2026

Рис. 4.18. Зависимость энергии акустической эмиссии ЭАЭ (1)

и дифференциального приращения энергии акустической эмиссии ЭАЭ (2) известняка от интенсивности нагружения образцов типа I по ГОСТ 29167 при трёхточечном изгибе

Рис. 4.19. Зависимость энергии акустической эмиссии ЭАЭ (1)

и дифференциального приращения энергии акустической эмиссии ЭАЭ (2) артикского туфа от интенсивности нагружения образцов типа I по ГОСТ 29167 при трёхточечном изгибе

201

Анализируя акустическую эмиссию, полученную на образцах из гранита (рис. 4.16), следует отметить, что излучение АЭ фиксировали с первого этапа нагружения. При этом до интенсивности напряжения, равного 0,7 Rри , фиксируется излучение АЭ только при приложении на-

грузки. Начиная с этапа 0,8 Rри , стала проявляться акустическая эмиссия и

при выдержке образца под нагрузкой. На следующем этапе выдержки под постоянной нагрузкой зафиксировано значительное дифференциальное приращение излучения АЭ, что свидетельствует о локальной перестройке структуры гранита. Сравнивая характер энергетического распределения АЭ гранита с его коэффициентом внутреннего трения (см. табл. 4.9), который имел наибольшие значения из сравниваемых пород, можно констатировать, что зернистая поликристаллическая структура гранита является типичной композитной структурой, которая характеризуется высокой степенью превращения в теплоту механической энергии, сообщенной ей в процессе деформирования, и сопротивляемостью разрушению, что и подтверждается методами исследования АЭ и внутреннего трения. При этом необходимо обратить внимание на абсолютные значения величин АЭ, которые у гранита значительно превосходят показатели мрамора, а тем более, известняка и туфа.

Так, энергетическое распределение АЭ образцов из мрамора (рис. 4.17) характеризуется тем, что первые излучения энергии АЭ фиксировали на уровне нагружения 0,5 Rри . На последующих более высоких уровнях на-

гружения фиксировали постепенное увеличение излучения импульсов АЭ. И лишь на уровне загружения, равном 0,85-0,95 Rри происходит взрывной

выброс энергии импульсов акустической эмиссии, превышающий на одинполтора порядка предыдущий выброс энергии импульсов АЭ. При этом следует подчеркнуть, что образцы из мрамора при выдержке на всех этапах нагружения не излучали АЭ, что свидетельствует об однородности напряженно-деформированного состояния мелкокристаллической весьма совершенной микроструктуры этого материала и отсутствии пластических деформаций даже перед самым разрушением. По характеру излучения энергии АЭ мрамор вплоть до разрушения деформируется упруго, характер его разрушения весьма хрупкий, и, следовательно, он очень чувствителен к дефектам структуры и характеризуется малой вязкостью разрушения (терщиностойкостью).

Анализируя энергетическое распределение импульсов АЭ образцов туфа (рис. 4.19), следует отметить, что пористый материал обладает большей акустической «шумностью». Уже на четвертом этапе нагружениявыдержки вулканический туф проявляет пластические деформации, являющиеся основным источником акустических сигналов, которые протекают и на всех последующих этапах вплоть до разрушения.

202

Стохастический характер энергетического распределения импульсов АЭ на кривых нагружения опытных образцов позволяет использовать для анализа процесса зарождения, развития и движения дефектов структуры подходы синергетики, изучающей процессы самоорганизации, развития устойчивости и распада структур. Стохастичность импульсов АЭ на этапах нагружения обусловлена неравновесными фазовыми переходами, отвечающими особой точке (точке бифуркации), при достижении которой скачкообразно изменяются свойства, обусловленные самоорганизацией процесса. По характеру потери устойчивости однородного состояния равновесия и необратимого перехода в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений, рассматриваемые структуры горных пород относятся к диссипативным структурам.

Анализ зависимостей сопротивления горных пород разрушению по энергетическому распределению импульсов АЭ (рис. 4.16−4.19) с позиций синергетики позволяет заключить, что эта зависимость является естественно присущей процессу разрушения – проявлять при разрушении одного и того же материала разные свойства в точках бифуркации, отвечающих смене как типа диссипативных структур, так и микромеханизма разрушения, что подтверждается численными значениями коэффициента измен-

чивости силового критерия разрушения Kc* исследуемых материалов.

