К.т.н. Кесарийский А.Г.

ООО «Лаборатория комплексных технологий», г. Павлоград, Украина

Д.т.н., профессор Кондращенко В.И., инж. Кендюк А.В.

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Россия

ЛАЗЕРНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ АРБОЛИТА

ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

С использованием лазерной интерферометрии установлены особенности поведения арболита при статическом нагружении вдоль плоскости прессования.

Арболит относится к ортотропным материалам, свойства которого (прочность, теплопроводность, проницаемость и др.) существенно различаются в плоскости прессования (П_׀׀) и в перпендикулярном к ней направлению – в торцевой плоскости (П_^). Такое различие объясняется текстурной неодинаковостью материала в этих двух направлениях, формирующейся при прессовании древесных частиц с цементным связующим, которое оказывает определяющее влияние на прочность арболита, в частности, при статическом нагружении.

В статье изложены результаты исследований методами лазерной интерферометрии особенностей поведения арболита при статическом нагружении в плоскости П_^, т.е. в торцевой плоскости. Такое исследование важно, например, для разработки математической модели разрушения арболита, адекватно отражающей процессы, происходящие в ортотропном материале при механическом нагружении.

Эффективность применения лазерной голографической и спекл-интерферометрии для анализа особенностей деформирования и разрушения строительных материалов подтверждена результатами многих исследований [1-8]. Важнейшим достоинством этих методов является возможность регистрации полей деформаций и перемещений исследуемых объектов с высокой чувствительностью, составляющей доли микрона.

На рис. 1 показана схема установки для проведения лазерно-интерференционных исследований. На массивной виброзащищенной базовой платформе 1 установлен оптический квантовый генератор 2 модели ЛГН-215 с длинной волны излучения 633 нм. Необходимость применения виброзащиты, например, пневомоамортизаторов, обусловлена чрезвычайно высокой чувствительностью метода. Для управления лазерным излучением используется световой затвор 3. Лазерный луч посредством зеркала 4 направляется на светоделитель 5, где расщепляется на два световых пучка – предметный и опорный, в соотношении их интенсивностей 7:1, соответственно. Предметный световой поток, сформированный посредством зеркала 6, микрообъектива 7 и коллимирующей линзы 8, направляется по нормали к исследуемой поверхности образца 9, закрепленного между нагружающими плитами пресса 10. Такая ориентация светового потока позволяет обеспечить максимальную чувствительность измерительной схемы к нормальной компоненте вектора перемещений [9]. Опорный световой поток формируется посредством микрообъектива 11 и зеркала 12.

Рис. 1 – Схема регистрации голографических интерферограмм

В процессе исследований использовались два метода записи голограмм – метод Лейта-Упатниекса [10] и метод Денисюка [11]. На начальной стадии эксперимента, когда проходят малоинформативные стадии опрессовки контактирующих поверхностей образца, применялся метод Лейта-Упатниекса. С этой целью в держатель 13 устанавливалась фотопластинка ПФГ-01 и дважды экспонировалась – до и после увеличения тестирующей нагрузки. Применение метода Лейта-Упатниекса позволило оперативно проводить обработку голограмм и анализировать их даже без окончательной сушки. Но как только было обнаружено появление аномальных искажений интерференционных структур, то для записи голографических интерферограмм использовалась схема Денисюка, обеспечивающая в данных условиях более высокое пространственное разрешение интерференционных структур. С этой целью подвижный рейтер 14 закреплялся в непосредственной близости от исследуемой поверхности, а запись голограмм выполнялась на фотопластинки ПФГ-03.

Применение комбинированной методики позволило существенно сократить время проведения эксперимента без потери информативности и точности измерений.

При изучении деформаций арболита в плоскости П_^ на начальных стадиях нагружения, соответствующих уровню напряжений σ = 0,27 МПа (уровень нагружения η = 0,08 – 8 % от разрушающих напряжений σ_р), формируется равномерное поле перемещений исследуемой поверхности (рис. 2), которое во многом определяется краевыми эффектами контакта нагружаемых поверхностей с плитами пресса. Детальный анализ интерферограммы позволяет выявить на поле перемещений две незначительные аномалии: в зоне 1 (см. рис. 2в) обнаруживаются области повышенной жесткости, относящиеся к цементному камню, и в зоне 2 локальное сгущение полос свидетельствует о наличии приповерхностной трещины, вызванной потерей устойчивости древесным волокном. Обе аномалии не оказывают существенного влияния на формирование общего поля перемещений.

