Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Получена серия образцов из тяжелого бетона для проведения экспериментальных работ, в квазистатических и динамических условиях нагружения. Для этого изготовлены образцы в виде кубов 100х100х100 мм3, цилиндрических стержней и таблеток диаметром 105 мм, длиной до 500 мм. Полученный бетон характеризуется плотной композитной структурой, лишенной крупных пор и воздушных карманов, где гранитные включения в цементной матрице равномерно распределены по объему. Экспериментально определены значения предела прочности на растяжение и сжатие, в результате чего установлен класс исследуемых высокопрочных бетонов. Значение прочности бетона на сжатие оказалось равным 59 МПа, что соответствовало классу прочности В45, а прочность таблеток на растяжение в схеме раскалывания составила 8 МПа. Разрушенные образцы имеют характерный вид, где кубики после разрушения выглядят по подобию песочных часов; таблетки имеют магистральную трещину вдоль диаметра, раскалывающую образец пополам, с минимальным ветвлением без вторичных трещин и с небольшим выкрашиванием разрушенного материала в области берегов трещины. Значения модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона, которые были равны 40,7 ГПа и 0,29, получены через значения продольной cl, сдвиговой cs скорости звука и плотность. Скорости звука были измерены ультразвуковым методом и составили 4663 и 2532 м/с, плотность бетона была равна 2460 кг/м3, отсюда объемная cb скорость звука равна 3633 м/с. Определены профили свободной поверхности цилиндрических образцов бетона В45 диаметром 105 мм длиной от 25 до 500 мм при длительностях импульсов ударной нагрузки более 10 микросекунд и амплитуде 3,6 ГПа. Проведены исследования эволюции импульсов ударного сжатия в стержнях. Показано, что при ударном сжатии в образцах длиной от 25 до 70 мм формируется упругий предвестник с плавным нарастанием напряжения на фронте волны, за которым следует пластическая ударная волна. Пластическая деформация начинается на самых ранних стадиях сжатия и сопровождается деформационным упрочнением за счет схлопывания микропор в объеме образца. Наблюдалось сильное затухание пластической волны сжатия по мере распространения импульса по образцу, при этом отмечается слабое затухание упругой волны с диссипацией. Измерения параметров импульса сжатия на границе зоны разрушения и параметров упругопластического перехода позволили определить динамическую прочность бетона на сжатие. Оценка напряжения, при котором исследуемый бетон разрушается при сжатии, находится в диапазоне: сверху – величина упругого предела Гюгонио 467 МПа, снизу – максимальные сжимающие напряжения 411 МПа при скорости деформирования ~2200 1/с. Анализ измеренного профиля скорости свободной поверхности образца бетона 500 мм позволил аналитически определить размеры сохранившегося откольного фрагмента, длина которого при сопоставлении с результатами эксперимента достаточно хорошо совпала с диапазоном инструментальных измерений. Значения динамической прочности на растяжение составили ~ 30 МПа при скорости деформации ~ 100 1/с. Коэффициент динамического упрочнения при сжатии составил 6–7, при растяжении 3–4. Обработаны результаты ударно-волнового нагружения цилиндрических образцов диаметром 100 мм, создана физико-математическая модель, адекватно описывающая процессы динамического нагружения бетонов на стадиях деформирования, найдены параметры уравнений описывающих исследуемые процессы, определены эффективные свойства модельных образцов бетона. Получены результаты численного моделирования в виде пространственного распределения расчетных локальных значений интенсивности сдвиговых напряжений на в образце тяжелого бетона при нагружении плоской ударной волной с амплитудой 1,28 ГПа. Результаты численного моделирования механического поведения бетона при ударно-волновом нагружении показали, что на мезоуровне в материале формируются нестационарные и существенно неоднородные поля распределения локальных значений параметров механического состояния. Это обусловлено значительным различием физико-механических свойств цементной матрицы и гранитных включений. Определены эффективные значения параметров механического состояния. Из расчетных профилей эффективного напряжения при нагружении плоской ударной волной определено формирование двух-волновой структуры фронта ударной волны. Отчётливо выделяется фронт упругой волны (упругий предвестник) и фронт пластической (ударной) волны, распространяющейся за упругим предвестником. Рассчитаны эффективные значения скорости упругого предвестника, которые равны продольной скорости звука в бетоне cl = 4814 м/с, что с точностью до 5 % соответствует измеренному экспериментальному значению. При анализе пространственного распределения расчетных локальных значений скорости материальных частиц в модельном образце бетона выявлены эффекты самоорганизации процессов движения и деформации структурных элементов во фронте ударной волны. Определено возникновение коллективных эффектов в их движении, где формируется диссипативная структура, состоящая из блоков, объединяющих внутри себя несколько структурных элементов, коллективно смещающихся в процессе деформации материала во фронте ударной волны. О зарождении диссипативной структуры так же свидетельствует изменение характера распределения расчётных локальных значений скорости материальных частиц во фронте ударной волны. Результаты численного моделирования позволили обнаружить, что в процессе распространения ударной волны в материале, в области фронта формируется бимодальное распределение расчётных локальных значений скорости материальных частиц. Полученные результаты показали, что неупругая деформация бетона при ударно-волновом нагружении является результатом деформации цементной пасты и смещения частиц гранитного наполнителя. Вклад пластической деформации в модели регламентируется определяющим уравнением и учтен в континуальном приближении, что может быть обосновано так же наличием микропор в матрице на следующем структурном уровне.