Электромагнитная эмиссия строительных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

I Ь ^ ^

2 1 ДЕИ 1323

На правах рукописи

ФУРСА Татьяна Викторовна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭМИССИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков 05.23.05 - строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск -1998

Работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатс рии электроники диэлектриков и полупроводников Томского политехниче ского университета.

Научные руководители: доктор физико-математичесхих наук, профессор

Суржиков Анатолий Петрович; кандидат технических наук, Малышков Юрий Петрович Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Боев Сергей Григорьевич; кандидат технических наук, Сафронов Владимир Николаевич

Ведущая организация: Московский государственный институт радиотехник!: электроники и автоматики (технический университет)

Защита состоится «ЛЗ » ¿/¿а 1998 г. в. /5" часов на заседании специализированного совета Д 063.80.07 в Томском поли техническом университете по адресу: 634034, г. Томск, Усова 7, ауд. 346

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотек Томского политехнического университета. .

Автореферат разослан « Л?

» /дггЛ/Ш

1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д-063.80.07, доктор физико-математических наук, профессор

Суржиков А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гетерогенные диэлектрические материалы и инструкции из них чаще всего эксплуатируются в условиях, при которых >ни подвергаются воздействию значительных механических нагрузок. В та-:их условиях происходит ускоренное изменение их физико-механических войств, сокращение срока службы, высока вероятность непредвиденного 1азрушения в процессе эксплуатации. Задача диагностики разрушения при-■бретает очень важное практическое значение. Актуальна проблема оценки :апряженно-деформированного состояния эксплуатируемых конструкций, пределения их механической прочности, дефектности и конечного ресурса аботы.

Недостатки существующих методов оценки технического состояния из-отовленных или уже эксплуатирующихся конструкций заставляют искать ринципиально новые способы неразрушающих контроля качества строи-ельных материалов. Как показано в наших предыдущих исследованиях, яв-ение электромагнитной эмиссии может быть использовано для решения за-ач контроля за процессами разрушения твердых тел.

Анализ литературных данных показывает, что метод электромагнитной миссии может обладать рядом преимуществ:

- высокой чувствительностью к дефектам структуры материалов;

- возможностью обнаружения дефектов как на стадиях их зарождения, 1К и на всех этапах их развития в процессе эксплуатации материалов.

Для научно-обоснованного выбора технических решений, повышения )Ч1юсти и расширения функциональных возможностей разрабатываемых [ектромагнитных методов диагностики разрушения и дефектоскопии гете->генных материалов и конструкций прежде всего необходимы четкие пред-авления об источниках и механизмах электромагнитной эмиссии, возни-иощей при их механическом возбуждении.

Цель работы. Провести исследования основных источников и механиз мов генерирования электромагнитных полей при статическом и динам и чс ском возбуждении многокомпонентных гетерогенных материалов; опредс лить информативные характеристики электромагнитной эмиссии и возмож ности их использования для контроля физико-механических характеристи строительных материалов.

Методы исследования. При исследовании источников и механизме явления электромагнитной эмиссии и методик контроля использовались м< тоды теоретического описания, физического моделирования, статистически методы выделения полезной информации и анализа полученных результате! Для обработки результатов измерений обычно использовались стандартнь пакеты программ математического анализа в среде WINDOWS на ЭВМ.

Научная новизна. Выявлены основные источники и механизмы мехаш электрических преобразований при статическом и динамическом возбужд нии многокомпонентных гетерогенных материалов. Определены и предл< жены новые критерии и методики электромагнитной диагностики механич ской прочности, дефектоскопии и оценки напряженно-деформированного ci стояния строительных материалов. Технические возможности методов npi верены на крупногабаритных строительных конструкциях, дан сравнител ный анализ их эффективности и преимуществ.

В результате исследований установлено и выносится на защиту:

1. Характеристики электромагнитной эмиссии при деформации и ра рушении многокомпонентных материалов определяются, наряду с движен ем дислокаций и разрядными явлениями, процессами возбуждения граш раздела матрицы и включения акустическими волнами от развивающих трещин.

2. Механизм возникновения электромагнитной эмиссии при ударнс воздействии, связанный с возбуждением акустической волной двойного эле

рического слоя на границе раздела включения и матрицы в многокомпо-ентных строительных материалах.

3. Способы и методики определения механической прочности, оценки апряженно-деформированного состояния, выявления в изделиях участков с ониженной прочностью и дефектоскопии гетерогенных диэлектрических атериалов, основанные на принципах пространственного сканирования, тектрального и амплитудного анализа сигналов электромагнитной эмиссии ри ударном возбуждении объектов контроля.

Практическая ценность работы п реализация в промышленности:

Проведенные исследования явления электромагнитной эмиссии позво-

яют:

1. Определять эксплуатационную прочность строительных материалов.

2. Оценивать стадию развития опасных дефектов структуры, проводить теративный контроль за процессами разрушения.

3. Оценивать напряженно-деформированное состояние эксплуатируются конструкций, определять остаточный ресурс их работы.

4. Обнаруживать в гетерогенных материалах дефекты типа трещин, юродных включений, определять наиболее вероятную область зарождения □рушения и трассу прорастания трещин.

Электромагнитный метод определения механической прочности изде-1Й защищен авторскими свидетельствами.

Методики электромагнитной диагностики использовались для опреде-ния прочности крупногабаритных строительных конструкций, таких как эсты и путепроводы в Томской и Кемеровской областях. Методика опреде-ния трещиноватости дорожного покрытия прошла испытания на дорогах >мской области.

Разработанные в Томском политехническом университете электромаг-тные дефектоскопы и методики контроля качества в настоящее время пользуются в США и Германии. Интерес к разработкам проявили предста-

вители фирм Франции, Израиля, Кореи, Сирин. В 1997-98 г.г. по решении Федеральной дорожной службы России электромагнитные эмиссионные ме тоды контроля качества строительных материалов реализованы в виде авто матизированной экспресс-лаборатории технической диагностики дорог, мое тов и путепроводов « Магистраль-1». Лаборатория «Магистраль-1» пред ставлялась на Ганноверской ярмарке'98 (Германия, апрель 1998 г.).

