Fracture toughness of rock-concrete interfaces and its prediction based on acoustic properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The relevance of the subject is determined by the need to solve the problem of ensuring the safety and prevent failure of facilities containing an interface between rock and concrete. These include mine shafts, hydroelectric dams in mountainous areas, reinforced concrete tunnel supports and others that are subjected to both static loads from overlying rocks and soils and dynamic loads from explosions and earthquakes. We perfomed laboratory tests according to the International Society for Rock Mechanics (ISRM) methodology on specimens with interfaces between gypsum stone and sand-cement mortar. The fracture toughness coefficient KIC of the interfaces in the specimens was investigated. The cylindrical specimens were 40 mm in diameter and 150 mm long with a V-shaped notch in the middle part. The specimens bending strain measured using a three-point pattern allowed the KIC to be determined based on the maximum force at 5–6 cycles. The average KIC value for interface between rock and concrete proved much lower than that for rock and even for specimens made entirely of concrete. For the specimens without concrete, the average value was 1.327 MPa×√m, and for fully concrete specimens, 0.858 MPa×√m. The average value KIC for the specimens with concrete was 0.323 MPa×√m, which was 4 times lower than that for the specimens without concrete and 2.5 times lower than that for the concrete specimens. The formation of a calibrated fracture during testing results in a relative increase in the internal mechanical loss factor Q−1, determined by the resonance method, by up to 30%. This allows estimating KIC fracture toughness coefficients of rock-concrete interfaces using Q−1. The obtained results can be used in actual practice in the design, operation, and organization of nondestructive testing and monitoring of industrial mining facilities that include these interfaces.