Таким образом, экспериментальная комплексная оценка силовых, энергетических, деформационных и акустических параметров механического поведения горных пород позволяет предложить критерий конструкционного качества заполнителей Kk при их выборе для бетонов повы-

шенной прочности и надежности. Таким критерием качества, на наш взгляд, может быть безразмерное произведение Kk Eд KВТ Kc* Gc , а в первом приближении – произведение Eд KВТ , сомножители которого

определяют неразрушающим методом исследования с помощью прибора ИКВТ-2. Критерий качества Kk заполнителей из горных пород в опреде-

ленной мере согласовывает требования, предъявляемые при выборе заполнителя, с современными воззрениями на сущность реальной прочности композитных материалов.

Как известно, в обычном бетоне доля заполнителей занимает до 80 % его объема, при этом большая часть этого объема приходится на крупный заполнитель. Основным параметром бетона, на который ориентируются при подборе состава, является его прочность, на которую существенное влияние оказывают зерновой состав, прочность и чистота заполнителя. Поэтому правильный выбор заполнителей для бетона, их разумное использование является одной из важнейших задач технологии бетона [31].

Анализ суммарной энергии импульсов АЭ и дифференциального приращения энергии импульсов АЭ на диаграммах нагружения образцов сравниваемых горных пород показал, что излучение акустических волн

203

напряжений, вызванное внутренней динамической перестройкой структуры рассматриваемых материалов под воздействием силовой нагрузки, имеет существенное качественное и количественное различие.

Представляют практический и теоретический интерес зависимости изменения генерируемых ультразвуковых (УЗ) импульсов АЭ от вида породы и интенсивности нагружения. Технические характеристики акустико-эмиссионного устройства были приведены в работе [29].

В опытах регистрировали амплитуды импульсов АЭ на двух уровнях А1 и А2 : первый уровень в диапазоне 0,05-0,5В, второй уровень – выше

0,5В. Нагружение образцов типа I по ГОСТ 29167-91, как было отмечено выше, производили ступенями в 0,1 ожидаемой прочности при изгибе. Скорость движения подвижного захвата испытательной машины FM-1000 во всех опытах была одинаковой и составляла 166·10-7 м/с.

Излучение импульсов АЭ отражает развитие деформирования и разрушения материала на разных масштабных уровнях и разную природу генерируемых сигналов, в основе которых лежат различные физические явления: пластические деформации, характеризующиеся УЗ-импульсами АЭ относительно малой амплитуды А1 , а возникновение и развитие дефек-

тов структуры материала излучают сигналы АЭ относительно большой амплитуды А2 . Измерение параметров указанных импульсов позволяет не

только обнаруживать развитие дефектов и оценивать механическое поведение и параметры предельного состояния структуры, но и выявлять параметры материала, определяющие его трещиностойкость, понимание которых позволяет указать технологам оптимальные пути создания конструкционных бетонов нового поколения и реализации основной идеи разработки композиционных строительных материалов, заключающейся в соединении высокой прочности с хорошей вязкостью разрушения.

На рис. 4.20–4.23 представлена кинетика развития УЗ-импульсов АЭ N1 и N2 с дискриминационными амплитудами, соответственно, А1 и А2 и

соотношение количества УЗ-импульсов N1 N2 малых и больших амплитуд

на кривой нагружения опытных образцов из гранита, мрамора, известняка и артикского туфа, по которым проводили идентификацию процесса разрушения в реальном масштабе времени.

Из анализа зависимостей (рис. 4.20–4.23) следует, что при прочих равных условиях регистрации параметров АЭ, интенсивность сигналов и характер изменения излучения параметров от уровня нагружения опытных образцов из материалов сравниваемых горных пород существенно отличаются друг от друга, что позволяет судить о прочностных свойствах материала, о развитии пластической и хрупкой составляющей процесса разрушения в режиме реального времени, а также прогнозировать дальнейшую работоспособность и предельные состояния структуры материала.

