Použitie nedeštruktívnej akustickej emísie a numerickej analýzy na sledovanie deformácií vláknobetónu

1. Úvod

Betón vystužený oceľovými vláknami je kompozitný materiál vyrobený z cementu, minerálneho kameniva, piesku, vody a oceľových vlákien. Na rozdiel od konvenčného železobetónu ide o homogénny materiál s rovnomerne rozloženou výstužou. Základnými parametrami oceľových vlákien, ktoré ovplyvňujú vlastnosti kompozitného betónu, sú dĺžka vlákna, priemer, pevnosť v ťahu ocele použitej na jeho výrobu a jej geometria. Pomer štíhlosti, definovaný ako pomer dĺžky vlákna k jeho priemeru, bol zavedený už dávno. Pomer štíhlosti vlákna použitého ako výstuž by nemal byť menší ako 50. Ďalšou veľmi dôležitou vlastnosťou vlákna, ktorá nepopierateľne ovplyvňuje vlastnosti betónu, je jeho tvar. Tvar vlákien musí byť zvolený tak, aby konce vlákien boli čo najbezpečnejšie ukotvené v betónovej matrici [1, 2].

Primárnou funkciou oceľových vlákien v betóne je zníženie koncentrácie napätia. Keď sú vlákna rovnomerne rozložené v betóne, prenášajú zaťaženie cez existujúce diskontinuity betónovej matrice, ako sú trhliny alebo praskliny, pričom preberajú sily vyplývajúce zo zaťaženia. Tieto sily sa prenášajú cez lom z jednej strany na druhú a znižujú napätia na konci lomu v dôsledku oveľa väčšieho Youngovho modulu pre oceľ vo vzťahu k matrici okolitého betónu. Opísaný jav zabraňuje premene vnútorných mikrotrhlín na väčšie trhliny vedúce k deštrukcii betónu [2].

Rôzne výskumy a štúdie o využití nedeštruktívnej techniky na hodnotenie technického stavu zariadení a konštrukcií pracujúcich pri vysokom zaťažení sa uskutočňujú už najmenej v posledných desaťročiach. Osobitnú úlohu v tomto smere zohráva metóda akustickej emisie, ktorá umožňuje posúdiť celkový technický stav konštrukcie, a to ako pri jednorazovom zaťažení, tak aj pri dlhodobom monitorovaní objektu prevádzkovaného pri zaťažení [3].

Pojem akustická emisia (AE) je definovaný ako okamžité elastické vlny spôsobené náhlym uvoľnením energie uloženej v materiáli. Tieto vlny sú generované v miestach nazývaných zdroje AE a sú zvyčajne výsledkom niekoľkých javov, ktoré sa navzájom prekrývajú. V dôsledku aplikovaného vonkajšieho podnetu (napr. napätie, tlak, teplotný gradient, magnetické pole atď.) sa elastické vlny šíria od zdroja k povrchu hranice materiálu, kde môžu byť zaznamenané špeciálnymi prijímacími prevodníkmi [4].

V kompozitných materiáloch, za ktoré nepochybne treba považovať betón vystužený rozptýlenými oceľovými vláknami, je základným zdrojom akustickej emisie vznik a vývoj mikrotrhlín. Pri zaťažení sa môžu mikrotrhliny šíriť a stávajú sa aktívnymi zdrojmi AE. Ich veľkosť a miesto výskytu sú dôležitými faktormi pri analýze celistvosti konštrukcie, pretože nestabilné poruchy sa zvyčajne šíria dlho pred porušením konštrukcie. Takto vznikajúce diskontinuity sa stávajú aktívnymi zdrojmi AE, čo umožňuje odhaliť vznikajúce nebezpečenstvá [4].

2. Materiály a metódy

2.1 Materiály

V testoch boli použité tri vzorky s rozmermi 150×150×700 mm. Vzorky boli odlišné z hľadiska obsahu oceľových vlákien. Referenčná vzorka A1 neobsahovala žiadne vlákna. Vzorka A2 obsahovala vlákna v množstve 40 kg/m³. Vzorka A3 obsahovala vlákna v množstve 60 kg/m³. Zloženie vzoriek je uvedené v tabuľke 1.

2.2 Metódy

Vzorky vláknobetónu sa podrobili trojbodovému ohybu pomocou testovacieho stroja Zwick Roell. Počas skúšok boli zaznamenané nasledujúce signály: čas skúšky, posuv a sila zaťažujúca vzorku. Vzdialenosť medzi podperami v stroji bola 600 mm. Vzorky boli zaťažované do porušenia. Schéma a pohľad na skúšobný stroj je znázornená na obrázku 1.

a)

b)

c)

Obr. 1: Test, a) schéma zapojenia, b) vzorka po zaťažení, c) Diagram sila-deformácia, chovanie sa vláknobetónu pri zaťažení 3-bodovým ohybom

AE signály sa zaznamenávali počas testov. Na tento účel bol použitý procesor akustickej emisie AEWin (od Mistras, USA) a dva snímače VS75-SIC-40dB od Vallen. Kvôli citlivosti merania AE senzorov bol proces kalibrácie AE senzorov vykonaný pred začiatkom cieľových meraní. Za týmto účelom boli vykonané odčítania parametrov signálu AE, generované referenčným zdrojom – lomeným grafitom ceruzky Pentel s priemerom 0,3 mm a tvrdosťou 2H, nastavenou pod uhlom 30 stupňov k povrchu testovaného prvok (zdroj Hsu-Nilsen). Dĺžka vyťaženého grafitu bola asi 2,5 mm. Rozbitie grafitu bolo spojené s emisiou signálov s amplitúdou nad 95 dB. Na základe toho sa zistilo, že signály sú zaznamenané správne.

