21.01.2021

Метод определения пластической деформации бетона в изделиях и конструкциях


Применение этого метода для определения прочности бетона основано на взаимосвязи между Rсж и размерами отпечатков на бетонной поверхности, которые характеризуют пластическую (или упругопластическую) деформацию бетона при вдавливании индентора (штампа) под действием нагрузки.

Вдавливание штампа происходит либо при статической нагрузке под действием прессов, либо при динамической нагрузке под действием удара, который осуществляется с помощью специальной пружины, свободного падения маятника, выстрела или вручную. В качестве бойка обычно применяют шариковые наконечники определенного диаметра, образующие на поверхности бетона отпечатки сферической формы.

При постоянной силе удара размеры полученных отпечатков характеризуют твердость поверхностного слоя раствора (бетона). Известно, что показатель твердости меняется с увеличением силы вдавливания: вначале он резко возрастает, затем скорость его роста уменьшается и достигается максимум. С дальнейшим ростом нагрузки показатель твердости уменьшается.

Измерения целесообразно производить в области, в которой показатель твердости близок к максимуму. Это обеспечивается при соблюдении условия 0,3D меньше d меньше 0,7D (где d — диаметр отпечатка; D — диаметр шарика).

Если полученные значения d выходят за рекомендуемые пределы, то при d больше 0,7D следует уменьшить силу вдавливания, а при d<0,3D применить шарик меньшего диаметра.

Образующийся при вдавливании сферического бойка отпечаток может быть охарактеризован диаметром d лунки или ее глубиной А. Наиболее часто измеряют d.

Наряду с названными способами известны методы местного разрушения бетона путем стрельбы или взрыва. Эти методы применяют довольно редко. При их использовании на поверхности бетона образуется вмятина неправильной формы. В этих случаях наиболее удобной дли измерения характеристикой вмятины будет ее объем, который легко определить, например, с помощью пластилина.

Для образования отпечатка путем вдавливания ударника применяют инденторы различной формы. Наиболее часто в приборах используют шариковые штампы, реже штампы конической и другой формы.

По ГОСТ 22690.1—77 Rвж определяют приборами динамического действия. Твердость стали ударника, бойка и индентора не менее HRC 60. Шероховатость поверхности этих деталей прибора Ra<0,32 мкм с допустимым увеличением в процессе эксплуатации до Ra—5 мкм (по ГOCT 2789—73). Диаметр применяемых шариков 10 мм, а для дисков толщина кромки 1 мм. Хотя стандарт не регламентирует радиус диска, желательно, чтобы он был 50 мм. Как маятниковые, так и пружинные приборы должны иметь энергию удара 125 H*см.

Пружинные приборы поверяют через каждые 1000 испытаний с помощью наковальни с рабочей поверхностью, имеющей Ra больше 2,5 мкм. По наковальне наносят 10 ударов, при этом отклонение di от d должно быть не более 5%. Значение d=Еdi/10 не должно отличаться от значения dг, полученного при построении градуировочной зависимости, более чем на ±5%. Если это отклонение находится в пределах от 2,6 до 5%, прибор можно применять, но результаты испытаний корректируют, вводя коэффициент Kг=d/dг.

Испытания проводят на участках конструкций толщиной не менее 5 см при расстоянии между отпечатками 30 мм, не ближе 5 см от края конструкции. Направление удара должно быть перпендикулярно к бетонной поверхности. Желательно испытывать бетонные поверхности, соприкасавшиеся при бетонировании с опалубкой; параметр шероховатости испытываемого участка Ra<40 мкм. Влажность бетона не должна отличаться более чем на 30% от влажности бетона образцов, испытанных для построения градуировочной зависимости. Погрешность измерения наибольшего отпечатка <3%.

Косвенную характеристику dy для участка вычисляют по формуле dу=dyKг [здесь dy — среднее значение косвенной характеристики (диаметр отпечатка) на участке]. Значение Rсжу определяют по величине dу с помощью градуировочной зависимости. Метод применяют для испытания тяжелых бетонов.

При экспертном определении Rсж зависимость «Rсж—d» строят по результатам испытания не менее 20 кубов или кернов, вырезанных из бетона конструкции. Если такой возможности нет, используют имеющуюся зависимость «Rсж—d», построенную для бетона, отличающегося от исследуемого, и определяют коэффициент совпадения Kс по формуле

где ERф — сумма значений Rсж, полученных путем испытания по ГОСТ 10180—78 не менee трех кубов или кернов, вырезанных из конструкции, или полученных методом отрыва со скалыванием не менее чем на трех участках по ГОСТ 21243—75; ERт — сумма значений Rсж, полученных по зависимости «косвенная характеристика — прочность».

