ELEKTROMAGNETICKÁ A AKUSTICKÁ EMISE P I TVORB TRHLIN V BETONOVÝCH VZORCÍCH

Transkript

1 ELEKTROMAGNETICKÁ A AKUSTICKÁ EMISE PI TVORB TRHLIN V BETONOVÝCH VZORCÍCH ELECTROMAGNETIC AND ACOUSTIC EMISSION DURING THE CRACK GENERATION IN CONCRETE SPECIMENS Pavel Koktavý*, Bohumil Koktavý** Vysoké uení technické v Brn *Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií **Fakulta stavební Abstract The paper deals with the electromagnetic emission (EME) and the acoustic emission (AE), which arise during the crack generation in mechanically stressed concrete specimens. The objective of the research consisted in verifying the crack generation waveform model for quasi-brittle material damaging processes. It appears that the crack position, as determined from the lag of the acoustic signal behind the electric one, indicates elevated mechanical stress concentration points in the test specimen. Experiment results thus prove to be in a good agreement with the modelling results for the crack spatial distribution in the specimens. Keywords: Crack, Electric charge, Electromagnetic emission, Acoustic emission. 1 ÚVOD Pi mechanickém psobení na pevnou látku dochází pi vzniku trhlin ke generaci elektromagnetického pole, které je vyvoláno asovou zmnou celkového elektrického dipólového momentu látky. Pedpokládáme-li, že je sledovaná látka elektricky neutrální, potom musí docházet ke zmn vzdálenosti jednotlivých náboj elementárních dipól látky. Existujeada model pro vysvtlení tohoto jevu. Stávající model je založen na pedstav, že pi vzniku trhlin nesou stny trhliny opané elektrické náboje a pi jejich pohybu dochází ke zmn dipólového momentu soustavy. V pedložené práci je sledována generace elektromagnetického (EME) a akustického (AE) signálu pi zatžování betonových vzork ve tvaru kvádru. Pro penos zatížení mezi elistmi lisu a vzorkem byly použity ocelové hranolky o prezu 6 mm x 6 mm, které byly centricky vloženy mezi elisti lisu a zkušební tleso. Modelování rozložení napjatosti a šíení trhlin ve zkušebních tlesech tvaru kvádru používaných pi mení poškození kvazikehkých materiál je vnována práce [1]. Ukazuje se, že napjatost je v tlese rozložena nerovnomrn, koncentrace naptí se objevuje v oblastech pod vloženými hranolky a tyto oblasti se pi zvtšování zatížení prodlužují smrem do stedu zkušebního tlesa. Úelem práce je experimentáln ovit výsledky studie [1]. Je-li asové zpoždní akustického signálu t za signálem elektrickým úmrné vzdálenosti trhliny od snímae, potom musí mít rozložení etnosti dob t výrazná maxima.

2 2 EXPERIMENTÁLNÍ ZAÍZENÍ Mení se skládá z mení akustického a elektromagnetického signálu generovaných pi vzniku trhlin v materiálu. Na stny vzorku pravoúhlého prezu jsou piloženy kovové elektrody, které tvoí deskový kondenzátor. Tento snímací kondenzátor je zapojen na vstup pedzesilovae s velkým vstupním odporem. Po dalším zesílení je elektrický signál pivádn na jeden vstup pamového osciloskopu, na druhý vstup se pivádí signál akustické emise, snímaný souasn ze vzorku piezoelektrickým snímaem. Osciloskop namená data digitalizuje a pivádí do poítae. Celý procesídí poítaový program speciáln vytvoený pro toto mení. F S SAE uae(t) u(t) Pedzesilova AE Pedzesilova EME Zesilova AE Zesilova EME Vzorkovací osciloskop d -F Zdroj proudu PC Stínní Obr. 1. Blokové schéma zaízení pro sledování tvorby trhlin v dielektriku pi mechanickém zatžování. Blokové schéma zaízení je uvedeno na obr. 1. Vzorek dielektrika S opatený elektrodami tvoí deskový kondenzátor. Pi zatžování silou F vznikají v materiálu trhlinky, pi jejichž tvorb je generován elektromagnetický a souasn také akustický signál. Z jejich asového posuvu a ze znalosti rychlosti šíení mechanických vln v dielektriku lze urit vzdálenost místa vzniku trhlinky od snímae AE. asový posuv mezi obma signály je vyhodnocen po digitalizaci poítaem PC. 3 CHARAKTERISTIKA MENÝCH VZORK Elektromagnetická a akustická emise byla sledována pi zatžování vzork z betonu C20/25 o objemové hmotnosti 2230 kg.m -3, modulu pružnosti v tlaku 20 GPa a podélné rychlosti šíení akustického vlnní 3925 m.s -1. Rozmry vzork byly 63 mm 50 mm 63 mm, elektrody pro snímání signál EME o rozmrech 45 mm 45 mm byly zhotoveny nanesením uhlíkové suspenze na dv protilehlé stny vzorku. Sníma AE byl pipevnn voskem ve stedu jedné stny s uzemnnou uhlíkovou elektrodou. Ocelové hranolky byly lepeny na horní a dolní stnu vzorku symetricky, rovnobžn s plošnými uhlíkovými elektrodami. Vzorky byly zatžovány v hydraulickém lisu (10 100) kn, rozsah použitých zatížení byl (14 40) kn.

