Фрактальный анализ кривых деформирования дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов при сжатии
Автор: Селяев В.П., Низина Т.А., Балыков А.С., Низин Д.Р., Балбалин А.В.
Статья в выпуске: 1, 2016 года.
Бесплатный доступ
Изложена методика определения фрактальной размерности кривых деформирования на основе метода минимального покрытия, позволяющая получать интегральную количественную оценку процесса разрушения строительных композитов при сжатии и определять положение параметрической точки кривой разрушения. Проведено сравнение предлагаемого метода с алгоритмами определения показателя Херста и фрактальной размерности методом покрытия квадратами. Показано преимущество методики, основанной на определении фрактальной размерности с помощью метода минимального покрытия. Для проведения механических испытаний составов мелкозернистых дисперсно-армированных бетонов использовался программно-аппаратный комплекс WilleGeotechnik®, дополнительно оборудованный климатической камерой с возможностью регулирования температуры (от -40 до +100 °С) и влажности (от 10 до 96 %) в процессе нагружения. Изменение напряжений и деформаций образцов в процессе нагружения фиксировалось с шагом 0,01 с. В качестве основных компонентов дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов использовались: цемент класса ЦЕМ I 42,5Б, речной песок, микрокремнезем конденсированный уплотненный МКУ-85, поликарбоксилатный суперпластификатор Melflux 1641 F. Дисперсное армирование бетонов обеспечивалось раздельным введением трех видов фибр: полипропиленовое мультифиламентное волокно, полиакрилонитрильное синтетическое волокно FibARM Fiber WВ и модифицированная астраленами базальтовая микрофибра «Астрофлекс-МБМ». Определены значения индексов фрактальности и фрактальной размерности прироста напряжений и деформаций кривых деформирования мелкозернистого бетона с помощью метода минимального покрытия. На основе фрактального анализа временных рядов определено положение и окрестности точки перехода бетонного образца из состояния покоя в состояние выраженного тренда. Выявлено изменение положения параметрической точки и значений фрактальных размерностей в зависимости от вида применяемой фибры. Установлено, что введение 1%-го полипропиленового мультифиламентного волокна или 5%-й модифицированной астраленами базальтовой микрофибры «Астрофлекс-МБМ» приводит к существенному повышению первого «критического» уровня соответственно до 54 и 47 % как при анализе прироста напряжений и деформаций по сравнению с 19 и 28 % для составов, содержащих 1,5%-го полиакрилонитрильного синтетического волокна. Предлагаемая методика фрактального анализа кривых деформирования на основе метода минимального покрытия позволяет получить ценную информацию о процессе разрушения композиционных материалов различной природы.
Кривые деформирования, композиционные строительные материалы, дисперсное армирование, мелкозернистые бетоны, метод минимального покрытия, метод херста, индекс фрактальности, фрактальная размерность, параметрические точки кривых разрушения
Короткий адрес: https://sciup.org/146211597
IDR: 146211597 | УДК: 691.32:620.178.73 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.09
Fractal analysis of deformation curves of fiber-reinforced fine-grained concretes under compression
The authors set out the methodology of determining the fractal dimension of deformation curves based on the minimum coverage method, allowing to obtain an integral quantitative estimation of destruction process of building composites under compression; and determine the position of the parametric point of destruction curve. The proposed method was compared with the algorithms of the Hurst exponent determination and fractal dimension by the coverage squares method. It became possible to show the advantage of the method based on the determination of the fractal dimension by the minimum coverage method. For the realization of mechanical tests of compositions of fine-grained fiber-reinforced concretes we used hardware-software complex WilleGeotechnik®, which was additionally equipped by a climatic chamber with the possibility of adjusting the temperature (from - 40 to + 100 °C) and humidity (10 to 96 %) in the process of loading. The change of stresses and deformations of samples in the process of load was fixed with a step of 0.01 sec. The following components were used as basic ones in fiber-reinforced fine-grained concretes: cement of CEM I 42,5R class, river sand, densified condensed microsilica DCM-85, polycarboxylate superplasticizer Melflux 1641 F. The dispersed reinforcement of concretes was provided by a separate injection of three types of fibers: polypropylene multifilament fiber, polyacrylonitrile synthetic fiber FibARM Fiber WВ and basalt microfiber “Astroflex-MBM” modified by astralene. As a result, we defined values of fractality index and fractal dimension of the growth stress and strain curves of deformation of fine-grained concrete by the minimal cover method. Based on fractal analysis of time series, the position and neighborhood of the point of transition of the concrete sample from the resting state to the state of the pronounced trend were determined. The position change of parametric point was detected using the dependence of types in the applied fibers. It was established that the introduction of 1 % polypropylene multifilament fiber or 5 % modified astralene basalt microfiber “Astroflex-MBM” leads to a significant increase of the first “critical” level, respectively, to 54 and 47 % as in the analysis of growth stresses and deformations compared with 19 and 28 % for the formulations containing 1,5 % polyacrylonitrile synthetic fiber. The suggested method of fractal analysis of deformation curves based on the method of minimal coverage allows obtaining valuable information about the process related to destruction of composite materials of different natures.