а)

б)

в)

Рис. 2 – Исходный образец арболита (а), его интерферограмма (б)

и идентификация на образце зон аномальных перемещений (в)

при уровне напряжений 0,08σ_р

Такой характер распределения перемещений по исследуемому полю торцевой плоскости арболита не меняется с ростом напряжений в образце вплоть до уровня нагружения η = 0,35-0,39. Устойчивость характера распределения поля перемещений при существенном росте напряжений позволяет предположить, что его формирование определяется не только особенностями контакта нагружающих поверхностей, но и неравномерной (локальной) жесткостью образца по объему. В то же время при достижении уровня напряжений σ = 1,39 МПа (39 % от разрушающих напряжений σ_р) на интерферограмме обнаруживается максимум перемещений в зоне 1 в виде «холма» со скатами не только вверх и вниз, но и вправо-влево (рис. 3). Уровень поперечных напряжений таков, что начинают явно проявляться нарушения сплошности в зонах 2-5, вызванные потерей устойчивости древесных волокон композита.

а)		б)		в)
Рис. 3 – Исходный образец арболита (а), его интерферограмма (б) и идентификация на образце зон аномальных перемещений (в) при уровне напряжений 0,39σр

При достижении уровня напряжений σ = 1,79МПа (50 % от разрушающих напряжений σ_р) характер деформирования образца сопровождается образованием устойчивого максимума на поле перемещений. Одновременно развиваются ранее обнаруженные аномалии в зонах 1, 2, 3 и 4 (рис. 4а,б). Причем потеря устойчивости волокон и наличие жесткостной неоднородности локальных областей в сечении образца проявляется в неравномерном его деформировании – наблюдаются стесненные деформации у торцов образца и волнообразный характер деформаций как по его высоте, так и поперечному сечению, что отчетливо видно на 3D-диаграмме нормальных (к плоскости П_^) перемещений торцевой поверхности арболита (рис. 4в).

При уровне напряжений σ = 2,34 МПа (65 % от разрушающих напряжений σ_р) процесс зарождения трещин, вызванных потерей устойчивости древесных частиц, ориентированных преимущественно параллельно плоскости прессования П_׀׀, интенсифицируется. Локальный максимум нормальных перемещений сохраняется в зоне 1, а трещинообразование развивается не только вблизи боковых граней в зонах 2, 3, но и захватывает центральные области, как это видно в зоне 4 (рис. 5в).

а)

б)

в)

Рис. 4 – Интерферограмма образца арболита (а), идентификация на образце зон аномальных перемещений (б) и 3Д-диаграмма (в) нормальных перемещений торцевой поверхности арболита при уровне напряжений 0,50σ_р

(поперечные размеры образца – ось Х, Y – то же, продольные,

W – нормальные к плоскости П_^ перемещения, мкм)

а)

б)

в)

Рис. 5 – Исходный образец арболита (а), его интерферограмма (б)

и идентификация на образце зон аномальных перемещений (в)

при уровне напряжений 0,65σ_р

Дальнейший рост напряжений сопровождается интенсификацией трещинообразования в центральной части образца арболита. На рис. 6в, полученном при анализе интерферограммы (рис. 6б), вертикальными линиями обозначены зоны трещинообразования, обнаруживаемые при воздействии сжимающих напряжений σ = 2,85 МПа (79 % от разрушающих напряжений σ_р). Одновременно с интенсификацией трещинообразования, вызванного продолжающимися процессами потери устойчивости древесными частицами при действии сжимающих напряжений, на интерферограмме наблюдаются локальные замкнутые зоны искривления интерференционных полос, что свидетельствует о появлении очагов отделения части более плотного материала в виде цементно-песчаного камня от основного массива древесного прессованного композита (см., например, поз. 1 на рис. 6в).

а)

б)

в)

Рис. 6 – Исходный образец арболита (а), его интерферограмма (б)

и идентификация на образце зон аномальных перемещений (в)

при уровне напряжений 0,79σ_р

При уровне напряжений σ = 3,38 МПа (94 % от разрушающих напряжений σ_р) пластические деформации интенсифицируются настолько, что в центральной части образца (поз.1 на рис. 7а,б) регистрация интерферограммы становится невозможной. В верхней и нижней части исследуемой поверхности обнаруживаются новые параллельные приложенной сжимающей нагрузке трещины, вызванные дальнейшей потерей устойчивости древесных волокон, но поскольку зона текучести распространяется и на эти участки, то контраст интерферограмм снижен и их идентификация существенно затруднена. При напряжениях σ = 3,59 МПа образец арболита разрушается вследствие образования трещин, направленных вдоль приложенной сжимающей нагрузки (рис. 7).

а)

б)

Рис. 7 – Характер разрушения образца арболита на образце (а)

и на интерферограмме его поверхности (б) при действии статической сжимающей нагрузки

На рис. 8а обобщены результаты лазерно-интерференционных исследований процесса разрушения торцевой поверхности образца арболита с привязкой к диаграмме «приведенные напряжения – приведенные относительные деформации » (здесь = s_i/s_р и = ε_i/ε_р, где s_i, ε_i и s_р, ε_р – значения напряжений s и относительных деформаций ε соответственно на i-ом уровне нагружения и при разрушении образца), а также приведена аналогичная диаграмма в абсолютных единицах «напряжения s – относительные деформации ε» с ниспадающей ветвью (рис. 8б), из которой следует, что относительные деформации арболита при сжатии на восходящем участке нагружения в 2,5-3,0 раза ниже деформаций, наблюдающихся при спаде сжимающей нагрузки.

