donstuAdvanced Engineering Research (Rostov-on-Don)Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)2687-1653Don State Technical University10.23947/2687-1653-2024-24-3-227-237AICZHYdonstu-2248Research ArticleMECHANICSМЕХАНИКАStudy of Structural Defects Evolution in Fine-Grained Concrete Using Computed Tomography MethodsИсследование процессов эволюции дефектов структуры мелкозернистых бетонов методами компьютерной томографииhttps://orcid.org/0000-0002-3798-4969ПузатоваА. В.PuzatovaA. V.

Анастасия Вячеславовна Пузатова, заведующий лабораторией строительных материалов, старший преподаватель образовательно-научного кластера института высоких технологий

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

Anastasiia V. Puzatova, Head of the Laboratory of Construction Materials, Senior Lecturer of the Education and Research Cluster, Institute of High Technology

14, Alexander Nevsky Str., Kaliningrad, 236041

https://orcid.org/0000-0002-9593-8653ДмитриеваМ. А.DmitrievaM. A.

Мария Александровна Дмитриева, доктор физико-математических наук, профессор образовательно- научного кластера института высоких технологий

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

Maria A. Dmitrieva, Dr.Sci. (Phys.-Math.), Professor of the Education and Research Cluster, Institute of High Technology

14, Alexander Nevsky Str., Kaliningrad, 236041

https://orcid.org/0000-0001-8860-6872ТовпинецА. О.TovpinetsA. О.

Александр Олегович Товпинец, научный сотрудник образовательно-научного кластера института высоких технологий 

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

Alexandr O. Tovpinets, Researcher of the Education and Research Cluster, Institute of High Technology

14, Alexander Nevsky Str., Kaliningrad, 236041

https://orcid.org/0000-0002-6140-256XЛейцинВ. Н.LeitsinV. N.

Владимир Нояхович Лейцин, доктор физико-математических наук, профессор образовательно-научного кластера

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14

Vladimir N. Leitsin, Dr.Sci. (Phys.-Math.), Professor of the Education and Research Cluster, Institute of High Technology

14, Alexander Nevsky Str., Kaliningrad, 236041

Балтийский федеральный университет имени Иммануила КантаРоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian Federation202425092024243227237Copyright © Puzatova A.V., Dmitrieva M.A., Tovpinets A.О., Leitsin V.N., 20242024Пузатова А.В., Дмитриева М.А., Товпинец А.О., Лейцин В.Н.Puzatova A.V., Dmitrieva M.A., Tovpinets A.О., Leitsin V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/2248

Introduction. When studying composite materials for construction purposes, it is needed to consider the mechanisms of formation of the structure and properties of modern concretes in the process of strength development. In studies of modern composite materials based on cement binder, there is no information about the development of structural defects and destruction of the material at the initial stages of strength development. This information can be obtained using X-ray computed tomography, a promising method of nondestructive testing of the state of the material. Therefore, the objective of this work was to study the formation and propagation of cracks in samples of fine-grained concrete with different fractional composition of sand due to natural processes of cement shrinkage, as well as the mechanics of destruction of samples of modified fine-grained concrete when applying a compressive load at the early stages of strength development. Materials and Methods. The study used fine-grained concrete mixtures of three compositions with different sand gradation. The tomography samples were made by placing fresh mixtures in polymer cylindrical containers. Tomography of the samples immediately after manufacture, as well as after 8 and 51 days, was performed in a YXLON Cheetah microfocus X-ray machine. The composition with two-fraction sand was modified by mechanical activation of the components, 20×20×20 mm cube samples were made. Further, compression tests were performed at the Instron installation after 3 and 7.5 hours, and then — tomography of the destroyed samples.Results. It was established that the destruction of contact zones depended on the ratio of the size of the fractions. In the presence of a bulk of coarse sand grains in concrete, the destruction of contact zones was more pronounced and had a main mode. When using fine or polyfraction sand, contact zones were destroyed locally and had a visually smaller area. The images of the destroyed modified sample, tested 3 hours after manufacturing, showed clear cracks and indents on the edges, which indicated the elastic-plastic nature of the destruction. In 7.5 hours, the edges of the sample upon destruction were covered with a network of small cracks; inside the sample there were also numerous cracks and microcracks, which indicated brittle fracture. Based on the obtained images of the deformed structure of modified concrete, the mechanism of transition from elastic-plastic destruction of the material to brittle one was clearly visible.Discussion and Conclusion. The studied dependences of the influence of the size of fine aggregate on the mechanisms of formation and propagation of structural defects contribute to the theory of the processes of destruction of fine-grained concretes. The results obtained prove the prospects of using X-ray computed tomography as a method of nondestructive testing of the internal structure of fine-grained concrete, including at the early stages of strength development.