Апробация работы и публикации. По результатам исследований опуб линовано 30 научных работ, получено 2 авторских свидетельства на изобре тение. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзны конференциях по физике диэлектриков (Караганда 1978 г., Томск 1988 г.); ] Всесоюзном симпозиуме по механоэмиссии и механохимии твердых те (Ростов на Дону 1986г.); Всесоюзном совещании "Электроимпульсная техне логия и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах" (Томе 1982 г.); Российском научно-техническом семинаре с участием международ ных специалистов "Перспективы применения физических методов и средст контроля на предприятиях химического и машиностроительного комплексе - 94" (Томск 1994 г.); научно-технической конференции «Проблемы железж дорожного транспорта и транспортного строительства Сибири (Новосибирск 1997 г.); II Международной научно-технической конференци «Автомобильные дороги Сибири» (Омск 1998 г.) и многих других совещаш ях и конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, з; ключения, списка используемой литературы и приложения. Работа содерж! 155 страниц машинописного текста, 65 рисунков, список литературы из 1 ] наименований. Приложение - 12 страниц.

Автор выражает благодарность к.т.н. В.Ф.Гордееву и Хорсову H.H. : методическую помощь в проведении исследований, ценные замечания и ко сультации при подготовке работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, »пределены цели и задачи проводимых исследований, перечислены основные юложения, выносимые на защиту, приведена апробация результатов, их [рактическая значимость, представлены структура и объем работы.

В первой главе приводится аналитический обзор электрических эффек-ов, возникающих при механическом возбуждении различных диэлектриче-ких материалов, рассматриваются возможные механизмы появления элек-ромагнитной эмиссии, обсуждаются перспективы ее использования для кон-роля механических характеристик строительных материалов, обоснованы здачи исследования.

Как показывает анализ литературы электромагнитная эмиссия возни-ает при различных физико-химических процессах, сопровождающихся ди-амической перестройкой структуры, в т.ч. и при процессах механического азрушения твердых тел. Результаты наших исследований указывают на то, го явление электромагнитной эмиссии открывает уникальные возможности 1Я решения проблем контроля за процессами разрушения твердых тел, де-ектоскопии, диагностики прочности, напряженно-деформированного со-'ОЯ1ТМЯ и т.п.

Для повышения эффективности использования любого метода необхо-шы знания механизмов формирования сигналов и основных закономерно-ей явления. Результаты ранее выполненных работ не дают достаточно пол->й информации о процессах, сопровождающих механоэлектрические пре-»разования энергии. Имеющиеся исследования предполагаемых механизмов источников электромагнитной эмиссии являются неполными, нет их убеди-льного экспериментального подтверждения. До проведения настоящих ис-едований практически не было работ по изучению источников и механиз->в механоэлектрических преобразований в сложных многокомпонентных

системах, к которым относится большинство строительных материалов. О сутствуют результаты по исследованию электромагнитной эмиссии, иници рованной ударным возбуждением. В то же время,, как показано нами, испол зование именно ударного возбуждения наиболее удобно на практике, да высокую эффективность и точность контроля. Поэтому в работе было удел но особое внимание изучению источников и механизмов возникновеш электромагнитного отклика на ударное возбуждение материалов.

Практическая направленность работы требовала проведение исслед ваний по поиску и разработке электромагнитных критериев контроля мех нической прочности строительных материалов, их дефектоскопии, напр женно-деформированного состояния, диагностики их качества и работосп собности.

Во второй главе описаны методики и аппаратура для проведения иссл дований: методика регистрации сигналов электромагнитной и акустическс эмиссии, методика определения величины избыточных зарядов, методика о тической регистрации; дана характеристика объектов исследования и обо нован их выбор; приведены результаты исследования возможных механи мов электромагнитной эмиссии при деформации и разрушении диэлектр ков.

В качестве объектов исследования, пригодных для решения конкретнь технических задач, были использованы строительные материалы, для кот рых наиболее остро стоит проблема определения их механических эксплу тационных характеристик. Среди выбранных материалов большое вниман] уделено цементобетонам и асфальтобетонам, в связи с их большой практич ской значимостью. Это типичные представители многокомпонентных гет рогенных материалов, в которых источники и механизмы эмиссии должн были иметь свои особенности. Бетоны также удобны и с точки зрения пр стоты изготовления различных модельных образцов. Там где это было нео

ходимо, часть исследований выполнена на более простых, модельных объектах, в частности, на монокристаллах.

Применявшаяся аппаратура имела частотный диапазон сигналов, принимаемых каналом электромагнитной эмиссии, в пределах от 1,3 кГц до 500 кГц; каналом акустической эмиссии от 500 Гц до 230 кГц при чувствительности не менее 60 мкВ (по каждому каналу) и позволяла измерять число импульсов электромагнитной и акустической эмиссии, превысивших порог срабатывания, интенсивность эмиссии, следить за протеканием во времени процессов, оцифровывать форму аналоговых сигналов при различных частотах оцифровки, рассчитывать спектральные характеристики сигналов методом быстрого Фурье-преобразования. Использовавшиеся оптические приборы позволяли получать разрешение по размерам исследуемого объекта до 0.5 мкм. Чувствительность использованной методики определения величины избыточных зарядов не хуже 10-'° Кл/м2. Для возбуждения эмиссии использовались механические и электромеханические ударные устройства с нормированным ударом различной силы. Квазистатическое нагружение и разрушение материалов осуществлялось по стандартным методикам, в соответствии с действующими ГОСТами.

В строительных материалах, представляющих из себя структуру, состоящую из основной матрицы (вяжущего) и включения (заполнителя в виде зерен гравия или щебня), в зависимости от того, каким образом происходит разрушение (по включению, по матрице или по зоне контакта включения с патрицей), будут реализовываться механизмы генерирования электромагнитной эмиссии, присущие определенному элементу их структуры.

