нагружения для образцов цементного камня в возрасте 420 суток, когда упрочнение наноструктуры во времени результируется как переход части адгезионных контактов электромагнитной и электростатической природы в кристаллизационные связи валентной природы [24], с одной

123

стороны, приводит к заметному повышению прочности Rри до значений

6,38; 6,69; 6,9 и 7,5 МПа, соответственно, для серий образцов №1…№4, а с другой, свидетельствует о принципиально ином качественном и количественном характере изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ образцами сравниваемых серий.

Так, первые сигналы АЭ как с амплитудой A1 , так и с амплитудой A2 ,

были зарегистрированы на всех образцах сравниваемых серий на самых начальных уровнях нагружения, то есть на уровнях 0,14-0,16 Rри . Даль-

нейшее нагружение образцов, как это видно из графических зависимостей рис. 3.12…3.15, характеризуется достаточно интенсивным излучением УЗимпульсов АЭ относительно образцов цементного камня 28-суточного возраста. При этом наибольшую интенсивность сигналов АЭ показали образцы серии №2, что коррелирует с параметром модифицирования структуры цементного камня и приростом его прочности в возрасте 420 суток.

Зависимости N1 A1 N2 A2 для образцов этого возраста достаточно

наглядно отражают колебания этого отношения и стохастический характер амплитудно-энергетического распределения УЗ-импульсов АЭ на кривой нагружения опытных образцов. Стохастичность АЭ на этапах нагружения обусловлена неравновесными фазовыми переходами, которые с позиций синергетики [22] позволяют обосновать как наличие дискретных уровней энергии на единицу длины развития дефекта структуры, так и смену микромеханизма разрушения в точке бифуркации, при достижении которой скачкообразно изменяются свойства из-за самоорганизации процесса.

При предельном уровне нагружения 0,94-0,97 Rри образцов 420-суточ-

ного возраста серии №1…№4 было зарегистрировано УЗ-импульсов АЭ с амплитудами A1 и A2 , соответственно, 67 и 16; 396 и 111; 22 и 10; 77 и 11,

что соответствует отношению N1 A1 N2 A2 , как 4,2; 3,6; 2,2 и 7,0. При

полном разрушении этих образцов было зарегистрировано УЗ-импульсов с

A1 и A2 , соответственно, 317 и 218; 741 и 341; 236 и 175; 638 и 333, что соответсвует отношений N1 A1 N2 A2 – 1,45; 2,2; 1,3 и 1,9.

Прежде чем провести анализ зависимостей изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ от интенсивности нагружения для образцов цементного камня 18-летнего возраста, следует отметить, что в этом возрасте в структуре цементного камня проявились в полной мере как собственные деформации и собственные напряжения, так и формирование конден- сационно-кристаллизационной структуры, в результате чего прочность Rри

сравниваемых серий образцов стала составлять, соответственно, 5,35; 6,53; 6,2 и 7,0 МПа, то есть произошло снижение Rри относительно возраста 420

суток на 16; 2; 10 и 7 %, соответственно, для серий №1…№4, что снова

124

находится в полном согласии с влиянием принятой технологии модифицирования и структурообразования цементного камня.

Однако, несмотря на снижение Rри , следует подчеркнуть, что интен-

сивность излучения этими образцами УЗ-импульсов АЭ как с амплитудой A1 , так и с амплитудой A2 , стала еще больше, что, вероятно, обусловлено

развитием дефектов структуры от собственных напряжений, являющихся дополнительными источниками генерирования сигналов АЭ. Характер же изменения зависимостей излучения ультразвуковых импульсов на диаграмме нагружения образцов 18-летнего возраста в принципе остается таким же, как и в возрасте образцов 420 суток. При этом акустический параметр отношения N1 A1 N2 A2 сравниваемых серий образцов в

возрасте 18 лет при предельном напряжении, равном 0,93-0,97 Rри , состав-

лял, соответственно, 3,3; 3,6; 2,82 и 1,93, а при полном разрушении составлял, соответственно, 1,9; 1,7; 2,0 и 1,35 для образцов серий №1…№4.

Сравнивая результаты исследования по изучению характера изменения излучения УЗ-импульсов АЭ и его параметрам – от интенсивности нагружения во временном диапазоне от 28 суток до 18 лет, следует отметить, что информацию, полученную по методу акустической эмиссии, можно положить в основу идентификации процесса разрушения цементного композита под нагрузкой с достаточно четкой идентификацией пластической и хрупкой составляющей процесса по численным значениям акустического параметра N1 A1 N2 A2 на кривой нагружения, значения кото-

рого достаточно четко отражают влияние процедуры введения С-3 на формирование дисперсно-кристаллитной наноструктуры цементного камня и ее механическое поведение под нагрузкой.

Таким образом, контролируя характер изменения излучения УЗ-им- пульсов АЭ, параметры сигналов АЭ по амплитуде и параметр отношения N1 A1 N2 A2 , можно не только судить о прочностных свойствах

материала в реальном масштабе времени, но и прогнозировать предельное состояние структуры или установить связь между уровнем напряжения и сопротивлением материала стабильному и нестабильному развитию микротрещин разрушения. Такой контроль приближает исследователя к пониманию самого процесса разрушения и выявлению параметров материала, определяющих его трещиностойкость, и на этой основе позволяет осуществлять рациональную оптимизацию структуры и технологии создания цементных композитов нового поколения с определенными свойствами, заранее заданными в некоторых пределах.

125

3.4. Прочность, деформативность и структурные изменения цементного камня в процессе нагружения

Для изучения деформативных свойств и прочности цементного камня при осевом сжатии был использован себряковский бездобавочный портландцемент активностью 41,5 МПа нормальной густоты, равной 0,26. Минералогический состав цемента в %: С3S – 56; С2S – 19; С3А – 13; С4AF – 12. Начало схватывания – 3 ч, конец схватывания 4 ч 20 мин.

