Исследование процесса образования магистральных трещин в образцах бетона при механических испытаниях

Ужесточение требований к безопасности зданий и сооружений критической инфраструктуры требует корректной оценки физико-механических свойств строительных материалов и определения критериев предельного состояния их работоспособности, при котором возможны образования магистральных трещин. В работе проведены механические испытания кернов цементных элементов, отобранных с разных глубин, для которых определены средние значения прочности на одноосное сжатие и растяжение, найдены модули деформации. Для образцов бетона С28/35 в виде дисков толщиной 5–10 мм исследована внутренняя структура на автоматизированном лазерном ультразвуковом дефектоскопе УДЛ 2М, измерены скорости продольных волн, значения которых лежали в пределах 3820–4330 м/с. Показано, что во внутренней структуре наблюдаются трещины не более 3 мм. Оставшаяся серия образцов подвергались одноосному сжатию с одновременной регистрацией акустической эмиссии. Установлено, что резкое увеличение активности акустической эмиссии наблюдалось, если напряжение достигало 0,7Rc и 0,7Rp, где Rc и Rp — пределы прочности, соответственно, на одноосное сжатие и растяжение. Последующее исследование образцов на рентгеновском томографе показало, что при 0,7Rc и 0,7Rp в них появляются магистральные трещины. Показано, что если в модели Кулона-Мора при расчете напряженно-деформированного состояния учитывать предельное состояние работоспособности, а Rc и Rp заменить, соответственно, на 0,7Rc и 0,7Rp, то в 1,5 раза уменьшается сцепление, со значения 7,5 МПа до 5 Мпа, и на 3 % уменьшается угол внутреннего трения.

Борисов Н. Г., Белов О. Д., Гапеев А. А. Исследование процесса образования магистральных трещин в образцах бетона при механических испытаниях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 52—61. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_52.

Борисов Никита Геннадьевич¹ — аспирант, bng@sste.ru;
Белов Олег Дмитриевич¹ — инженер;
Гапеев Артем Андреевич¹ — инженер;
¹ Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС» Горный институт, Москва, Россия.

1. Hou T.-C., Lynch J. P. Electrical impedance tomographic methods for sensing strain fields and crack damage in cementitious structures // Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2009, Vol. 20, no. 11, pp. 1363–1379. DOI: 10.1177/1045389X08096052.

2. Bosque I. F., Heede P. V., Belie N. D., Sanchezde M. I., Medina R. C. Freeze-thaw resistance of concrete containing mixed aggregate and construction and demolition wasteadditioned cement in water // Construction and Building Materials, 2020, Vol. 259. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119772.

3. Li V., Herbert E. Robust self-healing concrete for sustainable infrastructure // Journal of Advanced Concrete Technology, 2012, Vol. 10, no. 6, pp. 207—218. DOI: 10.3151/jact.10.207.

4. Mengel L., Krauss H. W., Lowke D. Water transport through cracks in plain and reinforced concrete — Influencing factors and open questions // Construction and Building Materials, 2020, Vol. 254. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118990.

5. Шейнин В. И., Блохин Д. И., Гайсин Р. М., Максимович И. Б, Максимович Ил. Б., Ходарев В. В. Комплексная диагностика технического состояния монолитной «стены в грунте» после длительной консервации // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2014. — № 4. — С. 19—24. DOI: 10.1007/s11204—014—9277—5.

6. Шейнин В. И., Дзагов А. М., Костенко Е. С., Манжин А. П., Блохин Д. И., Максимович И. Б, Соболева В. Н. Определение прочностных характеристик бетона буровых свай по испытаниям образцов из выбуренного керна // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2016. — № 2. — С. 26—30. DOI: 10.1007/s11204-016-9374-8.

7. Tschegg E. K., Schneemayer A., Merta I., Rieder K. A. Energy dissipation capacity of fibre reinforced concrete under biaxial tension compression load. Part II: Determination of the fracture process zone with the acoustic emission technique // Cement and Concrete Composites, 2015, Vol. 62, pp. 187—194. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2015.07.003.

8. Lai W. W.-L., Derobert X., Annan P. A review of Ground Penetrating Radar application in civil engineering: A 30-year journey from Locating and Testing to Imaging and Diagnosis // NDT & E International, 2018, Vol. 96, pp. 58—78. DOI: 10.1016/j.ndteint.2017.04.002.

9. Чулков А. О., Вавилов В. П., Московченко А. И. Активный тепловой контроль отслоений в теплозащитных конструкциях // Дефектоскопия. — 2019. — № 3. — С. 58—65. DOI: 10.1134/S0130308219030102.

10. Melnikov N. N., Mesyats S. P., Ostapenko S. P., Cherepetskaya E. B., Shibaev I. A., Morozov N. A., Kravcov A. N., Konvalinka A. Investigation of disturbed rock zones in openpit mine walls by seismic tomography // Key Engineering Materials, 2017, Vol. 755, pp. 147—152. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.755.147.

11. Шейнин В. И., Дзагов А. М., Блохин Д. И., Смилянский А. Л. Оценка качества и прочности бетона с использованием данных ультразвуковых испытаний // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2012. — № 4. — С. 6—11. DOI: 10.1007/ s11204-012-9179-3.

12. Черданцев Н. В. Исследование предельно напряженного состояния пласта в его краевой зоне методами механики сыпучей среды // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3. — С. 45–57. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-3-045-57.

13. Shilko E. V., Dimaki A. V., Psakhie S. G. Strength of shear bands in fluid-saturated rocks: a nonlinear effect of competition between dilation and fluid flow // Scientific Reports, 2018, Vol. 8. Article number: 1428. DOI: 10.1038/s41598-018-19843-8.

14. Лавров А. В., Шкуратник В. Л., Филимонов Ю. Л. Акусто-эмиссионный эффект памяти в горных породах. — Москва: Издательство МГГУ, 2004. — 456 с.

15. Shibaev I. A., Cherepetskaya E. B., Bychkov A. S., Zarubin V. P., Ivanov P. N. Evaluation of the internal structure of dolerite specimens using X-ray and laser ultrasonic tomography // International Journal of Civil Engineering and Technology, 2018, Vol. 9, pp. 84—92.

16. Karabutov A. A., Podymova N. B., Cherepetskaya E. B. Determination of Uniaxial Stresses in Steel Structures by the Laser-Ultrasonic Method // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2017, Vol.58, Issue 3, pp. 503—510. DOI: 10.15372/PMTF20170315.

17. Zarubin V., Bychkov A., Simonova, V., Zhigarkov V., Karabutov A., Cherepetskaya E. A refraction-corrected tomographic algorithm for immersion laser-ultrasonic imaging of solids with piecewise linear surface profile // Applied Physics Letters, 2018, Vol. 112, № 214102,. DOI: 10.1063/1.5030586.

18. Kravcov A., Svoboda P., Konvalinka A., Cherepetskaya E. B., Sas I. E., Morozov N. A., Zatloukal J. Evaluation of crack formation in concrete and basalt specimens under cyclic uniaxial load using acoustic emission and computed X-Ray Tomography // Key Engineering Materials, 2017, Vol. 722, pp. 247—253.DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.722. 247.