بررسي آزمايشگاهي اثر دانه بندي محيط هاي ناهمگن بر گسترش ترك

Grain size effect on crack propagation in heterogeneous media - an experimental investigation

- شكست سازه هاي سنگي و بتني بر اثر رشد و گسترش ترك هاي داخلي ، ناشي از تمركز تنش در نوك آنها، لزوم بررسي رفتار شكست اين سازه ها را مي-رساند. تقابل ميان چقرمگي سنگ و ميزان تمركز تنش در نوك ميكروترك ها، جدال بر سر گسترش يا عدم گسترش ترك است. بنابراين اين مطالعه اثر ناهمگني ناشي از اندازه دانه ها به عنوان يكي از عوامل مهم در چقرمگي نمونه ها و تاثير گذار در مسير گسترش ترك بررسي كرده است. براي انجام اين كار، شش نوع نمونه با دانه‌بندي هاي متفاوت اما تركيب يكسان ساخته شده و تحت آزمايش تعيين چقرمگي قرار گرفته است. براي بررسي بيشتر سازوكار شكست نمونه ها، از سامانه انتشار آوايي نيز استفاده شده است. نتايج بيانگر رابطه ميان چقرمگي مد برش و كشش با اندازه دانه ها به صورت غير خطي است. به گونه-اي كه بيشترين چقرمگي شكست مربوط به نمونه هايي با اندازه دانه هاي متوسط (2.38_2) ميلي متر است و با افزايش و يا كاهش اندازه دانه ها از اين مقدار، چقرمگي نمونه‌ها در هر دو حالت بارگذاري برش و كشش كاهش مي يابد. همچنين با مطالعه مسير رشد ترك براي نمونه هاي با دانه بندي مختلف مشاهده مي شود كه مسير رشد ترك در نمونه هايي با دانه بندي ريزتر، منظم تر بوده و از نوك ترك اوليه شروع شده و در جهت عمود بر تنش كششي حداكثر گسترش مي يابد. ولي در نمونه‌هايي با دانه‌بندي درشت تر، ترك از مرز دانه ها شروع شده و در يك مسير نامنظم تررشد كرده و ختم ترك در نقاطي با مقاومت كم در محيط نمونه است. با بررسي برخي پارامتر هاي انتشار آوايي (AE) نمونه ها همچون تعداد كانت، انرژي، فركانس متوسط و RA نيز مشاهده شد كه با تغييرات چقرمگي براي دانه‌بندي‌هاي مختلف، اين پارامتر ها نيز تغيير مي كنند. تعداد كانت هاي ثبت شده در بازه زماني انتهاي ناحيه الاستيك تا نقطه شروع بهم پيوستن ميكروترك ها به عنوان زون شكست در نوك ترك، براي شش نمونه به دست آورده شده است كه رابطه مستقيم با نمودار تغييرات چقرمگي نمونه ها در هر دو حالت مد شكست كشش خالص و برش خالص دارد. همچنين RA متوسط نيز براي نمونه هاي چقر بيشتر از ساير نمونه ها است كه حكايت از ارتباط مستقيم اين پارامتر با چقرمگي دارد.

Fracture mechanics is a field of solid mechanics that deals with the mechanical behavior of cracked bodies. Because cement concrete is an important material, fracture and failure of concrete has been the subject of widespread research. Cement concretes are heterogeneous materials that are seldom possible found without flaw, joints or cracks. Grain size is an effective parameter on concrete crack propagation. One of the most important challenges in studying of rock crack propagation is the preparation of similar specimens in strength, homogeneity, isotropy, and structural size. Heterogeneity and anisotropy have a significant effect on the crack propagation and fracture toughness of rocks. The aim of this study is evaluation of the grain size effect on crack propagation in cement concrete specimen. For this purpose, some silica sand in the range of 0.5-6.5 mm have been used to provide six group specimens with different particle size. Experimental investigations were planned and performed on Central Straight through rack Brazilian Disk (CSCBD) specimens. CSCBD method is a testing method that is extensively used to determine rock mode I rock fracture toughness. In addition to the pure fracture toughness in mode I, CSCBD can be used to determine pure fracture toughness in mode II and mixed mode I/II. This is obtained by diametrical loading of the preexisting cracked disks positioned at different crack orientation. Intensive experimental tests were conducted on the prepared samples and acoustic emission (AE) sensors were used to monitor the fracturing process. In recent decades, AE technique has extensively been adopted, as an excellent diagnostic tool, to monitor fracture damage of geo-materials. Monitoring and analyzing of the AE response during a loading sequence makes it possible to detect the occurrence and evolution of stress-induced cracks. In fact, cracking is accompanied by the emission of elastic waves which propagate within the bulk of the material. Amplitude of the AE signals, A, is the greatest recorded voltage in a waveform and is measured in either V or dB. Generally, the amplitude corresponds to the scale of fracture, since small scale fracture emits waves with low amplitude and large scale fracture generate signals with higher amplitude. Furthermore, tensile cracking incidents show a preference to higher frequencies and shorter waveforms unlike shear events. In other word, tensile micro-cracks have high frequency and low raise angle while shear micro cracks have low frequency and high raise angle. The result of experimental tests revealed that the maximum fracture toughness is attributed to the specimen with particle size of 2-2.38 mm. Also, grain size of cement concrete has a significant influence on the specimen brittleness so that the specimens with smaller grain size have more brittleness comparison with the specimen with larger grain size. It is obvious that ductile fracturing hardly ever occurs in rocks and usually is shown in metals. However, rocks can be categorized in different brittleness classes based on the demonstrated plastic deformation. The results of AE tests indicated that raise angle (RA) value corresponding to the recorded signals decreases with increasing the brittleness. This founding shows that grain size influences on the mode of induced fracture, so that the number of tensile fracture decreases when grain size increases