Вычисленное значение Kс может использоваться для участка зависимости «косвенная характеристика — прочность» в диапазоне до ±40% среднего значения из ERф. При этом наибольший и наименьший результаты не должны отличаться от среднего более чем на ±20%.

Rсж бетона определяют по формуле Rсж

где Rт — прочность бетона, полученная по зависимости «косвенная характеристика — прочность».

Ниже приводятся сведения о некоторых приборах, используемых при испытании прочности бетона методом пластической деформации.

Дисковые приборы ДПГ-4 и ДПГ-5. При испытании в свободном падении ребро тяжелого стального диска наносит удар по поверхности бетона, и прочность последнего определяют в зависимости от размеров полученного на поверхности оттиска.

Прибор состоит из четырех основных частей: диска, стержня, подножки и угломерной шкалы. Диск прибора диаметром 160 мм и толщиной 100 мм изготовлен из цельного куска стали. Ударная кромка диска толщиной 1 мм цементирована. Она выполняет роль штампа и со временем срабатывается. Проворачивая диск, устанавливают его таким образом, чтобы удары по бетону наносились несработанной частью кромки. Масса диска 1,4 кг; массу можно регулировать с помощью болтов. Стержень, имеющий прямоугольное сечение размером 10х15 мм, соединяет диск с подножкой; при этом обеспечивается свободное падение диска в момент испытаний. Длина стержня 25 см, масса 250 г. В процессе испытаний прибор через подножку опирается на бетонную поверхность в трех точках.

Прибор ДПГ-4 (рис. III.3) предназначен для определения прочности не только на горизонтальных, но и на наклонных вертикальных поверхностях. Имеющаяся на приборе угломерная шкала с радиальными делениями в 1° позволяет для любых испытываемых поверхностей вычислить высоту падения диска H'.

Прибор ДПГ-5 отличается большей массой диска — 1,9 кг и длиной рычага — 30 см вместо 25 см. Форма кромок диска — трапецеидальная.

Прочность бетона определяют по формуле

где А — коэффициент дискового прибора, кг/см (определяется экспериментально или по табл. III.7); l — длина стержня прибора, см; H' — высота падения диска, см.

где mд, mc — масса соответственно диска и стержня приборе, кг; b — толщина ударной кромки диска, см.

В зависимости от угла наклона ф (рис. III.4) Rсж может быть вычислена по формулам, приведенным в табл. III.8.

Прибор ПМ (рис. III.5), изготовляемый заводом «Коммунальник» МЖКХ России, представляет собой ударный механизм с двумя пружинами, одна из которых соединяет боек с неподвижной втулкой. Боек перемещается внутри цилиндрического дюралевого корпуса. Шток бойка соединен с ударником, на конце которого находится стальной шарик с d=17 мм. При упоре прибора в исследуемую бетонную поверхность и плавном нажатии на заднюю крышку шток с ударником и защелкой перемещаются, растягивая при этом пружину. При дальнейшем перемещении зуб защелки соскакивает с бойка, пружина освобождается и толкает шток с ударником в сторону бетонной поверхности и наносит по ней удар. Масса прибора 1 кг, длина 405 мм, диаметр 50 мм.

Прибор КМ, используемый для испытания методом пластической деформации и методом упругого отскока, описан при рассмотрении последнего метода в IV.2.3.

Универсальный маятниковый прибор (УМП), (рис. III.6), разработанный в Минпромстрое Украины В.А. Пироговым, состоит из станины, на которой укреплена раздвижная (переменной длины) штанга, несущая на конце сменные штамп и груз. К станине крепится также угломерная шкала с фиксаторами. За счет изменения плеча маятника, массы и угла отклонения по энергии удара устанавливают четыре ступени: 150, 300, 600 и 1200 H*см. Диаметры сменных шариковых штампов 7, 10, 15 и 25 мм, масса прибора в комплекте 3,8 кг. Выбор ступени энергии и размера штампа проводят исходя из обеспечения условия: 0,25 D меньше d меньше 0,65D.

Принцип работы прибора УМП и методика проведения испытаний такие же, как и при использовании ДПГ-4. К достоинству прибора УМП следует отнести возможность изменения длины маятника (штанги) и наличие сменных штампов. Автором прибора разработана Инструкция по определению прочности бетона с помощью прибора УМП.

