Ученые впервые измерили динамическую прочность бетона при взрыве
Специалисты Томского государственного университета (ТГУ) вместе с коллегами из ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) исследовали, как тяжелый бетон ведет себя при динамическом воздействии, например, при взрывах природного и техногенного характера. Результаты помогут проектировать взрывобезопасные конструкции атомных станций, хранилищ ядерных отходов и других критически важных объектов.
Авторы работали с бетонами высоких классов прочности, которые используют при строительстве атомных станций, тоннелей и других взрывобезопасных объектов.
«Тяжелые бетоны — особый класс композиционных материалов с высокой прочностью. Это цементная матрица, упрочненная крупнофракционными включениями со специально отобранными компонентами. Мы взрывали специальную линзу, которая создает плоскую ударную волну в образце, что имитирует реальный взрыв конструкций. Так мы обнаружили, что взрывная волна проходит через бетон неоднородно: внутри материала возникает сложная волновая картина, приводящая к одновременному появлению зон разрушения при сжатии и растяжении, обнаружены «диссипативные структуры», которые гасят или перераспределяют энергию деформации», — рассказал один из авторов исследования, сотрудник физико-технического факультета (ФТФ) ТГУ, кандидат физико-математических наук Александр Козулин.
Команда изучала образцы тяжелого бетона класса прочности В45 длиной от 2,5 см до полуметра и «била» по ним микросекундными ударными импульсами. С помощью уникальных бесконтактных лазерных датчиков ученые замеряли скорости движения ударных волн в образцах от момента удара до разрушения с временным разрешением до наносекунд, а затем по записанным данным рассчитывали динамическую прочность при сжатии и растяжении.
По результатам стало ясно, что тяжелый бетон при взрыве имеет эффект динамического упрочнения и становится до 6 раз прочнее на сжатие и растяжение — но при этом разрушается неравномерно, с зонами упругого и пластического поведения. Скорость материальных частиц за ударной волной распределяется не хаотично, а по определенным правилам, за счет чего можно установить корреляции с прочностью при разных уровнях амплитуды нагружения.
Помимо этого, на основе экспериментальных данных ученые ТГУ построили физико-математическую модель, которая прогнозирует поведение бетона при ударно-волновых условиях нагружения.
«Мы исследуем динамические эффекты, чтобы заложить в конструкторский проект уверенность: строительное сооружение не подведет ни при каких условиях, сможет защитить персонал и оборудование. Сейчас мы отработали методики исследований и детально изучили бетон класса B45. В перспективе хотим создать полный атлас разных видов тяжелого бетона (от B30 до B60 и выше) с их динамическими характеристиками», — отметил еще один участник исследования, заведующий лабораторией нанотехнологий и металлургии ФТФ ТГУ Илья Жуков.
По словам авторов, ранее строительные конструкции рассчитывали только на статические нагрузки, а что с ними случится при ударе или взрыве — никто точно не знал. Сейчас впервые получены значения динамической прочности тяжелого бетона при сжатии и растяжении. Это исследование позволит проектировать взрывобезопасные объекты на основе точных данных, а не устаревших статических нормативов, считают ученые.