Исследования источников и механизмов электромагнитной эмиссии три деформации и разрушении таких структур начаты с изучения амплитуд-шх распределений электромагнитных сигналов на различных стадиях деформации кристаллов ОБ, являющихся простейшей моделью поликристал-шческих материалов. Показано, что на всех стадиях деформации кристаллов

ЫР от стадии макроулругой деформации до стадии макроскопического разрушения присутствуют два максимума в амплитудном распределении. Это указывает на существование двух типов источников электромагнитной эмиссии. Наличие этих максимумов на всех стадиях деформации, в том числе и на ранних, свидетельствует о том, что они не связаны с трещинами. На стадии легкого скольжения установлено возрастание первого максимума, а при переходе в стадию упрочнения и последующей деформации его уменьшение. Кинетика изменения этого максимума хорошо коррелирует с поведением дислокаций и полос скольжения в кристаллах на различных стадиях деформации. Увеличение второго максимума в амплитудном распределении электромагнитных сигналов с ростом степени деформации согласуется с литературными данными по изменению механолюминесценции, появление которой авторы связывают с разрядными явлениями. На основании выполненного анализа сделан вывод о взаимосвязи первого максимума с движением заряженных дислокаций в кристаллах, а второго с разрядными явлениями на дефектах структуры и поверхности образца.

В кристаллах установлено появление электромагнитной эмиссии е момент роста трещин скола. Для выяснения механизмов генерации эмиссии проведено исследование временных характеристик электромагнитных полей, появляющихся в момент прорастания трещин, и их сравнение с кинетикой заряжения плоскостей скола. На основании высокой корреляционной связь сделан вывод о генерации электромагнитной эмиссии заряженными поверх ностями растущей трещины.

Предложенные механизмы механоэмиссии проверены и на более слож ных строительных материалах. При квазистатическом нагружении бетонов на различных стадиях их деформации и разрушения выявлено три наиболе( характерных вида сигналов электромагнитной эмиссии: малоамплитудньи импульсы с частотой порядка (30-50) кГц, низкочастотные колебательные ( частотой (10-20) кГц и одиночные импульсы с крутым передним фронтом

Сигналы первого вида наблюдаются, в основном, на начальных этапах на-гружения бетонов. Как правило они не сопровождаются импульсами акустической эмиссии, следовательно, не могут быть связаны с процессами развития трещин. Так же как и в кристаллах их появление может быть связано с движением дислокаций в кристаллических компонентах бетона, развитием начальных стадий зарождения разрушения на микроскопическом уровне.

Низкочастотные колебательные сигналы регистрируются на стадии трещинообразования и разрушения. Как правило, они возникают синхронно с появлением акустического сигнала. Сопоставление и анализ амплитудных и частотных характеристик, моментов появления акустической и электромагнитной эмиссии позволили сделать вывод о генерировании электромагнитных импульсов заряженными поверхностями трещины в актах их прорастания. На стадиях трещинообразования регистрируются также импульсы, форма и спектральные характеристики которых аналогичны импульсам, возни-<ающим при ударном возбуждении строительных материалов. Как показано з третьей главе диссертации эти импульсы связаны с возбуждением границы раздела матрицы и включения упругой волной, возникающей при ударе. В •лучае статического и квазистаткческого нагружения акустические волны :оздаются непосредственно процессами прорастания трещин.

Одиночные импульсы с резким передним фронтом наблюдаются пре-[мущественно на заключительных стадиях трещинообразования и связаны с •азрядными явлениями. Этот вывод обосновывается установленными в работе аналогиями в форме сигналов и их спектрах с сигналами, зарегистриро-анными в экспериментах по моделированию разрядов.

Третья глава посвящена исследованию источников и механизмов меха-оэлектрических преобразований в бетонах и его компонентах при ударном озбуждении.

Как известно из практики, разрушение многокомпонентных гетероген-ых структур, состоящих из вяжущей основы и заполнителя, чаще всего про-

исходит по контакту матрицы и заполнителя. Поэтому положительные ре зультаты при разработке методов контроля прочности многокомпонентны; структур возможны были только при условии выявления взаимосвязи про цессов генерации электромагнитной эмиссии с границами разделов отдель ных компонентов. До постановки этих работ не проводилось исследование источников и механизмов электромагнитной эмиссии при ударном возбуж дении. Сложность физических процессов, происходящих при ударном возбу ждении многокомпонентных структур потребовала проведения большой количества модельных экспериментов с использованием различных типо! искусственных и естественных включений с различным характером адгези онных связей.

В модельных экспериментах на цементном камне путем замены вклю чения из гравия на пьезоэлемент удалось показать определяющую роль внут реннего источника в генерировании электромагнитного сигнала при ударно!» возбуждении бетонов. Синхронно регистрировался сигнал непосредственно I обкладок пьезоэлемента, находящегося внутри образца, и сигналы электро магнитной и акустической эмиссии приемниками, расположенными на внеш ней поверхности образца в непосредственной близости друг от друга. Анали зировались временные задержки этих сигналов. Показано, что сигнал с об кладок пьезоэлемента и сигнал электромагнитной эмиссии появляются одно временно, а сигнал с акустического датчика, регистрирующего колебания н; поверхности, появляется позже на несколько десятков микросекунд (разрешение аппаратуры по времени - 1мксек). Сравнение спектральных ха рактеристики сигналов показывает, что спектральные плотности сигналов о-пьезоэлемента и электромагнитного сигналов практически совпадают, чт( говорит об едином источнике этих сигналов. Спектральные плотности аку стического и электромагнитного сигналов различаются. Это свидетельствуй о более сложных процессах механоэлектрических преобразований на внут реннем источнике по сравнению с колебательными процессами поверхносп

образца. Проведенные теоретические расчеты электрической схемы замещения цепи сигнала акустоэлектрических преобразований, используемой нами схемы эксперимента, подтвердили, что вклад поверхностных колебаний в регистрируемый электромагнитный сигнал практически отсутствует. Аналогичная картина задержки во времени сигналов электромагнитной и акустической эмиссии, различий их амплитудно-частотных характеристик наблюдается и при испытании модельных образцов с включением в виде единичного зерна гравия и на стандартных образцах бетона, содержащих большое количество включений в виде зерен заполнителя.

На последующих этапах работы, с целью более детальной проработки механизмов электромагнитной эмиссии, проведены исследования влияния акустоэлектрических свойств включения, их размеров, количества, качества адгезионного контакта включения и цементной матрицы на параметры электромагнитного отклика при ударном возбуждении бетонов.