Список литературы Фрактальный анализ кривых деформирования дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов при сжатии
- Берг О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Е.Н. Высокопрочный бетон. -М.: Стройиздат, 1971. -208 с.
- Зайцев Ю.В. Моделирование деформации и прочности бетона методами механики разрушения. -М.: Стройиздат, 1982. -196 с.
- Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. -М.: Стройиздат, 1996. -416 с.
- Фрактальные модели разрушения бетонов/В.П. Селяев //Региональная архитектура и строительство. -2015. -№ 1. -С. 11-22.
- Синергетика и фракталы в материаловедении/В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. -М.: Наука, 1994. -384 с.
- Селяев В.П., Низина Т.А., Ланкина Ю.А. Фрактальный анализ структуры наполненных полимерных композитов/Изв. вузов. Строительство. -2007. -№ 4. -С. 43-48.
- Хахардин А.Н., Ходыкин Е.И. Фрактальная размерность дисперсных и пористых материалов//Строительные материалы. -2007. -№ 8. -С. 62-63.
- Определение фрактальной размерности как структурного параметра при анализе полимерных композитов/В.П. Селяев, Т.А. Низина, Ю.А. Ланкина, В.В. Цыганов//Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения: Десятые Академические чтения РААСН. -Казань: Изд-во Казан. гос. архит.-строит. ун-та, 2006. -С. 73-76.
- Топологическая оптимизация процессов формирования микроструктуры цементного камня и бетона/В.Т. Перцев //Науч. вестн. Воронеж. гос. архит.-строит. ун-та. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. -2015. -№ 1. -С. 21-28.
- Хамидулина Д.Д., Шишкин И.В. Применение теории фрактальной геометрии в строительном материаловедении//Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. -2015. -Т. 2, № 1. -С. 5-8.
- Экспериментальное исследование фрактальных закономерностей роста усталостной трещины и диссипации энергии в ее вершине/М.В. Банников //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2013. -№ 2. -С. 21-36.
- Фрактальный анализ поверхности разрушения сплава АМг6 при усталостном и динамическом нагружении/В.А. Оборин, М.В. Банников, Ю.В. Баяндин, М.А. Соковиков, Д.А. Билалов, О.Б. Наймарк//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 2. -С. 116-126. DOI: DOI: 10.15593/perm.mech/2015.2.07
- Кривоносова Е.К., Первадчук В.П. Использование фрактального подхода для анализа стабильности многоуровневых структур//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. -2013. -№ 1(15). -С. 63-69.
- Krivonosova E.A., Schicin Y.D., Krivonosova E.K. Fractal analysis of multilevel structure formation//The International Symposium on visualization throught advanced measurements and simulation. -Osaka, 2014. -P. 287-289.
- Масловская А.Г., Осокина А.Г., Барабаш Т.К. Применение фрактальных методов для анализа динамических данных//Вестн. Амур. гос. ун-та. -2010. -Вып. 51: Сер. Естеств. и экон. науки. -С. 13-20.
- Владимирова Д.Б. Индекс фрактальности в исследованиях детерминированности дискретных временных рядов//Наука и бизнес: пути развития. -2015. -№ 8(50). -С. 86-91.
- Федер Е. Фракталы: пер. с англ. -М.: Мир, 1991. -254 с.
- Мandelbrot B. B. The fractal geometry of nature. -N.Y.: Freeman, 1983. -480 p.
- Старченко Н.В. Индекс фрактальности и локальный анализ хаотических временных рядов: дис. … канд. физ.-мат. наук. -М., 2005. -122 с.
- Dubovikov M.M., Starchenko N.S. Variation index and its applications to analysis of fractal structures//Sci. Almanac Gordon. -2003. -Vol. 1. -Р. 1 -30.
- Dubovikov M.M., Starchenko N.S., Dubovikov M.S. Dimension of the minimal cover and fractal analysis of time series//Physica. -2004. -A 339. -Р. 591-608.
- Нисон С. Японские свечи: графический анализ финансовых рынков/пер. с англ. Т. Дозорова, М. Волкова. -М.: Диаграмма, 1998. -336 с.
- Бондаренко В.М., Селяев В.П., Селяев П.В. Физические основы прочности бетона//Бетон и железобетон. -2014. -№ 4. -С. 2-5.