Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

Румянцева К.Д., студент¹, Бикмаева А.К., студент¹,
Иноземцев А.С., к.т.н., м.н.с. ²

¹ИСА НИУ МГСУ,
²НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии» НИУ МГСУ, Россия

Зависимость энергии АЭ высокопрочных легких бетонов от величины нагрузки при испытании на сжатие ^*

* Работа выполнена при поддержке Гранта Президента РФ молодым российским ученым – кандидатам наук МК-5950.2015.8

При разработке новых строительных материалов фактические показатели эксплуатационных свойств не дают полного представления о его функциональных особенностях. Важнейшее значение для сохранения целостности структуры и свойств композиционных материалов имеет понимание механизмов его разрушения. Представление о деструктивных процессах при воздействии эксплуатационных нагрузок позволяет не только определять область применения материала, но и прогнозировать его долговечность.

Метод акустической эмиссии является информативным инструментом для исследования кинетики разрушения строительных материалов [1-4] и может быть эффективным для анализа особенностей деструкции высокопрочных легких бетонов на полых керамических микросферах, обладающих комплексом свойств, характерных для разных видов материалов (легкие и тяжелые бетоны).

Методы и материалы

В качестве устройства для регистрации сигналов АЭ использовалась акустико-эмиссионная система «Малахит АС-15А». Нагружение образцов осуществлялось на сервогидравлической испытательной системе Advantest 9.

Исследование осуществлялось на образцах-балочках 40x40x160 мм высокопрочного легкого бетона с варьируемым содержанием полых микросфер.

Расчет количества (таблица 1) основных компонентов для достижения требуемой средней плотности бетона осуществлялся в соответствии с [5, 6].

Таблица 1 – Составы исследуемых бетонов

Средняя плотность, кг/м^3	Содержание компонентов, мас. доля
	Ц	Мкм	Пф	Км	МС	В+Д
1300	0,480	0,080	0,019	0,028	0,218	0,175
1400	0,446	0,074	0,040	0,092	0,185	0,162
1500	0,416	0,069	0,059	0,149	0,156	0,152
1600	0,390	0,065	0,075	0,198	0,130	0,142
1800	0,346	0,058	0,102	0,280	0,088	0,128
2000	0,312	0,052	0,124	0,345	0,054	0,113
2400	0,256	0,043	0,159	0,449	–	0,093

Примечания: Ц – цемент, Мкм – микрокремнезем, Пф – кварцевый песок, К_м – каменная мука, МС – микросферы, В+Д – вода с добавками.

Результаты

Для анализа особенностей разрушения материала при воздействии прикладываемых нагрузок и установления закономерностей их изменения необходимо использовать показатель, обобщающий описанные выше параметры и позволяющий оперировать как качественными, так и количественными данными. Таким показателем может быть суммарная энергия акустической эмиссии E_АЭ, расчет которой осуществляется по формуле:

,

где N_i – количество сигналов АЭ в i-й момент времени; A_i – величина амплитуды в i-й момент времени.

Получены данные о кинетике энергии АЭ для образцов бетона различной средней плотностью 1300-2400 кг/м³ в соответствии с таблицей 1. Так как нагружение образцов при испытании протекает с равномерной скоростью 0,6 МПа/сек, то целесообразно представить зависимость энергии АЭ от предела величины, характеризующие эксплуатационное воздействие – нагрузка σ (рисунок 1).

Рисунок 1 – Изменение энергии АЭ исследуемых бетонов от величины приложенной нагрузки при испытании на сжатие

Из рисунка 1 видно, что увеличение содержания полых микросфер в составе тяжелого бетона, снижающее его среднюю плотность, приводит к смещению графика E_АЭ=f(σ) в зону меньших значений: снижается прочность бетона и суммарная энергия АЭ. При этом также наблюдается изменение вида этой кривой. Если содержание микросфер (массовая доля) в бетоне не превышает 13 %, то изменение энергии АЭ имеет описанный выше характер с ярко тремя выраженными участками. Наполнение бетонной смеси микросферами до 22 % (средняя плотность бетона составляет 1300 кг/м³) приводит к формированию близкой к линейной зависимости исследуемых параметров. Причем суммарная энергия АЭ увеличивается при меньших значениях внешних нагрузок.

Описанная выше закономерность объясняется увеличением количества более слабых элементов структуры (полых микросфер), которые при достижении критического содержания в объеме материала формируют границу раздела фаз с цементно-минеральной матрицей не способную сопротивляться воздействиям аналогичным тем, которые не приводят к формированию трещин в составах с большей долей плотных компонентов. То есть керамические микросферы, являясь искусственно введенными в состав бетона дефектами структуры, при содержании более 40 % по массе, формируют перенасыщенную структуру и при приложении меньших нагрузок способствует интенсивному образованию трещин и их развитию в теле бетона.

Выводы и заключения

На основе проведенных исследований можно сделать вывод о том, что изменение энергии акустической эмиссии исследуемых бетонов можно охарактеризовать тремя стадиями, отличающимися по интенсивности и продолжительности. Установлено, что введение полых керамических микросфер в мелкозернистый песчаный бетон до определенного предела (не более 18 % по массе) формирует структура с более продолжительной «зоной надежности» – стадией, когда при увеличении нагрузки энергия АЭ изменяется с наименьшей интенсивностью. Продолжительность этой стадии зависит от механических свойств самого легкого наполнителя, цементно-минеральной матрицы и силы их взаимного сцепления.

Литература:

1. Максимова И.Н., Макридин Н.И., Суров И.А. Методологические аспекты прогнозирования механического поведения цементных композитов // Региональная архитектура и строительство. 2014. № 3. С. 37-41.

2. Shahidana S., Pulinb К., Bunnoric N.M., Holfordb K.M. Damage classification in reinforced concrete beam by acoustic emission signal analysis // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 45. P. 78-86.

3. Ушаков С.И. Микротрещинообразование в эпоксидном полимербетоне при сжатии // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. 2010. № 1 (17). С. 28-33.

4. Carpinteria A., Lacidognaa G., Accorneroa F., Mpalaskasb A.C., Matikasb T.E., Aggelisc D.G. Influence of damage in the acoustic emission parameters // Cement and Concrete Composites. 2013. Vol. 44. P. 9-16.

5. Королев Е.В., Смирнов В.А., Альбакасов А.И., Иноземцев А.С. Некоторые аспекты проектирования составов многокомпонентных композиционных материалов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2011. № 6. С. 32-43.

6. Иноземцев А.С. Средняя плотность и пористость высокопрочных легких бетонов // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 7 (51). С. 31-37.