Введение. При изучении композиционных материалов строительного назначения актуальными являются исследования механизмов формирования структуры и свойств современных бетонов в процессе набора прочности. В исследованиях современных композиционных материалов на цементном вяжущем отсутствуют сведения о развитии дефектов структуры и разрушении материала на начальных сроках набора прочности. Такие сведения можно получить с помощью рентгеновской компьютерной томографии — перспективного метода неразрушающего контроля состояния материала. Поэтому целью данной работы явилось изучение образования и распространения трещин в образцах мелкозернистого бетона с различным фракционным составом песка вследствие естественных процессов усадки цементного камня, а также механики разрушения образцов модифицированного мелкозернистого бетона при приложении сжимающей нагрузки на ранних сроках набора прочности.Материалы и методы. В исследовании использовались мелкозернистые бетонные смеси трех композиций с различным гранулометрическим составом песка. Образцы для томографии были изготовлены путем помещения свежих смесей в полимерные цилиндрические контейнеры. Томография образцов сразу после изготовления, а также через 8 и 51 сутки проводилась в микрофокусной рентгеновской установке YXLON Cheetah. Состав с двухфракционным песком был модифицирован механической активацией компонентов, изготовлены образцы-кубики 20×20×20 мм. Далее на установке Instron проведены испытания на сжатие через 3 и 7,5 часов и затем — томография разрушенных образцов.Результаты исследования. Установлено, что разрушение контактных зон зависит от отношения размеров фракций. В присутствии большого количества крупных частиц песка в теле бетона разрушение контактных зон более выражено и имеет магистральный характер. При использовании мелкого или полифракционного песка контактные зоны разрушаются локально и имеют визуально меньшую площадь. На изображениях разрушенного модифицированного образца, испытанного через три часа после изготовления, прослеживаются четкие трещины и выколы на гранях, что говорит об упруго-пластическом характере разрушения. Через 7,5 часов грани образца при разрушении покрываются сеткой мелких трещин, внутри образца также образуется множество трещин и микротрещин, что свидетельствует о хрупком разрушении. По полученным изображениям деформированной структуры модифицированного бетона наглядно прослеживается механизм перехода от упруго-пластического разрушения материала к хрупкому.Обсуждение и заключение. Изученные зависимости влияния размеров мелкого заполнителя на механизмы образования и распространения дефектов структуры вносят вклад в теорию процессов разрушения мелкозернистых бетонов. Полученные результаты доказывают перспективность применения рентгеновской компьютерной томографии как метода неразрушающего контроля внутренней структуры мелкозернистого бетона, в том числе на ранних сроках набора прочности.

