Томские ученые впервые измерили динамическую прочность бетона при взрыве

Ученые Томского госуниверситета вместе с московскими коллегами выяснили, что при взрыве тяжелый бетон показывает в шесть раз более высокую прочность по сравнению со статистическими показателями. При этом он разрушается неравномерно, с зонами упругого и пластического поведения. Результаты исследований помогут проектировать взрывобезопасные конструкции атомных станций и хранилищ ядерных отходов, сообщает пресс-служба вуза.

Материалом для исследований стали серийные рецепты тяжёлого бетона класса прочности В45 одного из крупнейших производителей бетона в Томской области.

— Тяжёлые бетоны — особый класс композиционных материалов с высокой прочностью. Это цементная матрица, упрочнённая крупнофракционными включениями со специально отобранными компонентами, — рассказал доцент кафе механики деформируемого твердого тела физико-технического факультета ТГУ Александр Козулин. — Мы взрывали специальную линзу, которая создаёт 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.

Испытания проводились во взрывной камере у коллег в Черноголовке, а уже полный постэкспериментальный анализ и интерпретация данных — в Томске.

— Фактически мы раскладываем компоненты бетона «по молекулам», смотрим на их свойства, химические взаимодействия, определяем зависимости и их влияние на динамическую прочность. Владея этой информацией, можно регулировать параметры структуры на стадии производства бетона, управляя его стойкостью к ударным нагрузкам, — дополнил Александр Козулин.

Команда изучала образцы длиной от 2,5 см до полуметра и «била» по ним микросекундными ударными импульсами. С помощью бесконтактных лазерных датчиков учёные 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 тяжёлый 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 счёт чего можно установить корреляции с прочностью при разных уровнях амплитуды нагружения.

На основе экспериментальных данных учёные ТГУ таккже построили физико-математическую модель, которая прогнозирует поведение бетона при ударно-волновых условиях нагружения.

— Экспериментальные результаты стали основой компьютерных моделей, которые позволяют оценить прочность конструкций при ударно-волновых воздействиях. Мы исследуем динамические эффекты, чтобы заложить в конструкторский проект уверенность: строительное сооружение не подведёт при любых условиях, сможет защитить персонал и оборудование, — подчеркнул заведующий лабораторией нанотехнологий и металлургии ФТФ ТГУ Илья Жуков. — Сейчас мы отработали методики исследований и детально изучили бетон класса B45. В перспективе хотим создать полный атлас разных видов тяжёлого бетона (от B30 до B60 и выше) с их динамическими характеристиками.

Ранее строительные конструкции рассчитывались только на статические нагрузки, а что с ней случится при ударе или взрыве — никто точно не знал. Учёные ТГУ впервые получили значения динамической прочности тяжёлого бетона при сжатии и растяжении. Это исследование позволит проектировать взрывобезопасные объекты на основе точных данных, а не устаревших статических нормативов.

Подписывайтесь на наш телеграм-канал «Томский Обзор».