3 4 MENÍ FÁZOVÉ RYCHLOSTI MECHANICKÉHO VLNNÍ V BETONU Pro vyhodnocení vzdálenosti místa trhliny od stedu snímae AE bylo provedeno studium závislosti rychlosti podélného vlnní v betonu na zatížení. Bylo využito upravené experimentální zaízení pro mení signál EME. Jako budi akustického impulsu v betonovém vzorku byl využit sníma B-K, na který byl piveden skok naptí 9 V, odezva byla mena piezoelektrickým snímaem. Vstupní signál a odezva byly pivedeny na dva vstupy digitálního osciloskopu a odetenasový rozdíl poátkt obou impuls (obr. 2). Pro umístní budie a snímae ve stedu protilehlých stn byla zjištna hodnota v = 3925 m.s -1. Dležitou informací byla závislost rychlosti na mechanickém zatížení vzorku. V intervalu tlak 0 2, Pa však nebyla zjištna zmna fázové rychlosti. Obr. 2. asový prbh budicího signálu a odezvy na vzorku betonu. 5 EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY A JEJICH VYHODNOCENÍ Elektrické signály na výstupu sníma EME a AE byly ádov 10-4 V, proto bylo zvoleno zesílení obou kanál micího zaízení 60 db, šíka frekvenního pásma pro signály EME byla 3 khz 1 MHz a pro kanál akustické emise bylo z dvodu odstranní rušivých signál generovaných lisem zvoleno pásmo 9 khz 1 MHz. Délka realizace snímané vzorkovacím osciloskopem byla zvolena 100 s, resp. 200 s. Celkem bylo sejmuto 68 realizací. Pro studium asového prbhu tvorby trhlin jsou zajímavé signály EME. Na obr. 3 5 jsou uvedeny ti charakteristické typy prbh. První typ se vyznauje pouze prudkým nárstem elektrického naptí, což odpovídá rychlému rozevení trhliny (obr. 3) a následným exponenciálním poklesem signálu EME, který odpovídá vybíjení micího kondenzátoru po rozevení trhliny. Druhý typ odpovídá rychlému rozevení trhliny s následným tlumeným kmitavým pohybem elektricky nabitých stn trhliny (obr. 4). Tetí typ (obr. 5) je pravdpodobn zpsoben rozkmitáním elektricky nabitých stn otevené trhliny vnjším

4 akustickým impulzem. Na obr. 6 je dále uveden velmiídký pípad generace dvou signál, které zobrazují tvorbu dvou po sob následujících trhlin v asovém odstupu asi 40 s. Jako další je snímán akustický signál, který je generován pi tvorb trhliny. V tomto experimentu byl využit jednak pro ovení, zda signál EME skuten souvisí s tvorbou trhliny (je nutná existence obou signál se zpoždným signálem AE), jednak byla sledována statistika dob zpoždní signálu AE za signálem EME. Histogramy tohoto zpoždní pinášejí informaci o rozložení oblastí zvýšené koncentrace mechanického naptí ve vzorku. asová zpoždní leží v intervalu 6 s 15 s, což odpovídá pi hodnot rychlosti šíení akustického vlnní 3925 m.s -1 vzdálenostem trhlin od snímae AE 20 mm 60 mm. Histogram etnosti asových zpoždní t je uveden na obr. 7. Rozdlení etnosti asových zpoždní t je pibližn symetrické kolem svislé osy vedené v ase 11s. Lze pedpokládat, že oblasti se zvýšenou koncentrací naptí leží ve vzdálenosti mm od snímae AE. Uvedené experimentální výsledky jsou v dobrém souladu s teoretickým modelem [1]. Obr. 3. asové prbhy signál EME a AE, vzorek b7.054, 1. typ. Obr. 4. asové prbhy signál EME a AE, vzorek b1.018, 2. typ. Obr. 5. asové prbhy signál EME a AE, vzorek b1.028, 3. typ. Obr. 6. asové prbhy signál EME a AE, vzorek b8.003.

5 Obr. 7. Histogram etností asového zpoždní signálu AE za signálem EME pi namáhání vzork tlakem. 6 ZÁVR Použitá metoda souasného snímání signál EME a AE má proti stávajícím metodám využívajícím pouze signály akustické emise výhodu jednak v tom, že pomáhá urit okamžik vzniku trhliny vzhledem k poátku meného signálu AE, jednak podává informaci oasovém prbhu tvorby trhliny a charakteru pohybu jejích stn. V pedložené práci jsou experimentáln oveny výsledky modelování napového pole v zatžovaných betonových vzorcích pravoúhlého tvaru. Získané výsledky jsou v dobrém souladu s teorií. PODKOVÁNÍ Tato práce vznikla v souvislosti s ešením grantového projektu GAR 103/06/0708 a dílí ásti Výzkumného zámru MSM ešeného na Fakult elektrotechniky a komunikaních technologií VUT v Brn. LITERATURA [1] VESELÝ, V., FRANTÍK, P., KERŠNER, Z. Analýza napjatosti a šíení trhlin ve zkušebních vzorcích pro mení poškození kvazikehkého materiálu pomocí elektromagnetické emise. In Sborník píspvk mezinárodní konference Modelování v mechanice 2007, VŠB-TU Ostrava, Fakulta stavební, únor 2007, s. 1-2, ISBN

6