рентгеновская компьютерная томографиямелкозернистый бетондеформацияупруго-пластическое разрушениехрупкое разрушениеX-ray computed tomographyfine-grained concretedeformationelastic-plastic failurebrittle fractureАвторы выражают благодарность Шиняевой Марии Владимировне, Когай Алине Дмитриевне за помощь в приготовлении образцов композиционных материалов для проведения исследований структуры на рентгеновском компьютерном томографе.The authors would like to thank Maria Vladimirovna Shiryaeva, Alina Dmitrievna Kogai for their help in preparing samples of composite materials for conducting structural studies on an X-ray computed tomograph.ReferencesДмитриева М.А., Когай А.Д., Лейцин В.Н., Товпинец А.О., Шиняева М.В. Экспериментальнотеоретический подход оценки структуры мелкозернистых модифицированных бетонов. Вестник МГСУ. 2023;18(1):70–81. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2023.1.70-81Dmitrieva MA, Kogai AD, Leitsin VN, Tovpinets AO, Shinyaeva MV. An Experimental and Theoretical Approach to Assessing the Structure of Fine-Grained Modified Concretes. Vestnik MGSU. 2023;18(1):70–81. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2023.1.70-81Дмитриева М.А., Шаранова А.В., Лейцин В.Н., Шиняева М.В. Экспериментальные исследования эволюции структурно-механических характеристик цементного камня в процессе гидратации. В: Труды III Международной конференции «Современные строительные материалы и технологии». Калининград: Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; 2021. С. 7–13.Dmitrieva MA, Sharanova AV, Leitsin VN, Shinyaeva MV. Experimental Studies of the Evolution of Structural and Mechanical Characteristics of Cement Stone in the Process of Hydration. In: Proc. III International Conference “Advanced Building Materials and Technologies”. Kaliningrad: IKBFU Publ.; 2021. P. 7–13. (In Russ.)Mingzhong Zhang, Jivkov AP. Micromechanical Modelling of Deformation and Fracture of Hydrating Cement Paste Using X-ray Computed Tomography Characterization. Composites Part B: Engineering. 2016;88:64–72. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.11.007Mingzhong Zhang, Jivkov AP. Micromechanical Modelling of Deformation and Fracture of Hydrating Cement Paste Using X-ray Computed Tomography Characterization. Composites Part B: Engineering. 2016;88:64–72. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.11.007Lavrov A, Panduro EAC, Torsæter M. Synchrotron Study of Cement Hydration: Towards Computed Tomography Analysis of Interfacial Transition Zone. Energy Procedia. 2017;114:5109–5117. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.1666Lavrov A, Panduro EAC, Torsæter M. Synchrotron Study of Cement Hydration: Towards Computed Tomography Analysis of Interfacial Transition Zone. Energy Procedia. 2017;114:5109–5117. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.1666Иноземцев А.С. Средняя плотность и пористость высокопрочных легких бетонов. Инженерностроительный журнал. 2014;51(7):31–37. https://doi.org/10.5862/MCE.51.4Inozemtsev AS. Average Density and Porosity of High-Strength Lightweight Concrete. Magazine of Civil Engineering. 2014;51(7):31–37. (In Russ.) https://doi.org/10.5862/MCE.51.4Осипов С.П., Прищепа И.А., Кудяков А.И., Батранин А.В., Осипов О.С. Компьютерная томография пенобетона. Системы. Методы. Технологии. 2018;38(2):146–152. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-2-146-152Osipov SP, Prishchepa IA, Kudyakov AI, Batranin AV, Osipov OS. Computer Tomography of Foam Concrete. Systems. Methods. Technologies. 2018;38(2):146–152. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2018-2-146-152Tuan Nguyen, Abdallah Ghazlan, Alireza Kashani, Stćphane Bordas, Tuan Ngo. 3D Meso-Scale Modelling of Foamed Concrete Based on X-ray Computed Tomography. Construction and Building Materials. 2018;188:583–598. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.085Tuan Nguyen, Abdallah Ghazlan, Alireza Kashani, Stćphane Bordas, Tuan Ngo. 3D Meso-Scale Modelling of Foamed Concrete Based on X-ray Computed Tomography. Construction and Building Materials. 2018;188:583–598. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.085Haizhu Lu, Eugene Alymov, Sanjay Shah, Karl Peterson. Measurement of Air Void System in Lightweight Concrete by X-ray Computed Tomography. Construction and Building Materials. 2017;152:467–483. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.180Haizhu Lu, Eugene Alymov, Sanjay Shah, Karl Peterson. Measurement of Air Void System in Lightweight Concrete by X-ray Computed Tomography. Construction and Building Materials. 2017;152:467–483. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.180Хузин А.Ф., Рахимов Р.З. Влияние многослойных углеродных нанотрубок на пористость цементного камня. Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2016;37(3):231–237.Khuzin AF, Rahimov RZ. The Effect of Multiwalled Carbon Nanotubes on the Porosity of the Cement Stone. News KSUAE. 2016;37(3):231–237.Sang-Yeop Chung, Mohamed Abd Elrahman, Dietmar Stephan, Paul H Kamm. The Influence of Different Concrete Additions on the Properties of Lightweight Concrete Evaluated Using Experimental and Numerical Approaches. Construction and Building Materials. 2018;189:314–322. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.189Sang-Yeop Chung, Mohamed Abd Elrahman, Dietmar Stephan, Paul H Kamm. The Influence of Different Concrete Additions on the Properties of Lightweight Concrete Evaluated Using Experimental and Numerical Approaches. Construction and Building Materials. 