204

Рис. 4.20 Зависимость количества (N1 и N2) сигналов АЭ соответственно с амплитудами A1 и A2 и отношения N1/N2 образцов гранита типа I по ГОСТ 29167 при трехточечном изгибе от интенсивности нагружения:

1 – амплитуда сигнала АЭ A1= 0,05-0,5 В;

2 – амплитуда сигнала АЭ A2>0,5 В;

3 – отношение N1/N2 сигналов АЭ

205

Рис. 4.21. Зависимость количества (N1 и N2) сигналов АЭ соответственно с амплитудами A1 и A2 и отношения N1/N2 образцов мрамора типа I по ГОСТ 29167 при трехточечном изгибе от интенсивности нагружения:

1 – амплитуда сигнала АЭ A1= 0,05-0,5 В;

2 – амплитуда сигнала АЭ A2>0,5 В;

– отношение N1/N2 сигналов АЭ

206

Рис. 4.22. Зависимость количества ( N1 и N2 ) сигналов АЭ соответственно с амплитудами А1 и А2 и отношения N1 N2 образцов известняка типа I по ГОСТ

29167 при трехточечном изгибе от интенсивности нагружения: 1 – амплитуда сигнала АЭ А1 = 0,05-0,5 В;

2 – амплитуда сигнала АЭ А2 >0,5 В; 3 – отношение N1 N2 сигналов АЭ

Так, первые сигналы АЭ с амплитудой А1 на диаграммах нагружения

образцов гранита, мрамора, известняка и туфа (рис. 4.20 – 4.23) зарегистрированы, соответственно, при уровнях нагружения 0,067; 0,66; 0,4 и 0,2 Rри , а сигналы АЭ с амплитудой А2 – соответственно, при уровнях

нагружения 0,333; 0,89; 0,4 и 0,6 Rри . При этом количество УЗ-импульсов АЭ N1 и N2 с амплитудами А1 и А2 при предельном уровне нагружения

0,9-0,96 составляло, соответственно, 387 и 88; 190 и 58; 183 и 9; 158 и 24,

что соответствует отношению N1 A1 N2 A2 , равному 4,4; 3,3; 20 и 6,6. 207

При полном разрушении сравниваемых образцов было зарегистрировано УЗ-импульсов с амплитудами А1 и А2 , соответственно, 5243 и 3196; 1130 и

396; 1177 и 481; 824 и 460, что соответствует отношению N1 A1 N2 A2 ,

равному 1,64; 2,85; 2,45; 1,79.

Рис. 4.23. Зависимость количества ( N1 и N2 ) сигналов АЭ соответственно с амплитудами А1 и А2 и отношения N1 N2 образцов артикского туфа типа I

по ГОСТ 29167 при трехточечном изгибе от интенсивности нагружения: 1 – амплитуда сигнала АЭ А1 = 0,05-0,5 В;

2 – амплитуда сигнала АЭ А2 >0,5 В; 3 – отношение N1 N2 сигналов АЭ

Сравнивая зависимости изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ от интенсивности нагружения образцов каменных материалов (рис. 4.20– 4.23), отличающихся не только генезисом, но и плотностью, прочностью, модулем упругости, коэффициентом внутреннего трения и энергией

208

разрушения, следует отметить как качественное, так и количественное различие анализируемых зависимостей, что отражает влияние совокупности названных факторов на механизм разрушения дисперсно-кристал- литной структуры этих горных пород под нагрузкой.

Для более эффективного анализа зависимостей изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ горных пород от интенсивности нагружения, более глубокого понимания процесса разрушения и выявления параметров материала, определяющих его трещиностойкость, целесообразно проводить этот анализ с учетом основных физико-механических свойств горных пород, приведенных в табл. 4.9, и полученных нами экспериментальным путем, значения которых согласуются с данными других исследователей [32].

Акустический параметр N1 A1 N2 A2 можно использовать для иден-

тификации разрушения образцов сравниваемых пород на диаграмме нагружения с учетом различных физических явлений, лежащих в основе генерируемых сигналов АЭ с амплитудами А1 и А2 , и отражающих в об-

щем случае вклад пластической и упругой (хрупкой) составляющих в суммарный процесс силового разрушения.