Характеристики цементов были определены в соответствии с требо-

ваниями ГОСТ 310.1-76 – 310.3-76 и ГОСТ 310.4-81.

Было изготовлено и испытано две серии образцов из цементного камня с В/Ц отношением, равным 0,25 и 0,31 [27]. Каждая серия образцов состояли из 12-и балочек, размером 40 40 160 мм. Приготовление смесей и изготовление образцов балочек производили по методике ГОСТ 310.4-81.

После суточного хранения в формах над водой образцы распалубливали и помещали на 27 сут в ванну с водой при температуре 20…22 °С. Затем образцы в течение 30 сут хранили в естественных лабораторных условиях.

Механические испытания образцов на осевое сжатие проводили в возрасте 60-65 суток с помощью пресса УММ-50. Для замера деформаций использовали измеритель АИД-1М.

При напряженном состоянии осевого сжатия замеряли продольные и поперечные деформации образцов. Для этого на каждой грани призмы в средней части ее высоты наклеивали крестом 50- и 30-миллиметровые тензодатчики соответственно в продольном и поперечном направлениях.

Определение структурных, деформационных и прочностных характеристик опытных образцов при кратковременном нагружении производили в соответствии с рекомендациями [28].

На основании обработки тензометрических измерений определяли значения предельной сжимаемости ( 1), предельной поперечной растяжимости ( 2); коэффициента поперечной деформации ( ), объемного относительного изменения цементного камня при осевом сжатии ( ), приращения объема ( ) и по ним оценивали границу появления разуплотнений структуры цементного камня и развития микротрещин.

На рис. 3.14 приведены экспериментальные кривые продольной и поперечной деформации цементного камня при осевом сжатии. Средняя призменная прочность цементного камня с В/Ц=0,25 составляла 129 МПа, а цементного камня с В/Ц=0,31–105 МПа. Как следует из данных, приведенных на рис. 3.14, предельная сжимаемость и предельная растяжимость цементного камня увеличивались с увеличением В/Ц от 0,25 до 0,31. Причем увеличение деформативности составляло, соответственно, около 9 и 29,5 %, то есть повышение В/Ц отношения в рассматриваемом диапазоне существенно увеличивает поперечную растяжимость цементного камня.

126

Определение работы разрушения образцов сравниваемых серий по формуле

показало, что для образцов цементного камня с В/Ц равным 0,25 и 0,31, она составляла соответственно 379 и 337 кДж/м3.

0,6

0,6

0,4

Рис. 3.15. Кривые изменения внешнего объема образца ( ), приращения объема ( ) и коэффициента поперечной деформации ( ) цементного камня при одноосном сжатии на разных ступенях нагружения:

индекс 1 соответствует В/Ц=0,25; индекс 2 соответствует В/Ц=0,31

127

На рис. 3.15 показан характер изменения коэффициента поперечной деформации , внешнего объема и приращения объема образцов от интенсивности напряжения одноосного сжатия. Уровень расположения

параметрических точек RТ0 и RТ , по Бергу, на кривой нагружения опреде-

лить невозможно. Это свидетельствует о том, что структура цементного камня практически до уровня нагружения 0,95–0,96 Rпр претерпевает толь-

ко объемное уплотнение. Причем численные значения показателей и сравниваемых серий образцов определяют большее уплотнение структуры цементного камня с В/Ц=0,25, что коррелирует с приведенными выше значениями работы разрушения образцов при осевом сжатии и более хрупким характером разрушения цементного камня с В/Ц=0,25.

Таким образом, изменение структуры цементного камня за счет изменения В/Ц отношения в диапазоне от 0,25 до 0,31, что, как правило, соответствует истинному значению В/Ц в легких и тяжелых бетонах, приводит к значительному изменению исследуемых параметров. Так, увеличение В/Ц отношения цементного теста от 0,25 до 0,31 приводило, с одной стороны, к уменьшению прочности на осевое сжатие цементного камня со 129 до 105 МПа и уменьшению модуля упругости с 24400 до 21300 МПа, т.е. в процентах соответственно на 19 и 13 %, а с другой стороны – к увеличению сжимаемости и поперечной растяжимости при 0,94–0,95 Rпр соответственно с 5,82 до 6,24 и с 1,5 до 1,84 мм/м, при этом

коэффициент Пуассона для сравниваемых составов цементного камня был практически одинаковым и составил 0,22 – 0,25. Анализ характеристик процессов трещинообразования цементного камня показал, что на всем диапазоне нагружения он не проявляет характерных признаков возникновения и развития микротрещин в его структуре, что согласуется с данными [29]. Разрушение образцов при осевом сжатии хрупкое, причем образцы разрушаются на мелкие кусочки, а сам процесс разрушения на заключительной стадии сопровождается сильным звуковым эффектом. С энергетической точки зрения, подобный характер разрушения можно объяснить тем, что работа деформации образца практически полностью преобразуется в потенциальную упругую энергию деформации.

Механические испытания образцов на растяжение при изгибе производили с помощью испытательной машины МИИ-100. При каждом виде напряженного состояния было испытано по шесть образцов каждой серии. При изгибе также тензометрическим методом контролировали деформации балочек в растянутой зоне. Для этого в средней части пролета балочек наклеивали 50-и миллиметровые тензорезисторы.

На рис. 3.16 приведены результаты опытов по оценке предельной деформативности растянутой зоны образцов при трехточечном изгибе. Образцы цементного камня с В/Ц=0,31 показали увеличение предельной растяжимости при изгибе примерно на 62 %. Средние значения предела

128