Эксперимент по исследованию влияния размеров включения на эффективность механоэлектрических преобразований (МЭП) выполнен на специально изготовленных образцах цементного камня, в каждый из которых быта помещено по одному включению разного геометрического размера. Пока-!ано, что амплитуда (А) электромагнитного отклика в бетонах увеличивается ; увеличением площади поверхности плоскопараллельного включения (Б) по ;акону А= - 14,4 + 9,3-8 °'5. Важно подчеркнуть что полученная зависимость лраведлива не только для диэлектрических, но и металлических включений. Следовательно, определяющую роль в генерировании электромагнитной миссии в бетонах имеют не столько свойства самого заполнителя, сколько 1азмер включения.

Влияние адгезионной связи на параметры эмиссии оценена в серии экс-:ериментов. Наиболее простой эксперимент заключался в искусственном худшении контакта гравий - цементная матрица путем предварительной мазки гравия маслом на стадии изготовления образцов. Показано, что

ухудшение качества контакта, при прочих равных условиях, приводит к повышению амплитуды электромагнитного отклика в несколько раз. В более сложных экспериментах на основе оптических измерений показано, что размеры контактной зоны матрицы и включения различается для включений с различной эффективностью МЭП. Зерна гравия, дающие большую амплитуду сигналов эмиссии до их вложения в образец, образуют в бетоне более отчетливую границу раздела с цементным камнем по сравнению с границей дл* гравия с малой амплитудой исходного сигнала. Ширина контактной зоны, наблюдаемая в микроскоп, для таких включений различается в 1,5-2 раза. Следовательно, механоэлектрические свойства заполнителя влияют на качество адгезионного контакта матрицы и включения. Этот вывод проверен на образцах бетона специально приготовленных путем предварительной сортировки гравия на две группы с высокой и низкой излучательной способностью. Бетоны изготовленные из гравия с низкой эффективностью МЭП имеют в 1,5-2 раза большую прочность, по сравнению с бетонами, в которые помещены зерна заполнителя с высокой эффективностью МЭП. Следовательно механоэлектрические свойства заполнителя влияют на образующиеся в процессе изготовления бетонов адгезионные связи и, как следствие, эффективность механоэлектрических преобразований при ударном возбуждении.

Эти эксперименты позволяют также сделать важный практический вывод о том, что путем сортировки заполнителя по его механоэлектрические свойствам можно изменять прочность бетонов.

В реальных материалах должно существовать большое число потенциальных источников сигналов электромагнитной эмиссии. Проведены исследования по влиянию формы включения и их количества на параметры электромагнитного отклика. Показано, что в спектральной плотности электромагнитного отклика с увеличением количества включений увеличивает число полос. Следовательно, по спектральным характеристикам отклике можно судить о количестве источников электромагнитной эмиссии в конст-

»укционных диэлектриках, а следовательно и о дефектности объекта контро-

[Я.

На основе выполненных комплексных исследований предложен сле-¡ующий механизм механоэлектрических преобразований в бетонах: на гра-[ице матрицы и включения образуется двойной электрический слой. При ди-гамическом возбуждении, под действием упругих волн, происходит измене-[ие дипольного момента двойного электрического слоя и, как следствие, по-вление сигналов электромагнитной эмиссии. Изменение величины диполь-:ого момента определяется, в основном, условиями прохождения акустиче-кой волны, размерами контактных зон и качеством адгезионных связей, что : определяет высокую чувствительность метода к прочностным свойствам етона.

В четвертой главе приведены результаты исследований по разработке лектромагнитных критериев определения прочности и дефектоскопии гроительных материалов.

Проведенные исследования источников и механизмов электромагнитом эмиссии многокомпонентных гетерогенных материалов позволили разработать критерий оценки прочности бетонов, включающий в себя амплитудные и частотные характеристики электромагнитного отклика на ударное возбуждение. На образцах бетона показана возможность неразрушаю-щего электромагнитного контроля прочности (рис. 1). Коэффициент корреляции амплитудно-

700 600 500 400 300 200 100

\ ■у

I*

\ 1 \ 1

V,

\

Амплитудно-частотный критерий, отн. ед.

То

Рис.1. Градуировочная зависимость для определения прочности образцов бетона по амплитудно-астотным параметрам электромагнитного отклика, между

частотным параметром электромагнитного отклика и прочностью образце бетонов составил 0.86. Проведенный сравнительный анализ точности пре, ложенного способа контроля с ультразвуковым методом и широко испол зуемым в настоящее время методами склерометрии показал более высоку точность метода электромагнитной диагностики.

В отличие от цементобетонов, прочность асфальтобетонов существе] ным образом зависит от их вязкости. Установлено, что вязкость асфальтоб тонов влияет не только на амплитуду электромагнитного отклика, но и ь его затухание. На основании выполненных исследований впервые предложи электромагнитный критерий определения прочности асфальтобетонов. П< казано, что наибольшая точность контроля прочности асфальтобетонов до^ тигается при использовании критерия, включающего в себя как амплитуд так и затухание электромагнитного отклика. Результаты полученные на тре партиях образцов асфальтобетонов, отличающихся составом, ложатся на о г ну и ту же зависимость. Эта особенность достаточно привлекательна при и< пользовании электромагнитного эмиссионного метода для контроля прочие сти покрытий на уже действующих автодорогах, когда состав покрытия н всегда известен.

Предложенные способы контроля реализованы в виде отдельных те> нических решений и программного обеспечения в автоматизированной экс пресс -лаборатории «Магистраль-3» и апробированы в натурных условия при обследовании мостов, путепроводов и железобетонных дорожных пс крытий Томской, Тюменской и Кемеровской области. Способы контроля ме ханической прочности изделий защищены авторскими свидетельствами, раз работай сертификат на электромагнитный эмиссионный метод определени прочности бетона.

Разрушение большинства конструкционных материалов определяете: процессами развития трещин хрупкого разрушения. При этом ответственньи за разрушение не всегда являются трещины с максимальными размерами

начение имеют форма трещины, ориентация по отношению к действующим апряжениям, форма вершины и другие факторы. Существующие методы гфектоскопии не обеспечивают получение необходимой информации о на-ичии дефектов и их опасности при работе конкретного изделия или конст-укции. В связи с этим значительная часть диссертационной работы была аправлена на изучение технических возможностей электромагнитных эмис-юнных методов дефектоскопии.