2018;189:314–322. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.189Yujie Huang, Zhenjun Yang, Wenyuan Ren, Guohua Liu, Chuanzeng Zhang. 3D Meso-Scale Fracture Modelling and Validation of Concrete Based on In-situ X-ray Computed Tomography Images Using Damage Plasticity Model. International Journal of Solids and Structures. 2015;67–68:340–352. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2015.05.002Yujie Huang, Zhenjun Yang, Wenyuan Ren, Guohua Liu, Chuanzeng Zhang. 3D Meso-Scale Fracture Modelling and Validation of Concrete Based on In-situ X-ray Computed Tomography Images Using Damage Plasticity Model. International Journal of Solids and Structures. 2015;67–68:340–352. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2015.05.002Левандовский А.Н., Мельников Б.Е., Шамкин А.А. Моделирование пористого материала методом конечных элементов. Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017;53(2):61–77. https://doi.org/10.18720/CUBS.53.5Levandovskiy AN, Melnikov BE, Shamkin AA. Porous Material Modeling with Finite Element Method. Construction of Unique Buildings and Structures. 2017;53(2):61–77. https://doi.org/10.18720/CUBS.53.5Большаков В.И., Елисеева М.А., Щербак С.А. Контактная прочность механоактивированных мелкозернистых бетонов из доменных гранулированных шлаков. Наука та прогрес транспорту. 2014;53(5):138–149.Bolshakov VI, Yelisieieva MO, Shcherbak SA. Contact Strength of Mechanoactivated Fine Concretes from Granulated Blast-Furnace Slags. Nauka ta progres transportu. 2014;53(5):138–149. (In Russ.)Егорочкина И.О., Серебряная И.А., Шляхова Е.А., Матросов А.А., Пронина К.А., Кузина А.Н. Исследование структуры контактной зоны в бетонах с комбинированными заполнителями. Инженерный вестник Дона. 2019;55(4):40.Egorochkina IO, Serebryanaya IA, Shlyakhova EA, Matrosov AA, Pronina KA, Kuzina AN. Study of the Structure of the Contact Zone in Concretes with Combined Aggregates. Engineering Journal of Don. 2019;55(4):40.Бедарев В.В., Бедарев Н.В., Бедарев А.В. Разрушение бетона в контактном слое на основе базовых положений общей теории сцепления и анкеровки арматуры периодического профиля в бетоне. В: Сборник тезисов докладов Международного строительного конгресса «Наука. Инновации. Цели. Строительство». Москва: АО «НИЦ «Строительство»; 2023. С. 39–43. https://doi.org/10.37538/2949-219%D0%A5-2023-39-43Bedarev VV, Bedarev NV, Bedarev AV. The Destruction of Concrete in the Contact Layer Based on the Basic Provisions of General Theory of Adhesion and Anchoring of Periodic Profile Reinforcement in Concrete. In: Proc. International Construction Congress “Science. Innovations. Goals. Construction”. Moscow: Research Center of Construction; 2023. P. 39–43. (In Russ.) https://doi.org/10.37538/2949-219%D0%A5-2023-39-43Пичугин А.П., Хританков В.Ф., Смирнова О.Е. Пименов Е.Г. Трещинообразование в крупнопористом бетоне с интегральным расположением крупного заполнителя. Эксперт: теория и практика. 2020;7(4):47–52. https://doi.org/10.24411/2686-7818-2020-10035Pichugin AP, Khritankov VF, Smirnova OE, Pimenov EG. Crack Formation in Large-Porous Concrete with an Integral Arrangement of a Large Filler. Expert: Theory and Practice. 2020;7(4):47–52. (In Russ.)Пшеничный Г.Н. Об особенностях формирования контактной зоны цементных бетонов. Технологии бетонов. 2015;110–111(9–10):56–60.Pschenichniy GN. About the Features of Cement Concrete Surface Area. Concrete Technologies. 2015;110–111(9–10):56–60.Дмитриева М.А., Шаранова А.В., Панфилова А.Д., Плахтий А.А. Реологические свойства строительных растворов, применяемых для 3D-печати. В: Труды конференции «Современные строительные материалы и технологии». Калининград: Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; 2019. С. 18–32.Dmitrieva MA, Sharanova AV, Panfilova AD, Plakhtiy AA. Rheological Properties of Building Mortars Used for 3D Printing. In: Proc. International Conference “Advanced Building Materials and Technologies”. Kaliningrad: IKBFU Publ.; 2019. P. 18–32. (In Russ.)Шаранова А.В., Дмитриева М.А., Лейцин В.Н. Обеспечение безопалубочного формования бетонных строительных конструкций аддитивными технологиями. В: Труды II международной конференции «Современные строительные материалы и технологии». Калининград: Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; 2020. С. 15–21. https://vestnik-donstu.ruSharanova AV, Dmitrieva MA, Leitsin VN. Ensuring Formation of Concrete Building Constructions without Formwork by Additive Technologies. In: Proc. II International Conference “Advanced Building Materials and Technologies”. Kaliningrad: IKBFU Publ.; 2020. P. 15–21.Dvorak G.J. Micromechanics of Composite Materials. Series: Solid Mechanics and Its Applications. Dordrecht: Springer; 2013. 442 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4101-0Dvorak G.J. Micromechanics of Composite Materials. Series: Solid Mechanics and Its Applications. Dordrecht: Springer; 2013. 442 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4101-0Лейцин В.Н., Дмитриева М.А., Ивонин И.В. Пономарев С.В., Полюшко В.А. Товпинец А.О. и др. Определяющие факторы формирования структуры низкотемпературной керамики. Физическая мезомеханика. 2017;20(6):77–85.Leitsin VN, Dmitrieva MA, Ivonin IV, PonomarevSV, Polyushko VA, Tovpinets AO, et al. Determining Factors ofthe Formation of the Structure of Low-Temperature Ceramics. Physical Mesomechanics. 2017;20(6):77–85. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.