Влияние размера образца на механические и акустические характеристики бетона

Одной из важных особенностей разрушения гетерогенных материалов с концентратором напряжения является масштабный эффект, связанный с зависимостью номинального напряжения от размера образца. Этот эффект необходимо учитывать при изучении процесса разрушения бетона для повышения безопасности эксплуатации бетонных конструкций. Цель данной работы — исследование влияния размеров образцов с надрезом из бетона класса В25 (R = 28 МПа) на прочностные характеристики и параметры акустической эмиссии, регистрируемой в процессе разрушения. Проведены испытания на трехточечный изгиб с регистрацией сигналов АЭ образцов трех размеров (длиной 1075, 465 и 215 мм), геометрия которых отвечала двумерному подобию, поскольку толщина образцов не менялась, а отношения длины образца и длины надреза к ширине оставались постоянными. Путем плоскостной локации сигналов АЭ на более крупных образцах оценены размеры зоны локализации процесса разрушения на разных стадиях развития трещины и построена зависимость размера зоны от времени. На малых образцах размер зоны локализации определяли путем измерения коэффициента затухания ультразвука. С помощью анализа диаграмм нагружения, совмещенных с временными зависимостями параметров АЭ, установлено, что размер образца оказывает влияние на стадийность разрушения. Построены зависимости номинальной прочности, энергии разрушения, b_АЭ-параметра и суммарного числа сигналов АЭ от размера образцов. Установлено, что для образцов больших размеров размерный эффект связан со снижением номинального напряжения и накопленного числа сигналов акустической эмиссии, увеличением энергии разрушения и b_АЭ-параметра. Предполагается, что изменение характеристик АЭ с увеличением размера образца связано с уменьшением относительной доли структурной неоднородности (отношением среднего размера гранитного щебня к размеру образца) в образцах большего размера. Получены новые данные о влиянии размера образцов из бетона на акустические характеристики.

1. Walsh P. F. Crack initiation in plain concrete / Magazine of Concrete Research. 1976. Vol. 28. N 94. P. 37 – 41.

2. Bažant Z. P. Size effect in blunt fracture: concrete, rock, metal / Journal of Engineering Mechanics. 1984. Vol. 110. N 4. P. 518 – 535.

3. Bažant Z. P. Scaling of quasibrittle fracture: asymptotic analysis / International Journal of Fracture. 1997. Vol. 83. N 1. P. 19.

4. Bažant Z. P., Ožbolt J., Eligehausen R. Fracture size effect: review of evidence for concrete structures / Journal of structural engineering. 1994. Vol. 120. N 8. P. 2377 – 2398.

5. Hu X., Wittmann F. Size effect on toughness induced by crack close to free surface / Engineering fracture mechanics. 2000. Vol. 65. N 2 – 3. P. 209 – 221.

6. Carpinteri A., Chiaia B., Ferro G. Size effects on nominal tensile strength of concrete structures: multifractality of material ligaments and dimensional transition from order to disorder / Materials and Structures. 1995. Vol. 28. N 6. P. 311.

7. Carpinteri A., Chiaia B. Power scaling laws and dimensional transitions in solid mechanics / Chaos, Solitons & Fractals. 1996. Vol. 7. N 9. P. 1343 – 1364.

8. Shiotani T. Application of the AE Improved b-Value to Quantiative Evaluation of Fracture Process in Concrete-Materials / Journal of acoustic emission. 2001. Vol. 19. P. 118 – 133.

9. Shiotani T., Bisschop J., Van Mier J. G. M. Temporal and spatial development of drying shrinkage cracking in cement-based materials / Engineering Fracture Mechanics. 2003. Vol. 70. N12. P. 1509 – 1525.

10. Carpinteri A., Lacidogna G., Niccolini G. Damage analysis of reinforced concrete buildings by the acoustic emission technique / Structural Control and Health Monitoring. 2011. Vol. 18. N 6. P. 660 – 673.

11. Carpinteri A., Grazzini A., Lacidogna G., and Manuello A. Durability evaluation of reinforced masonry by fatigue tests and acoustic emission technique / Structural Control and Health Monitoring. 2014. Vol. 21. N 6. P. 950 – 961.

12. Бриганте М., Сумбатян М. А. Акустические методы в неразрушающем контроле бетона: обзор зарубежных публикаций в области экспериментальных исследований / Дефектоскопия. 2013. № 2. С. 52 – 67.

13. Kirane K., Bažant Z. P. Size effect in Paris law and fatigue lifetimes for quasibrittle materials: Modified theory, experiments and micro-modeling / International Journal of Fatigue. 2016. Vol. 83. P. 209 – 220.

14. Ботвина Л. Р., Петерсен Т. Б., Тютин М. Р. Оценка и анализ b-параметра акустической эмиссии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 3. С. 43 – 50.

15. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. Неразрушающий контроль: Справочник в 7-ми томах. Т. 3. Ультразвуковой контроль. — М.: Машиностроение. 2004. — 864 с.

16. Bažant Z. P. Scaling laws in mechanics of failure / Journal of Engineering Mechanics. 1993. Vol. 119. N 9. P. 1828 – 1844.

17. RILEM TC.FMC 1. Determination of the fracture energy of mortar and concrete by means of three-point bend tests on notched beams / RILEM Recommendations for the Testing and Use of Constructions Materials. — E & FN SPON, 1994. P. 99 – 101.

18. Hoover C. G., Bažant Z. P. Comprehensive concrete fracture tests: size effects of types 1 & 2, crack length effect and postpeak / Engineering Fracture Mechanics. 2013. Vol. 110. P. 281 – 289.

19. Nimbolkar P. V., Shete M. Effect of aggregate size on fracture parameters of high strength concrete / 14th International Conference on Fracture (ICF 14) June 18 – 23, 2017, Rhodes, Greece.

20. Xu J., Fu Z., Han Q., Lacidogna G., and Carpinteri A. Micro-cracking monitoring and fracture evaluation for crumb rubber concrete based on acoustic emission techniques / Structural Health Monitoring. 2018. Vol. 17. N 4. P. 946 – 958.

21. Ботвина Л. Р., Петерсен Т. Б., Тютин М. Р. Акустическое затишье как диагностический признак предразрушения / ДАН. 2018. Т. 479. № 5. С. 514 – 518.

22. Качанов В., Соколов И. В., Авраменко С. Л. Проблемы акустического контроля крупногабаритных строительных конструкций из бетона / Дефектоскопия. 2008. № 12. С. 12 – 22.

23. Бриганте М., Сумбатян М. А. Акустические методы в неразрушающем контроле бетона: обзор зарубежных публикаций в области теоретических исследований / Дефектоскопия. 2013. № 4. С. 3 – 16.

24. Авраменко С. Л. Корреляционный метод определения скорости распространения акустической волны в крупногабаритных компактных изделиях из бетона / Дефектоскопия. 2009. № 1. С. 54 – 67.