При сканировании электромагнитной эмиссии по поверхности образов бетона с видимыми трещинами хрупкого излома, установлено, что по-ышенные значения амплитуды отклика на ударное возбуждение наблюдайся на всех участках выхода трещин на поверхность бетона. Уже этот факт казывает на возможность дефектоскопии бетонов электромагнитной эмис-т. Во многих случаях аномальные значения амплитуды электромагнитного тклика наблюдаются и на участках поверхности, где нет видимых трещин, аковин и выхода на поверхность элементов включения. Это может быть свя-яно с наличием внутренних, скрытых дефектов структуры, и не только тре-[ин, но и включений, пор и других нарушений структуры материала.

Оценка этих возможностей проверена на модельных образцах, состоя-(их из цементной матрицы и одного зерна заполнителя, помещенного в эту атрицу. Методом электромагнитного сканирования изучена топография аспределения амплитуды электромагнитного отклика по поверхностям та-их модельных объектов. Типичная картина распределения амплитуды элек-ромагнитного отклика по одной из поверхностей такого образца приведена а рис.2.

Повышенные значения амплитуды электромагнитного отклика при парном возбуждении (более темная область) регистрируются над участком оверхности, под которым в глубине образца находится включение. При по-тедующем нагружении этого образца развитие разрушения, как правило, роисходило по контакту цементной основы и включения.

И 1.4 - 1.6 012 - 1.4

ЕШ 1.0 - 1.2 СО 0-8 - 1.0 Ей 0.6 - 0.8 1х^о.4 - аб . ' :0.2 - 0.4 0.0 - 0.2

В стандартных образц Амплитуда, отн ед. бетона, имеющих в СВО!

составе большое количес во зерен заполнителя, н блюдается более сложи картина распределен) амплитуды при электр магнитном сканировани однако, и в этом случ; разрушение происход!

Рис.2. Результаты сканирования амплитуды снгна-

, , преимущественно вбли:

ла по поверхности образца бетона с единичным

включением и трасса прорастания трещины при по- Участков> обладающих ве следующем механическом нагруженни (пунктирной сок°й эффективностью м линией показано расположение включения, нахо- ханоэлектрических прео( дящегося на глубине 4 см от поверхности образца), разований. На основе ск;

нирования удавалось л изменению амплитуды электромагнитной эмиссии с высокой достоверность] предсказывать области наиболее вероятного развития разрушения и в бетог и в железобетоне.

Таким образом, показаны возможности метода электромагнитног сканирования не только для решения задачи выявления видимых и скрыты нарушений структуры (трещин, инородных включений), но и других особи ностей внутреннего строения и, что особенно важно, выявлять начальны стадии зарождения разрушения, обнаруживать участки с пониженными зш чениями механической прочности. Такими возможностями обнаружени наиболее опасных участков строительной конструкции, по-видимому, не о£ ладает ни один из существующих методов неразрушающего контроля.

Выявленные механизмы и закономерности механоэмиссии в строитель-■ix материалах позволяют предложить ряд новых перспективных направле-ш практического использования явления электромагнитной эмиссии.

Пятая глава посвящена вопросам использования электромагнитной шссии для оценки напряженно-деформированного состояния строительных ггериалов и трещиноватости асфальтобетонных покрытий.

Показано, что изменение напряженно-деформированного состояния бетонов приводит к изменению спектральных характеристик электромагнитного отклика. Установлено снижение интегральной спектральной ам-

г 4 6 8 )0 12 плитуды в диапазоне частот от "Механические напряжения, отн. ед.

нс.З. Зависимость интегральной спектральной 0.6 кГц до 12 кГц, в котором

шлитуды электромагнитного отклика от вели- находится подавляющее боль-

шы механических напряжений в бетонной бал- шинство полос СПектра элек-

ке" тромагнитного отклика, с уве-

рением механических напряжений в бетоне (рис.3). Найденная закономер-эсть может использоваться для оценки напряженно-деформированного со-•ояния конструкций.

Предложен способ оценки трещиноватости покрытий на основе удар-эго устройства и системы разнесенных в пространстве датчиков электро-агнитной эмиссии. Сущность способа и результаты измерений приведены 1 рис. 4. Как видно из приведенного рисунка, сигналы, регистрируемые 1тчиками, существенно различаются в зависимости от того, имеется или не неется трещина между приемником эмиссии и ударным устройством. Покато, что с увеличением эффективных размеров трещины (произведение глу-шы трещины на ширину ее раскрытия) происходит пропорциональное из-

менение разницы между амплитудами сигналов, регистрируемых датчика; 1 и 2.

Форма электромагнитного сигна!

Рис. 4. Пример обнаружения трещин в асфальтобетонном покрытии дороги.

Электромагнитный способ обнаружения и подсчета числа трещин дорожном покрытии, оценки их эффективных размеров реализован в пер движной лаборатории «Магистраль-1». Контроль покрытия в продольном поперечном направлениях дороги осуществляется системой датчиков эле тромагнитной эмиссии в процессе движения автомобиля. Сигналы электр магнитной эмиссии в покрытии возбуждаются специальным ударным ус ройством с нормированной силой удара. Метод и устройство контроля а) робированы на асфальтобетонных дорожных покрытиях Томской области.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показана связь процессов генерации электромагнитной эмиссии при деформации и разрушении гетерогенных материалов с процессами движения дислокаций, разрядными явлениями и процессами возбуждения границ раздела матрицы и включения акустическими волнами от развивающихся трещин.

2. При ударном возбуждении многокомпонентных гетерогенных диэлектриков амплитуда электромагнитного сигнала определяется преимущественно геометрическими размерами включения и качеством его связи с матрицей.

3. Предложен механизм генерации электромагнитных сигналов, связанный с возбуждением ударной волной двойного электрического слоя на контакте включения и матрицы. Величина дипольного момента такого слоя определяется условиями прохождения акустической волны, размерами контактной зоны и силой адгезионных связей, что и определяет высокую чувствительность метода к прочностным свойствам бетона.

4. Разработаны новые критерии и способы оценки прочности строительных материалов по характеристикам сигналов электромагнитной эмис-;ии при их ударном возбуждении. Предложенные способы превосходят по точности применяющиеся методы контроля. Методы прошли апробирование т действующих мостах, путепроводах и дорожных покрытиях Томской, Тюменской и Кемеровской областей.

5. Показана возможность использования принципов электромагнитно-о сканирования для выявления в объекте контроля трещин, инородных жлючений, участков с пониженными значениями механической прочности.