а)
б)

Рис. 8 – Диаграммы деформирования образца арболита при действии статической сжимающей нагрузке в относительных (а) и абсолютных (б) единицах при уровне напряжений (цифры на графиках): 2 – 0,27 МПа, 4 – 0,42 МПа, 9 – 0,72 МПа, 11 – 0,84 МПа, 14 – 1,12 МПа, 15 – 1,16 МПа, 18 – 1,48 МПа, 21 – 1,76 МПа, 27 – 2,22 МПа, 32 – 2,74 МПа, 36 – 3,38 МПа, 37 – 3,59 МПа, 38 – 1,79 МПа (см. пояснения в тексте)

Таким образом, применение лазерной интерферометрии позволило установить, что при статическом нагружении в плоскости, параллельной плоскости прессования образца арболита, процесс формирования трещин, вызванных потерей устойчивости древесных частиц, расположенных преимущественно в плоскости прессования арболита, начинается при уровне напряжений, составляющих 0,08-0,10 от величины разрушающих напряжений σ_р. Процесс разрушения интенсифицируется при уровне напряжений 0,35-0,40 σ_р и проявляется в виде массива трещин, вызванных потерей устойчивости древесных волокон, расположенных преимущественно вдоль действия сжимающей нагрузки, на образование которых оказывает влияние, как уровень сжимающих напряжений, так и наличие локальных неоднородностей в виде зон с повышенной жесткостью в виде цементного или цементно-песчаного камня.

Литература:

1. Кесарийский А.Г., Кондращенко В.И., Гребенников Д.А., Гузенко С.В., Чан Тхи Тху Ха. Исследование деформационных характеристик бетонных образцов лазерно-интерференционными методами // Вестник гражданских инженеров СПбГАСУ, № 4, 2009, с. 154-159.

2. Кондращенко В.И, Кесарийский А.Г., Кондращенко Е.В., Гребенников Д.А. Особенности поведения ротационного и вибрационного бетона под нагрузкой//Вісник Донбаської національної академії будівництва та архітектури, № 3, 2010, с.90 – 99.

3. Кесарийский А.Г, Кондращенко В.И., Семак А.В. Исследование особенностей деформирования бетона со щебневидным заполнителем методами голографической интерферометрии // Вісник одеської державної академії будівництва та архітектури. Одеса: ТОВ Зовнішрекламсервіс – 2010. – вип. 39, ч. 1. – С. 324-336.

4. Кесарийский А.Г, Кондращенко В.И Особенности лазерно-интерференционных измерений полей деформации бетона по сравнению с конструкциями из металла //Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах: материалы 2-й международной научно-практической конференции (30 ноября 2010г., г. Брянск) в 3-х томах. Т.1/ Брянская государственная инженерно-технологическая академия и др.; под ред. А.В. Городкова, И.А. Кузовлевой, Н.П. Лукутцовой, М.А. Сенющенкова, В.С. Янченко – Брянск, 2010. – С. 294-300.

5. Кесарийский А.Г, Кондращенко В.И. Изучение методами голографической интерферометрии особенностей поведения тяжелых и легких бетонов// Науковий вiсник Луганського нацiонального аграрного универсiтету. Серiя: Технiчнi науки. – Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2010, №14. – с. 67-86.

6. Кесарийский А.Г., Кондращенко В.И., Кендюк А.В., Семак А.В., Тарарушкин Е.В. Изучение процессов деформирования и разрушения материалов методами лазерной интерферометрии// Сборник материалов IV международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2011 – Москва: ИМЕТ РАН, 2011 – С.816-818.

7. Кесарийский А.Г., Кондращенко В.И. Исследование методами голографической интерферометрии усадки цементных растворов// Науковий вісник будівництва. Харьков: ХДТУБА ХОТВ АБУ – 2011. – Вып. 66. – С. 263-269.

8. Кондращенко В.И., Тарарушкин Е.В., Горшина Е.С., Кесарийский А.Г., Биопластики - древесные композиционные материалы, получаемые методами биотехнологиии // Вісник Донбаської національної академії будiвництва і архiтектури, випуск 2012_1(93), с. 17-24.

9. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. // Пер. с англ. / под ред. Ю. И. Островского – М.: Мир, 1982. – 504 с.

10. Leith E. N. and Upatnieks J. Wavefront reconstruction with diffused illumination and three-dimensional objects // J. Opt. Soc. Am. – 1964. – V. 54. –
P. 1295.

11. Денисюк Ю.Н. Об отображении свойств объекта в волновом поле рассеянного излучения // Докл. АН СССР. – 1962. – Т. 144, N 6. – С. 1275-1276.