Особенность графических зависимостей рис. 4.20, полученных на образцах гранита, полнокристаллическая мелкозернистая структура которых является типичной композитной структурой, заключается в том, что акустический параметр N1 A1 N2 A2 наглядно отражает колебания этого

отношения и стохастический характер амплитудного распределения УЗ-импульсов АЭ на кривой нагружения. При этом заслуживает внимания стохастический характер изменения акустического параметра N1 A1 N2 A2 и достаточно заметное его изменение на отдельных этапах

нагружения до полного прекращения излучения сигналов АЭ с амплитудами А1 и А2 , что естественно находит отражение как в характере накло-

на кривых, так и в кинетике излучения генерируемых УЗ-импульсов АЭ с названными амплитудами на кривой нагружения. Стохастичность АЭ на кривой нагружения обусловлена неравновесными фазовыми переходами в композитной структуре материала, которые, с позиций синергетики, 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, обусловленные самоорганизацией процесса [33].

На рис. 4.21 представлены графические зависимости измерения генерируемых УЗ-импульсов АЭ для образцов из плотных белых разновидностей облицовочного уральского мрамора, отличающегося плотной весьма однородной микрокристаллической структурой.

Совместный анализ графических зависимостей рис. 4.20 и 4.21 с учетом совокупности физико-механических характеристик сравниваемых горных пород, приведенных в таблице, позволяет, прежде всего, конста-

209

тировать существенное различие механических свойств гранита и мрамора. Так, численные значения прочности при изгибе, динамического модуля упругости и условного критического коэффициента интенсивности напряжений образцов мрамора превышали значения механических характеристик образцов гранита, соответственно, в 1,5; 2,2 и 1,3 раза. При этом значения коэффициента внутреннего трения, являющегося мерой внутреннего трения структуры реальных материалов, были, напротив, в 6,38 раза выше у образцов гранита. С точки зрения механического поведения материала под динамической нагрузкой, это значит, что гранит обладает лучшей способностью необратимо превращать в теплоту механическую энергию, сообщенную ему в процессе деформирования. Другими словами, доля плотности энергии микропластических деформаций в зоне образующейся новой поверхности в общей эффективной поверхностной энергии материала значительно выше у образцов гранита, чем у образцов мрамора.

Именно эти свойства и особенности микроструктуры сравниваемых материалов обуславливают принципиальное различие графических зависимостей изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ на диаграмме нагружения опытных образцов гранита и мрамора, заключающееся, прежде всего, в том, что первые сигналы АЭ с амплитудой до 0,5 В были зарегистрированы на образцах гранита при интенсивности нагружения 0,067 Rри , а на образцах мрамора – 0,66 Rри . В свою очередь, первые

сигналы АЭ с амплитудой более 0,5 В были зарегистрированы, соответственно, при уровне нагружения 0,267 и 0,89 Rри . При этом и характер

графических зависимостей изменения генерируемых УЗ-импульсов АЭ на рис. 4.20 и 4.21 имеет принципиальное отличие, что обусловлено различием как механического поведения, так и микромеханизмами процессов разрушения каменных материалов разного генезиса. В этом случае значение акустического параметра N1 A1 N2 A2 очень четко отражает

идентификацию процесса разрушения образцов с учетом различных физических явлений, лежащих в основе генерируемых сигналов с амплитудами А1 и А2 , что приближает исследователя к пониманию про-

цесса разрушения и выявлению параметров материала, определяющих его трещиностойкость. Следует отметить, что характер изменения и численные значение акустического параметра на кривой нагружения образцов являются в этом смысле определяющими, так как на его основе можно прогнозировать предельные состояния структуры материала и его вязкость разрушения при силовом воздействии. Чем белее широкий диапазон интенсивностей нагружения охватывает акустический параметр и чем больше его численное значение, тем больше он отражает вклад пластической составляющей в суммарный процесс разрушения и наоборот, что следует из графиков рис. 4.20 и 4.21. В свою очередь, достаточно резкое уменьшение численного значения акустического параметра, отражающего

210