6. Показано, что спектральные характеристики электромагнитной миссии зависят от напряженно-деформированного состояния бетонных кон-трукций и могут быть использованы для оценки остаточного ресурса их работы.

7. Предложен новый метод обнаружения и оценки размеров трещин : дорожных покрытиях. Оценка размеров трещин осуществляется по разност] амплитуд электромагнитных сигналов, зарегистрированных разнесенными : пространстве датчиками электромагнитной эмиссии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ : РАБОТАХ:

1. Малышков Ю.П., Гордеев В.Ф., Дмитриев В.П., Смирнов В.А., Фур са Т.В., Ульченко В.И. Закономерности генерирования электромагнитног сигнала твердыми телами при механическом воздействии //ЖТФ. - 1984.- т 54, вып.2. - С. 336-341.

2. Воробьев A.A., Малышков Ю.П., Гордеев В.Ф., Фурса Т.В. и др Способ неразрушающего контроля прочности изделий // Бюлл. изоб - 1982, № 20.- Авт. свид. № 932352.

3. Малышков Ю.П., Фурса Т.В., Гордеев В.Ф. и др. Способ неразру шающего контроля прочности изделий // Бюлл. изоб. - 1988.- № 29,- Abi свид. № 1415116.

4. Воробьев A.A., Гордеев В.Ф., Малышков Ю.П., Фурса Т.В., Дмитри ев В.П., Смирнов В.А., Рыбалкин Н.М. Импульсное электромагнитное юлу чение силикатных стекол при симметричном изгибе// Стекло и керамика. 1978.-№10.-С. 10-11.

5. Малышков Ю.П., Гордеев В.Ф., Фурса Т.В. Электромагнитная ре лаксация механического возбуждения хрупких диэлектриков и ее практиче ское использование // Физика диэлектриков и новые области их применени :Тезисы докладов Всесоюзной конференции. -Караганда , 1978.

6. Гордеев В.Ф., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Фурса Т.В., Билле]

B.К., Елисеев В.П. Электромагнитная эмиссия диэлектрических материало при статическом и динамическом нагружении II ЖТФ. - 1994. - т. 64, вып. 4.

C. 57-67.

7. Чахлов B.JI., Малышков Ю.П., Гордеев В.Ф., Фурса Т.В., Чахлов В., Картопольцев В.М. Электромагнитная эмиссия бетонов при ударном ггружении // Изв. вузов, с. «Строительство». - 1995. - № 5-6. - С. 54-58.

8. Малышков Ю. П., Фурса Т. В., Гордеев В. Ф., Картопольцев В. М., ерных Г. Ф. Источники и механизмы электромагнитной эмиссии в угонах// Изв. ВУЗов, с. "Строительство". - 1996. - № 12. - С. 31-37.

9. Фурса Т.В. Амплитудное распределение электромагнитных сигналов эи деформации LiF /Томский политехи, университет -Томск,1986, - бс./Деп. ВИНИТИ, № 804 - В 86.

10. Головин Ю.И., Фурса Т.В. Влияние заряда поверхности на излуче-ле электрических импульсов// Изв. ВУЗов, с. «Физика». - 1987. - № 10.

11. Малышков Ю. П., Гордеев В. Ф., Фурса Т. В., Шталин С. Г., Карто-эльцев В. М. Применение электромагнитной эмиссии для контроля железо-зонных сооружений и мостов // Изв. ВУЗов, с.«Строительство». - 1995. - № - С. 3-7.

12. Фурса Т.В., Гордеев В.Ф., Малышков Ю.П., Шталин С.Г., Эфа .К., Тютеньков Ю.С., Черных Г.Ф. Электромагнитная эмиссия асфальтобе-энов при динамическом нагружении // Наука и техника в дорожной отрасли. 1997. - №2. - С. 6-7.

13. Фурса Т. В., Ласуков В. В., Малышков ГО. П., Гордеев В. Ф., Карто-ольцев В. М. К вопросу об источниках электромагнитной эмиссии в бетонах Изв. ВУЗов, с. «Строительство». - 3997. - № 10.

14. Фурса Т.В., Гордеев В.Ф., Ласуков В.В., Малышков Ю.П. Источни-и электромагнитной эмиссии в бетонах // Письма в ЖТФ.- 1994.- том 20, ып.21.-С. 1-5.

15. Фурса Т.В., Малышков Ю.П., Стариков А.Н. Электромагнитная гфектоскопия бетонов// Автомобильные дороги Сибири: Тезисы докладов

Международной научно-технической конференции. - Омск, 1998. - С. 38587.

16. Малышков Ю.П., Фурса Т.В., Гордеев В.Ф., Шталин С.Г. Дефект! скопия и оценка напряженно-деформированного состояния бетона по пар; метрам электромагнитной эмиссии// Изв. ВУЗов, с.«Строительство».- 1997 №12.-С. 114-117.

17. Фурса Т. В., Шталин С. Г., Малышков С.Ю. Электромагнитный mi тод неразрушающего контроля бетонов и конструкций из них // Проблем железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири: Те: докл. научно-технической конференции. - Новосибирск, 1997. - С. 205.

(S^'rny

Подписано к печати 26.11.98. Формат 60x84/16. Бумага ксероксная. Печать RISO. Усл.печ.л. 1,4. Уч.-изд.л. 1,26. Тираж 80 зкз. Заказ № 272. НПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94. Типография ТПУ. 634034, Томск, прЛенина, 30.

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

I

ФУРСА Татьяна Викторовна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭМИССИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков 05.23.05 - строительные материалы и изделия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Суржиков Анатолий Петрович,

доктор физико-математических наук, Малышков Юрий Петрович, кандидат технических наук.

Томск -1998

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ВЕДЕНИЕ........................................................................................ 6

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ВОЗБУЖДЕНИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ.................................... 10

Введение............................................................................................ 10

1.1. Электромагнитная эмиссия при деформации твердых диэлектриков................................................................................................. 10

1.2. Заряжение диэлектрических материалов при деформации и разрушении................................................................................................ 11

1.3. Возможные механизмы генерирования электромагнитного сигнала деформируемыми диэлектрическими материалами...................

1.4. Основные методы и средства контроля качества материалов

и конструкций и их недостатки................................................................. 19

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................................................................... 23

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................................... 25

Введение............................................................................................