Počas testov sa obraz prednej časti vzorky zaznamenal na neskoršie analýzy pomocou softvéru GOM Suite. Predná strana vzorky bola pred testovaním riadne pripravená nanesením vrstvy farby (zobrazenej na fotografii na obrázku 1b).

Ako výsledok trojbodových ohybových skúšok vzoriek vláknobetónu boli na stroji na skúšanie pevnosti vykreslené diagramy sily-deformácie. Grafy sú znázornené na obrázku 1c. Maximálna sila zaznamenaná počas testu potrebná na porušenie vzorky sa zvyšovala so zvyšujúcim sa množstvom pridaných oceľových vlákien. Najnižšia sila bola zaznamenaná pri vzorke bez výstuže, zatiaľ čo pri vzorkách s obsahom vlákien 60 % bola maximálna zaznamenaná sila vyššia asi o 35 %. Pre vzorku so 40% obsahom vlákniny bola maximálna sila počas testu vyššia o cca. 12 % vo vzťahu k východiskovej vzorke (nevystužené) (Tab. 2). Pri vláknobetónovej vzorke bez výstuže a so 40% podielom prídavku oceľových vlákien došlo pri skúške k porušeniu krátko po dosiahnutí maximálnej sily. Získané experimentálne výsledky sa stali podkladom pre realizáciu numerických výpočtov.

Na vytvorenie základne referenčných signálov pre procesy deštrukcie vo vzorkách vláknobetónu bolo použitých 14 parametrov signálov: trvanie, čas nábehu, čas rozpadu, RMS, počet, počet vrcholov, amplitúda, energia, priemerná frekvencia, frekvencia dozvuku, počiatočná frekvencia, absolútna frekvencia, sila signálu a priemerná úroveň signáli (ASL).

Po rozdelení zaznamenaných AE signálov do štyroch tried pomocou algoritmu k-means bol ako ilustrácia prebiehajúcich procesov použitý jeden zo štrnástich parametrov akustickej emisie, ktorým je energia signálu. Jednotlivé triedy signálov EA boli na základe predbežných štúdií priradené k procesom prebiehajúcim v štruktúre testovaného materiálu:

• Trieda 1 (modrá) – iniciácia mikrotrhlín;
• Trieda 2 (zelená) – tvorba a šírenie trhlín;
• Trieda 3 (červená) – vznik trhlín, drvenie betónu;
• Trieda 4 (fialová) – plastická deformácia, porušenie materiálu.

a)

b)
Obr. 2: Graf energie v čase, berúc do úvahy rozdelenie zaznamenaných signálov akustickej emisie do tried pre vzorku a) A1 a b) A3

Analýzou rozloženia energie signálov akustickej emisie jednotlivých tried v čase pre vzorku A1 (obr. 2a) možno pozorovať, že signály prvých troch tried sa objavujú v časovom priebehu od začiatku procesu zaťaženia. Najmä prítomnosť signálov triedy 3 naznačuje, že pri nízkej úrovni zaťaženia a deformácie v ťahovej zóne prvku došlo k poškodeniu vedúcemu k jeho porušeniu. Výskyt signálov triedy 4 sa rovnal porušeniu prvku.

Analýzou rozloženia energie signálov akustickej emisie jednotlivých tried v čase pre vzorku A3 (obrázok 2b) možno pozorovať, že v časovom priebehu, v prvej fáze testu, sú prítomné signály triedy 1, čo naznačuje vznik mikrotrhliny v materiáli pri zaťažení. Až po 300 s skúšky sa začnú objavovať signály triedy 2 súvisiace s tvorbou a šírením trhlín v ťahovej zóne. Čoskoro po výskyte signálov 2. triedy sa objavujú aj signály 3. triedy, ktoré súvisia so vznikom trhlín a postupným drobením betónu v blízkosti rozširujúcej sa trhliny. Signály triedy 4 sa objavia po 600 sekundách. Pri porovnaní distribúcie signálov triedy 4 charakteristických pre vzorku A3 so vzorkou A1 je možné pozorovať, že ich počet je výrazne vyšší. V prípade vzorky vystuženej rozptýlenou oceľovou výstužou signalizujú signály triedy 4 praskanie materiálu a vytváranie takzvaných „mostov“ spojených s preberaním zaťaženia vláknami. Vzor porušenia vzorky nie je náhly. Zaťaženie je sprevádzané poklesmi a nárastmi hodnoty sily, pričom deformácia sa zvyšuje.

