Analiza propagacji pęknięć w próbkach betonowych za pomocą systemu ARAMIS

W konstrukcjach betonowych obserwuje się naprężenia własne, które powstają w wyniku zmian objętości betonu. Naprężenia te zmierzają do tworzenia mikropęknięć, a nawet do zarysowania w zaczynie lub warstwach stykowych. Istotne jest monitorowanie obiektów budowlanych w celu eliminacji odkształceń, przemieszczeń czy miejsc koncentracji naprężeń.

Do niedawna jednym z dość rozpowszechnionych sposobów, umożliwiających dokonanie pomiaru odkształcenia w wyznaczonym kierunku lub otrzymania składowych tensora odkształcenia składowych w wyznaczonym punkcie były tensometry. Innym znanym rozwiązaniem umożliwiającym otrzymanie na powierzchni elementu stanu odkształceń była elastooptyka.

Metody te zastępują o wiele dokładniejsze systemy optyczne, takie jak na przykład system ARAMIS [3, 4, 5, 6]. 

System optyczny ARAMIS

System optyczno-pomiarowy ARAMIS służy do trójwymiarowych bezdotykowych pomiarów odkształceń i przemieszczeń w płaskich i przestrzennych elementach. Podczas przeprowadzenia badań ­ARAMIS analizuje, oblicza oraz dokumentuje rozwój propagacji pęknięć w próbkach.

• Otrzymane wyniki są przedstawione w formie graficznej, co daje możliwość obrazowego zrozumienia zachowania badanego komponentu podczas przyłożenia obciążenia. System, wykorzystując zdjęcia z cyfrowych kamer, rejestrujących zmiany badanego kształtu, identyfikuje strukturę danego obiektu.
• Na pierwszym zdjęciu, wykonanym przed przyłożeniem obciążenia, przyjmuje się stan zerowych odkształceń, czyli innymi słowy nie występuje żadna deformacja próbki.
• Kolejne zdjęcia przedstawiają proces obciążania danego elementu, aż do momentu jego zniszczenia. Dzięki korelacji obrazu oraz obliczeniom regulacji obliczany jest precyzyjny model.
• Strukturę powierzchni badanego przedmiotu określa siatka o dużej rozdzielczości. Najczęstszym zastosowaniem tego systemu jest pomiarów szerokości rys w obciążonych kompozytach betonowych, natomiast znajduje również zastosowanie w pomiarach elementów betonowych, a także żelbetowych.

Cel i zakres badań

Celem badań była wizualizacja rozwoju propagacji pęknięć w próbkach betonowych sześciennych połączona z wyznaczeniem wartości siły ściskającej odpowiadającej pierwszym pęknięciom zarejestrowanym przez system optyczny dla próbek betonowych różnych klas wytrzymałościowych.

Obiektem analizy były próbki sześcienne wykonane według normy PN-EN 12390-1:2013-03.

• Zastosowano bezdotykowy system optyczny ARAMIS firmy GOM.
• Podczas badania analizowano kolejne fazy rozwoju pęknięć w kostkach sześciennych w czasie ich stopniowego obciążania.
• Próba ściskania została przeprowadzona na prasie hydraulicznej Tecnotest KE300/CE.
• Przeprowadzone badanie ściskania próbek betonowych wykonanych z następujących klas wytrzymałościowych C20/25, C25/30, C30/37 oraz C35/45.
• Liczebność próbek w obrębie każdej klasy wytrzymałościowej wyniosła 6. Z wymienionych klas wykonywane są elementy konstrukcyjne, takie jak: fundamenty (ławy, ściany, płyty), stropy, warstwę podłogi na gruncie, wieńce i słupki w ściankach kolankowych, nadproża monolityczne, schody czy też słupy.
• Betony klas wyższych jak C30/37 oraz C35/45 wykorzystywane są już przy budowie mostów, śluz, wiaduktów.
• Próbki do badań zostały wykonane zgodnie z wymiarem podanym w normie.
• W laboratorium wykonano mieszanki betonowe oraz przeprowadzono betonowanie wraz z zagęszczaniem.
• Po rozszalowaniu próbek, zgodnie z normą PN-EN 12390-2:2011 zostały poddane sezonowaniu w całkowitym zanurzeniu w wodzie przez okres 28 dni, aby osiągnęły pełną wytrzymałość.
• Ostatnim etapem w ramach przygotowań było wyszlifowanie powierzchni próbek do badań i naniesienie stosownej tekstury wymaganej przez system optyczny.

Wyniki badań

Wyniki badań przedstawiono w postaci raportów. Przedstawiają one zarejestrowane poszczególne etapy rozwoju pęknięć w próbce betonowej. Przykładowy raport próbki C20/25 (RYS. 1-3) przedstawia dwie głębokie pionowe rysy. Jedna z tych rys biegnie dwukierunkowo.

• Zaobserwowano inne poziome rysy biegnące od krawędzi próbki do jej środka, w wyniku kolejnych faz obciążania próbki.
• Rysy powstają na powierzchni próbki, a także w jej wnętrzu.
• Trajektoria pęknięcia rysy zlokalizowanych w miejscu środka próbki odchyla się od płaszczyzny pionowej w przedziale 0-10°.
• Kierunkiem propagacji jest powierzchnia przyłożenia obciążenia na próbkę.
• Wartość maksymalnych odkształceń wewnątrz mikrostruktury betonu dochodziła do 9,07%.
• Czas propagacji wyniósł 22 sekundy.