2.1. Методика и аппаратура для регистрации и обработки сиг-

25

налов электромагнитной эмиссии............................................................

2.1.1 Электромеханическое ударное устройство для динамиче-

32

ского возбуждения объектов исследования.............................................

2.1.2. Некоторые ограничения, связанные с использованием

33

дифференциальной системы измерения электромагнитного сигнала....

2.2. Методика измерения поверхностного заряда..........................

2.3. Методика оптической регистрации.....:.................................... 37

2.4. Характеристика объектов исследования.................................. 39

2.5. Электромагнитная эмиссия при деформации и разрушении диэлектриков.............................................................................................. 40

2.5.1. Амплитудное распределение электромагнитных сигналов при деформации кристаллов 1лБ............................................................... 41

2.5.2. Исследование электромагнитной эмиссии при разрушении монокристаллов фтористого лития..................................... ..................... 45

2.5.3. Исследование формы электромагнитных сигналов, возникающих при деформации диэлектриков................................................... 49

2.6. Электромагнитная эмиссия при квазистатическом нагруже-нии бетонов................................................................................................ 52

2.6.1.Возможные механизмы электромагнитной эмиссии и их связь с формой и спектральными характеристиками импульсов, возникающих на различных стадиях нагружения бетонов.......................... 53

Выводы к главе 2.............................................:................................ 59

ГЛАВА 3. ИСТОЧНИКИ И МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ................................................................. 60

Введение........................................................................................... 60

3.1. Влияние поверхности на генерирование электромагнитной эмиссии бетонами...................................................................................... 61

3.2. Исследование влияния внутренних источников механоэлек-трических преобразований на параметры электромагнитной эмиссии бетонов....................................................................................................... 62

нов..............................................................................................................

3.4. Исследование связи механоэлектрических свойств включения с механическими характеристиками бетонов....................................

3.5. Исследование связи параметров электромагнитной эмиссии

с размерами контактной зоны между зернами заполнителя и цементной основой в бетонах............................................................................... 77

3.6. Характер изменения параметров электромагнитной эмиссии в зависимости от качества адгезионного контакта заполнителя с цементной основой бетонов......................................................................... 79

3.7.Исследование эффективности механоэлектрических преобразований в бетонах с металлическими включениями............................ 81

3.8. Исследование влияния размеров включения на эффективность механоэлектрических преобразований в бетонах......................... 86

3.9 Исследование влияния количества внутренних источников и их расположения на характеристики электромагнитной эмиссии.......... 88

Выводы к главе 3.............................................................................. 92

ГЛАВА 4. КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ДЕФЕКТНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ......................... 93

Введение............................................................................................ 93

4.1. Исследование связи параметров электромагнитной эмиссии

с механической прочностью строительных материалов......................... 93

4.1.1. Электромагнитная эмиссия при статическом нагружении бетонов....................................................................................................... 94

4.1.2. Исследование параметров электромагнитной эмиссии при ударном нагружении бетонов. Поиск критериев определения механической прочности бетонов........................................................................ 95

4.1.3. Сравнительный анализ электромагнитного метода определения прочности с методом склерометрии........................................... 99

4.1.4. Испытания методики электромагнитного контроля механической прочности бетонов на практике............................................... 103

4.1.5. Разработка электромагнитных критериев определения прочности асфальтобетона....................................................................... 109

4.2. Исследование связи эффективности механоэлектрических

преобразований в бетонах с их дефектностью......................................... 113

Выводы к главе 4.............................................................................. 122

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЯВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ................................................... 124

Введение............................................................................................ 124

5.1. Обнаружение трещин и ослабленных участков по сигналам электромагнитной эмиссии....................................................................... 124

5.2. Изменение параметров электромагнитной эмиссии в зависимости от напряженно-деформированного состояния железобетонных балок................................................................................................... 127

5.3. Разработка методов и средств электромагнитной диагностики технического состояния асфальтобетона, определение вязкости

и модуля упругости.................................................................................... 130

5.3.1 Влияние упругих характеристик асфальтобетона на параметры электромагнитной эмиссии............................................................ 131

5.3.2. Исследование связи параметров электромагнитной эмиссии с вязкостью асфальтобетона............................................................... 132

5.4. Изменение параметров электромагнитной эмиссии в зависимости от трещиноватости дорожного покрытия................................. 135

5.4.1. Электромагнитный метод оценки трещиноватости дорожной одежды................................................................................................ 135

Выводы к главе 5.............................................................................. 138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................ 140

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................... 142

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................................................... 154

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..................................................................................... 165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Гетерогенные диэлектрические материалы и конструкции из них чаще всего эксплуатируются в условиях, где они находятся под действием значительных механических нагрузок. В таких условиях высока вероятность их непредвиденного разрушения в процессе эксплуатации. Поэтому задача диагностики разрушения имеет очень важное практическое значение. Существует необходимость оценки напряженно-деформированного состояния эксплуатирующихся конструкций, определения механической прочности, дефектности и конечного ресурса их работы.

Недостатки существующих методов заставляют искать принципиально новые методы контроля конструкционных материалов. Как показано в наших предыдущих исследованиях, явление электромагнитной эмиссии может быть использовано для решения проблем контроля за процессами разрушения твердых тел, диагностики их прочности, напряженно-деформированного состояния и т.п. Выполненные к настоящему времени исследования являются начальным этапом решения этих задач.

Анализ литературных данных показывает, что метод электромагнитной эмиссии может обладать рядом преимуществ:

- высокой чувствительностью к дефектам структуры материалов;

- возможностью обнаружения дефектов как на стадиях их зарождения, так и в процессе эксплуатации материалов.

Для повышения точности и расширения функциональных возможностей разрабатываемых электромагнитных методов диагностики разрушения и дефектоскопии гетерогенных материалов и конструкций необходимо проведение исследований основных источников и механизмов электромагнитной эмиссии.

Цель работы. Провести исследования основных источников и механизмов генерирования электромагнитных полей при статическом и динамическом возбуждении гетерогенных материалов; определить информативные характеристики электромагнитной эмиссии для контроля прочности и разрабо-

тать способы обнаружения дефектов структуры, оценки напряженно-деформированного состояния; разработать методики контроля качества конструкционных диэлектрических материалов.