3. Numerický model vláknobetónu

Numerické výpočty modelov vláknobetónových prvkov boli vykonané pomocou softvéru Abaqus, ver. 2017. Bola modelovaná trojbodová ohybová skúška vláknobetónových nosníkov s rôznym obsahom oceľových vlákien. Použil sa plochý (2D) numerický model nosníka. Valce na podperách a zaťažovací valec boli modelované ako tuhé konštrukcie. Medzi valcami a nosníkom bol modelovaný povrchový kontakt. Pri možnostiach okrajových podmienok bola zablokovaná možnosť posunutia dvoch spodných valcov, pričom na horný valec pôsobila záťaž v podobe posunu (posun pozdĺž osi y). Hodnota posunu v numerickom výpočtovom programe bola zvolená na základe experimentálnych výsledkov, čo bol posun zaznamenaný pri maximálnej sile počas testu. V numerickom modeli nosníka boli použité 4-uzlové konečné prvky.

a)

b)
Obr. 3: Numerické výsledky vláknobetónu, a) vzorka A1, b) vzorka A3

Na základe numerických výpočtov boli stanovené vybrané hodnoty mechanických polí vznikajúcich v analyzovaných vláknobetónových prvkoch pri zaťažovaní. Uvádzajú sa výsledky získané pre: efektívne napätie (podľa von Misesa) a maximálne hlavné napätie (prvé hlavné napätie) (obr. 3a,b, tabuľka 3).

Najvyššia úroveň efektívneho napätia (podľa von Misesa) sa vyskytla pre vláknobetónovú vzorku bez pridania výstužných oceľových vlákien. Keď sa percento oceľových vlákien v betóne zvýšilo (40 % a 60 %), pozoroval sa pokles maximálnej efektívnej úrovne napätia. Pokles úrovne efektívneho napätia pre vzorku bez výstuže a s podielom oceľových vlákien (A3, 60 %) bol asi 35 %. Naopak, najvyššia úroveň maximálneho hlavného napätia bola zaznamenaná pri analyzovanej vzorke betónu s podielom oceľových vlákien na úrovni 60 %. Bola asi o 1/3 vyššia ako u vzorky bez podielu výstuže oceľovými vláknami (A1).

V prípade rozdelenia polí maximálnych hlavných deformácií možno pozorovať určité rozdiely medzi východiskovým materiálom (A1) a ostatnými analyzovanými materiálmi (A2, A3). Rozdiely boli spôsobené podielom oceľových vlákien v betóne označenom A2 a A3. Charakter rozloženia efektívnych napätí v priereze analyzovaných vzoriek bol podobný pre tri materiály zahrnuté do numerickej analýzy.

4. Závery

Na základe vykonaných výskumov a analýz boli vyvodené tieto závery:

• Potvrdilo sa, že pridanie zakrivených oceľových vlákien do betónu má pozitívny vplyv na zlepšenie pevnosti vzoriek vystavených trojbodovému ohybu;
• Zaťaženie pomocou trojbodové ohybu vláknobetónových vzoriek je spojené s emisiou akustických signálov charakteristických pre rôzne deštruktívne procesy prebiehajúce v materiáli;
• Pridanie oceľových zakrivených výstužných vlákien vo forme rovnomerne rozmiestnenej výstuže mení počet a rozloženie signálov akustickej emisie jednotlivých tried;
• Rozdiely v počte a rozložení signálov akustickej emisie jednotlivých tried sú pozorované pri nízkej úrovni zaťaženia a deformácií.
• Metóda akustickej emisie je veľmi užitočná pri monitorovaní prvkov alebo konštrukcií vyrobených z betónu vystuženého rovnomerne rozloženými oceľovými vláknami pri zaťažení.
• Ukázalo sa, že numericky určené efektívne úrovne napätia klesali so zvyšujúcim sa podielom oceľových vlákien v betóne. Maximálne úrovne prvých hlavných napätí sa však zvýšili (najvyššia hodnota pre materiál vzorky A3).

Poďakovanie

Tento článok vznikol za finančnej podpory Grantovej agentúry VEGA SR v rámci riešenia úloh 1/0321/24 a podpory Agentúry na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy APVV-23-0626.

Literatúra

1. Allen, H.G. The purpose and methods of fibre reinforced. Prospect of Fibre Reinforced Construction Materials. In Pro-ceedings of an International Building Exhibition Conference Sponsored by the Building Research Station, Olympia; London, UK, 24 November 1971, pp. 3–14.
2. Bywalski, C.; Kaźmierowski, M.; Kamiński, M.; Drzazga, M. Material Analysis of Steel Fibre reinforced High-Strength Concrete in Terms of Flexural Behaviour: Experimental and Numerical Investigation. Materials 2020, 13, 1631.
3. Aggelis, D.G.; El Kadi, M.; Tysmans, T.; Blom, J. Effect of propagation distance on acoustic emission fracture mode classification in textile reinforced cement. Constr. Build. Mater. 2017, 152, 872–879.
4. Ono, K. Rayleigh wave calibration of acoustic emission Sensors and ultrasonic transducers. Sensors 2019, 19,3129.