W czasie badania próbki C25/30 zaobserwowano, podobnie jak w poprzednich próbkach, że do momentu zapoczątkowania pęknięcia na całej rozpatrywanej powierzchni suma odkształceń nie powoduje istotnych zmian destrukcyjnych.

Niektóre obszary, gdzie występuje większa wartość odkształceń, mogą być powodem przemieszczania się ziaren kruszywa.

• Pierwsza rysa zaczyna się rozprzestrzeniać dopiero w 39 sekundzie badania (RYS. 4), a wartość siły tworzącej rysę wynosi 730,0 kN, którą odczytano z wykresu otrzymanego z maszyny wytrzymałościowej.
• Moment inicjacji pęknięcia wykazuje gwałtowny wzrost odkształceń w mikrostrukturze betonu i powoduje wzrost rys.
• Wartość odkształceń w momencie i polu inicjacji wyniosła 0,90% (RYS. 4).
• Poprzez dalszą propagację pęknięć wzrasta wartość odkształceń wewnątrz obszaru pękania, a także w pobliżu wierzchołka pęknięcia. Może to być przyczyną utraty nośności badanego elementu.
• Miejsca spękań znajdujące się poza wierzchołkiem wykazywały znikome odkształcenia rzędu 0,05%.

W wyniku przeprowadzonych badań wyznaczono siłę odpowiadającą pojawieniu się pierwszej rysy w próbce betonowej w odniesieniu do największej wartości siły ściskającej jaką jest w stanie przenieść próbka ściskana. Dla poszczególnych klas betonu procentowy udział wartości siły pojawienia się rys do największej siły odpowiadającej wytrzymałości na ściskanie wynosi:

• 50,11% dla klasy wytrzymałościowej C20/25,
• 38,64% dla klasy wytrzymałościowej C25/30,
• 56,88% dla klasy wytrzymałościowej C30/37,
• 66,25% dla klasy wytrzymałościowej C35/45.
   

Procentowy udział wartości siły pojawienia się rys jest o 16% wyższy dla klasy wytrzymałościowej betonu C35/45 w odniesieniu do klasy C20/25, czyli wraz z większą wytrzymałością betonu rośnie wartość siły, przy której pojawiają się pierwsze pęknięcia.

• Z technicznego punktu widzenia można przyjąć, że dla badanych klas wytrzymałościowych próbek betonowych pierwsze pęknięcia mogą się pojawić po przekroczeniu połowy normowej wytrzymałości próbki.
• Średnia szerokość rysy zawiera się w przedziale od 0,055 do 0,035 dla momentu zarodkowania dla klas betonu C20/25 do C35/45 oraz dla momentu zniszczenia 1,95 do 0,75 mm dla klas betonu C20/25 do C35/45.
• Betony wyższych klas wytrzymałościowych podczas pękania charakteryzują się mniejszą szerokością pęknięcia.
• Każda z analizowanych próbek uległa gwałtownemu zniszczeniu na skutek powstania szerokiego pęknięcia w różnych elementach kostki.
• Wraz z rozwijającą się propagacją zaobserwowano zjawisko wzrostu wartości odkształceń w obszarze spękania.
• Największe wartości odkształcenia zaobserwowano w obszarze zarodkowania pęknięcia, a także na krawędziach próbek sześciennych.

Wnioski

System ARAMIS jest bardzo przydatny do oceny propagacji pęknięć próbek betonowych, jak również oceny odkształceń próbek. Umożliwił on precyzyjne wyznaczenie wartości siły odpowiadającej pojawieniu się pierwszym pęknięciom oraz zapisu tego procesu w postaci filmu.

Zastosowany do badań optyczny system ARAMIS jest nowoczesnym narzędziem umożliwiającym prowadzenie precyzyjnych analiz odkształceń próbek betonowych oraz propagacji ich pęknięć wraz z możliwością wykrywania rys o szerokości 0,1 mm.

Literatura

1. G.L. Golewski, "Procesy pękania w betonie z dodatkiem krzemionkowych popiołów lotnych", Monografie Politechnika Lubelska, Lublin 2015, str. 1-314.
2. J. Małolepszy, "Wybrane zagadnienia z trwałości betonów", Konferencja Naukowo-Techniczna "Beton na progu nowego milenium", Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2000, str. 339-359.
3. C. Ajdukiewicz, M. Gajewski, P. Mossakowski, "Zastosowanie systemu optycznej korelacji obrazu "ARAMIS" do identyfikacji rys w elementach betonowych", "Logistyka" nr 6/2010, str. 27-34.
4. B. Goszczyńska, J. Tworzewska, "Określenie rysy na potrzeby analizy wyników badania procesu powstawania i rozwoju rys w belkach żelbetowych z zastosowaniem systemu ARAMIS", "Przegląd Budowlany" 12/2014, str. 44-49.
5. Q. Hu, X. Yang, Q. Cai, C. Huang, "Application of ARAMIS digital speckle in clay interlayer deformation measurement", www.ejge.com, vol. 20, 2015, str. 287-300.
6. M. Jóźwik, W. Jaśkowski, T. Korbiel, T. Lipecki, "Wyniki ciągłej rejestracji przemieszczeń i wychyleń budynku w czasie wstrząsów górniczych", Miesięcznik Wyższego Urzędu Górniczego 5/2002.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!