Методы исследования. При исследовании источников и механизмов явления электромагнитной эмиссии и методик контроля использовались методы теоретического описания, методы физического моделирования, статистические методы выделения полезной информации и анализа полученных результатов. Для обработки результатов измерений использовались стандартные пакеты программ математического анализа в среде WINDOWS на ЭВМ.

Научная новизна. Выявлены основные источники и механизмы механо-электрических преобразований при статическом и динамическом возбуждении бетонов. Определены критерии и разработаны методики электромагнитной диагностики механической прочности, дефектности и напряженно-деформированного состояния строительных конструкционных материалов. Технические возможности методов проверены на: крупногабаритных строительных конструкциях.

В результате исследований установлено и выносится на защиту:

1. Характеристики электромагнитной эмиссии при деформации и разрушении многокомпонентных материалов определяются, наряду с движением дислокаций и разрядными явлениями, процессами возбуждения границ раздела матрицы и включения акустическими волнами от развивающихся трещин.

2. Механизм возникновения электромагнитной эмиссии при ударном воздействии, связанный с возбуждением акустической волной двойного электрического слоя на границе раздела включения и матрицы в многокомпонентных строительных материалах.

3. Способы и методики определения механической прочности, оценки напряженно-деформированного состояния, выявления в изделиях участков с пониженной прочностью и дефектоскопии гетерогенных диэлектрических

материалов, основанные на принципах пространственного сканирования, спектрального и амплитудного анализа сигналов электромагнитной эмиссии при ударном возбуждении объектов контроля.

Практическая ценность работы и реализация в промышленности:

Проведенные исследования явления электромагнитной эмиссии позволяют:

1. Определять эксплуатационную прочность строительных материалов.

2. Оценивать стадию развития опасных дефектов структуры, проводить оперативный контроль за процессами разрушения.

3. Оценивать напряженно-деформированное состояние эксплуатирующихся конструкций, определять остаточный ресурс их работы.

4. Обнаруживать в гетерогенных материалах дефекты типа трещин, инородных включений, определять наиболее вероятную область зарождения разрушения и трассу прорастания трещин.

Электромагнитный метод определения механической прочности изделий защищен авторскими свидетельствами.

Методики электромагнитной диагностики использовались для определения прочности крупногабаритных строительных конструкций, таких как мосты и путепроводы в Томской и Кемеровской области. Методика определения трещиноватости дорожного полотна прошла испытания на дорогах Томской области.

Разработанные в Томском политехническом университете электромагнитные дефектоскопы и методики контроля в настоящее время используются в США и Германии, проявили интерес представители фирм Франции, Израиля, Кореи, Сирии. В 1997 году по заказу Федеральной дорожной службы России электромагнитный эмиссионный метод контроля качества строительных материалов включен в автоматизированную экспресс-лабораторию технической диагностики дорог, мостов и путепроводов « Магистраль-1». Рекламные материалы автоматизированной экспресс-лаборатории диагностики технического состояния автомобильных дорог, мостов и путепроводов

«Магистраль-1» экспонировались на Ганноверской ярмарке'98 (Германия) в апреле 1998 г.

Апробация работы и публикации. По результатам исследований опубликовано в 30 научных работах, получено 2 авторских свидетельства на изобретение. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по физике диэлектриков (Караганда 1978 г., Томск 1988 г.); X Всесоюзном симпозиуме по механоэмиссии и механохимии твердых тел (Ростов на Дону 1986г.); Всесоюзном совещании "Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах" (Томск 1982 г.); Российском с международным участием научно-техническом семинаре "Перспективы применения физических методов и средств контроля на предприятиях химического и машиностроительного комплексов - 94" (Томск 1994 г.); на научно-технической конференции «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск 1997 г.); II Международной научно-технической конференции «Автомобильные дороги Сибири» (Омск 1998 г.) и многих других совещаниях и конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы и Приложения. Работа содержит 155 страниц машинописного текста, 67 рисунков, список литературы из 116 наименований. Приложение - 12 страниц.

10

ГЛАВА 1.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ ВОЗБУЖДЕНИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

Введение

Среди физических явлений, пригодных для решения задач контроля процессов разрушения, к наиболее перспективным следует отнести и явление электромагнитной эмиссии. Открытому в начале 60-х годов явлению электромагнитной эмиссии долгое время не придавалось большого практического значения. Однако последующие работы показали, что электромагнитные сигналы сопровождают не только процессы макроскопического разрушение диэлектрических твердых тел, но и ранние стадии зарождения разрушения. Появилась перспектива контроля за развитием процессов разрушения.

В данной главе рассмотрены основные особенности явления электромагнитной эмиссии применительно к интересующей нас задаче контроля механических характеристик многокомпонентных гетерогенных материалов.

1.1. Электромагнитная эмиссия при деформации твердых диэлектриков.

Первые работы по регистрации электромагнитной эмиссии, возникающей при деформировании и разрушении диэлектриков были выполнены Мартышевым и др.[1-3], которые наблюдали возникновение световых вспышек на частоте 1.5 Г]гц при деформировании щелочно-галоидных кристаллов. В работе [3] было установлено, что количество вспышек в кристаллах LiF уменьшается с увеличением пластичности и температуры кристаллов. При температуре выше 150° С вспышек не было зарегистрировано. Был сделан вывод о существенности фактора пластичности материалов и их температуры в процессах возникновения электромагнитной эмиссии.

Финкель, Головин и др. в работах [4-7] регистрировали как высокочастотные в полосе частот до 3МГц, так и низкочастотные в полосе частот до 50кГц электромагнитные импульсы при раскалывании кристаллов LiF. Появление низкочастотных сигналов авторы связывали с развитием дислокаци-

онных скоплений, а высокочастотных с процессами микроразрядов в полости заряженной трещины. В работах Гольда и др. [8] зарегистрировано появление импульсов в радиочастотном диапазоне длин волн при разрушении минералов и горных пород, а в работах Дмитревского и Корниловой [9] - при изгибе полимерных материалов и стекол. При нагружении бетонов электромагнитную эмиссию наблюдали Гончаров и др. [10], в грунтах и горных породах Воробьев, Защинский и другие [11,12]. В работах [13,14], регистрировали импульсный электромагнитный сигнал при одноосном сжатии кварцсо-держащих горных пород. Диккинсон [15-20] на