Коллектив физикотехников Томского государственного университета совместно с коллегами из лаборатории ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка, Московская область) изучает поведение тяжёлого бетона при динамическом воздействии, например, при взрывах природного и техногенного характера. Учёные работают с бетонами высоких классов прочности, которые используются при строительстве атомных станций, тоннелей и других взрывобезопасных объектов. Команда проекта впервые выяснила, что при взрыве тяжёлый бетон показывает в 6 раз более высокую прочность по сравнению со статическими показателями — но разрушается неравномерно, с зонами упругого и пластического поведения.
Проект поддержан грантом Российского научного фонда № 25-29-00750. Первые результаты исследования опубликованы в журналах «Известия вузов. Физика» и «Журнале технической физики», за два года апробированы на десятке научных конференций.
Команда ТГУ обсуждает результаты экспериментов
На физико-техническом факультете ТГУ работают сильные научные школы материаловедения и механики деформирования твёрдого тела. Сотрудники ФТФ создают материалы и изучают их поведение в стандартных и экстремальных условиях. Тему изучения тяжёлых бетонов инициировали к.ф.-м.н. Александр Козулин, д.т.н. Илья Жуков и аспирант Павел Петров.
Материалом для исследований стали серийные рецепты крупнейшего изготовителя бетона в Томской области — компании «Союзбетон». Промышленный партнёр способствует внедрению полученных фундаментальных знаний в проектные организации.
— Тяжёлые бетоны — особый класс композиционных материалов с высокой прочностью. Это цементная матрица, упрочнённая крупнофракционными включениями со специально отобранными компонентами, — рассказал 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.
По словам учёного, 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 тяжёлого бетона класса прочности В45 длиной от 2,5 см до полуметра и «била» по ним микросекундными ударными импульсами. С помощью уникальных 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.
Помимо этого, на основе экспериментальных данных учёные ТГУ 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.
— Сегодня тяжёлый бетон активно используют при строительстве атомных станций, тоннелей, различных взрывобезопасных объектов. До сих пор строительные конструкции рассчитывались только для статических условий нагружения, — пояснил аспирант ФТФ ТГУ Павел Петров. — Современные реалии поставили конкретные вопросы: а что будет, если по отношению к конструкции применить динамическое воздействие? Когда мы начали искать ответы, поняли, что о динамическом поведении тяжёлого бетона практически ничего не известно. Полученные результаты исследований дополняют знания о динамическом поведении бетонов и будут востребованы учёными, проектными организациями и строителями. Важно отметить, что эти знания генерируются в связке науки и промышленности.
Источник: Минобрнауки России