About the authors

А. S. Voznesenskii

University of Science and Technology MISIS

Email: asvoznesenskii@misis.ru
ORCID iD: 0000-0003-0926-1808

E. I. Ushakov

University of Science and Technology MISIS

Email: m1800087@edu.misis.ru
ORCID iD: 0000-0003-3579-6515

Ya. O. Kutkin

University of Science and Technology MISIS

Email: kutkin.yo@misis.ru
ORCID iD: 0000-0003-2644-3371

References

  1. Кочанов А. Н., Одинцев В. Н. Волновое предразрушение монолитных горных пород при взрыве. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016;(6):38–48. (Trans. ver.: Kochanov A. N., Odintsev V. N. Wave prefracturing of solid rocks under blasting. Journal of Mining Science. 2016;52(6):1080–1089. https://doi.org/10.1134/S1062739116061613)
  2. Зверева А. С., Собисевич А. Л., Габсатарова И. П. Добротность геофизической среды восточной зоны Северного Кавказа. Физика Земли. 2024;(1):140–156. https://doi.org/10.31857/S0002333724010091
  3. Грабкин О. В., Замараев С. М., Лащенов В. А. и др. Геология и сейсмичность зоны БАМ (от Байка-ла до Тынды). Структурно-вещественные комплексы и тектоника. Новосибирск: Наука; 1983. 192 с.
  4. Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solids. Philosophical Transactions of the Royal So-ciety of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character. 1921;221(582–593):163–198. https://doi.org/10.1098/rsta.1921.0006
  5. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. Под ред. Ю. Мураками. Т. 2. М.: Мир; 1990. 1016 с.
  6. Sezgin J.-G., Bosch С., Montouchet A. et al. Coupled hydrogen and phosphorous induced initiation of internal cracks in a large 18MnNiMo5 component. Engineering Failure Analysis. 2019;104:422–438. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.06.014
  7. Wang Y., MacDonald A., Xu L. et al. Engineering critical assessment and variable sensitivity analysis for as-welded S690 steels. Engineering Failure Analysis. 2020;109:104282. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.104282
  8. Beygi R., Carbas R. J. C., Barbosa A. Q. et al. A comprehensive analysis of a pseudo-brittle fracture at the interface of intermetallic of η and steel in aluminum/steel joints made by FSW: Microstructure and fracture behavior. Materials Science and Engineering: A. 2021;824:141812. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141812
  9. Eskandari S., Andrade Pires F. M., Camanho P. P. et al. Analyzing the failure and damage of FRP composite laminates under high strain rates considering visco-plasticity. Engineering Failure Analysis. 2019;101:257–273. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.03.008
  10. Mega M., Banks-Sills L. Comparison of methods for determination of fracture toughness in a multi-directional CFRP laminate. Procedia Structural Integrity. 2020;28:917–924. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.11.064
  11. Ryabchikov A., Kiviste M., Udras S.M. et al. The experimental investigation of the mechanical properties of steel fibre-reinforced concrete according to different testing standards. Agronomy Research. 2020;18:969–979. https://doi.org/10.15159/ar.20.070
  12. Conforti A., Minelli F., Plizzari G.A., Tiberti G. Comparing test methods for the mechanical characterization of fiber reinforced concrete. Structural Concrete. 2018;19(3):656–669. https://doi.org/10.1002/suco.201700057
  13. Valean C., Maravina L., Marghita M. et al. The effect of crack insertion for FDM printed PLA materials on Mode I and Mode II fracture toughness. Procedia Structural Integrity. 2020;28:1134–1139. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.11.128
  14. Wang Y., Hu X. Determination of tensile strength and fracture toughness of granite using notched three-point-bend samples. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2017;50(1):17–28. https://doi.org/10.1007/s00603-016-1098-6
  15. Rong H., Wang Y. J., Zhao X. Y., She J. Research on fracture characteristics of rock-concrete interface with different roughness. Gongcheng Lixue/Engineering Mechanics 2019;36(10):96–103. (In Chinese) https://doi.org/10.6052/j.issn.1000-4750.2018.09.0485
  16. Kožar I., Torić Malić N., Simonetti D., Smolčić Ž. Bond-slip parameter estimation in fiber reinforced concrete at failure using inverse stochastic model. Engineering Failure Analysis. 2019;104:84–95. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.05.019
  17. Kožar I., Bede N., Mrakovčić S., Božić Ž. Layered model of crack growth in concrete beams in bending. Procedia Structural Integrity. 2021;31:134–139. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.03.022
  18. Lu D. X., Bui H. H., Saleh M. Effects of specimen size and loading conditions on the fracture behaviour of asphalt concretes in the SCB test. Engineering Fracture Mechanics. 2020;242:107452. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107452
  19. Nazerigivi A., Nejati H. R., Ghazvinian A., Najigivi A. Effects of SiO2 nanoparticles dispersion on concrete fracture toughness. Construction and Building Materials. 2018;171:672–679. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.03.224
  20. Seitl S., Ríos J. D., Cifuentes H. Comparison of fracture toughness values of normal and high strength concrete determined by three point bend and modified disk-shaped compact tension specimens. Frattura ed Integrità Strutturale. 2017;11(42):56–65. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.42.07
  21. Ouchterlony F., Franklin J. A., Zongqi S. et al. Suggested methods for determining the fracture toughness of rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1988;25(2):71–96.
  22. Voznesenskii A. S., Osipov Y. V., Ushakov E. I. et al. Effect of weak inclusions on the fracture toughness of interfaces between various rocks. Engineering Failure Analysis. 2023;146:107140. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107140
  23. Voznesenskii A. S., Osipov Y. V., Ushakov E. I., Semyonov Y. G. Fracture toughness of interfaces between various minerals and rocks. Procedia Structural Integrity. 2023;46:155–161. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2023.06.027
  24. Mochugovskiy A. G., Mikhaylovskaya A. V., Zadorognyy M. Y., Golovin I. S. Effect of heat treatment on the grain size control, superplasticity, internal friction, and mechanical properties of zirconium-bearing aluminum-based alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2021;856:157455. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157455
  25. Blanter M. S., Golovin I. S., Neuhäuser H., Sinning H. R. Internal friction in metallic materials. A handbook. Springer Series in Materials Science. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg; 2007. 541 p.
  26. Ushakov E. I., Voznesenskii A. S. The fracture toughness of interfaces between rocks and concrete. The results of experimental investigations. Mendeley Data. 2024;1. https://doi.org/10.17632/792rfcf59m.1

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».