Приборы типа «штамп НИИЖБ» основаны на статическом вдавливании в исследуемую поверхность сферического штампа и измерении получаемого при этом оттиска. Приборы отличаются от других тем, что, во-первых, в них применяются штампы значительно больших размеров и соответственно большие усилия и, во-вторых, что особенно важно, тем, что определяется твердость не растворной составляющей, а поверхности бетона.

В приборах могут использоваться три вида сферических штампов, различных размеров. Штампы изготовляют из закаленной стали марки Х45. Номер штампа и соответствующее усилие для его вдавливания в основном зависят от ожидаемой прочности бетона. В связи с тем, что при обычно получающихся диаметрах оттисков (12—24 мм) зона исследования бетона имеет глубину около 2—5 см, следует применять штамп такого размера, чтобы диаметр оттиска был не менее размера крупного заполнителя.

Давление на штамп осуществляют с помощью гидравлического пресса со скоростью возрастания нагрузки 1 кН/с и измеряют манометром с точностью до 1%. Бетонная поверхность, подлежащая испытанию, должна быть гладкой, без раковин и других дефектов. Оттиски, совпавшие с пустотами, площадь которых превышает 15% площадки оттиска, или имеющие овальную форму difd2 больше 1,2, должны быть заменены другими. За диаметр оттиска принимают среднее арифметическое из двух (d1 и d2) взаимно перпендикулярных измерений, выполненных с погрешностью не более 0,5 мм.

Разработаны приборы моделей: ОПР-9-300; ОПР-4-300; ОМР-2-250 и РПМ-5. Прибора ОРП-9-300 и ОРП-4-300 предназначены для контроля изделий толщиной до 300 мм на участках поверхности, удаленных от края до 100 мм. ОРП-9-300 представляет собой сварную скобу с гидропрессом, насосом и жестким винтовым упором. В скобу вмонтирован силоизмеритель. ОРП-4-300 выполнен из легкого сплава. Прибор укомплектован насосной станцией с автоматом отсечки на предельно заданном давлении.

Прибор НИЛ физико-химической механики материалов и технологических процессов основан на контрольном устройстве ТКП-1, выпускаемом промышленностью. С помощью статической нагрузки в поверхность бетона вдавливают шарик диаметром 10—15 мм. С помощью установленного в приборе индикатора часового типа измеряют глубину погружения. Прочность бетона определяют по предварительно установленной зависимости «Rсж — глубина погружения». Из-за малого диаметра шарика при испытании обычных бетонов прибор будет измерять твердость только растворной составляющей, а не бетона, как при использовании приборов типа «штамп НИИЖБ». Прибор НИЛ предназначен для контроля прочности мелкозернистого (песчаного) бетона.

Прибор НИИЖБ и ЭКБ ЦНИИСК для определения прочности ячеистого бетона представляет собой пружинный молоток, снабженный бойком конической формы. Прибор устанавливают на испытываемую поверхность и, надавливая на тыльную часть, производят удар (cxeмa аналогична прибору ПМ и др.).

Ударник прибора соединен с помощью зубчатых реек с зубчатым колесом. Имеющаяся в приборе система позволяет замерять глубину образовавшейся лунки с погрешностью до 0,1 мм. Для замеров прибор снабжен шкалой. Масса прибора 1,5 кг, длина 450 мм, диаметр 70 мм.

В методах, основанных на вдавливании индентора в исследуемую поверхность, значение Rсж бетона определяют в зависимости от твердости его поверхностного слоя [Rсж = f(H), где H — твердость поверхностного слоя раствора (бетона)].

Показатель твердости в свою очередь зависит от силы вдавливания P и размера отпечатка: диаметра d, его глубины h или объема V.

При испытаниях бетона измеряют размер оттиска, сила же удара должна быть известной. При определении Rсж исходя из условия, что P=сonst; используют однозначные зависимости: Rсж=f(d), Rсж=f(h) или Rcm=f(V).

Это позволяет значительно упростить методику испытаний. Однако в данном случае обязательно должно быть соблюдено условие P=сonst, поэтому методы с применением ручного молотка, не могут обеспечить требуемой точности испытаний. При методах с использованием пружинных молотков значение P со временем может изменяться по мере ослабления пружины. Неодинаковые упругие свойства пружин в различных экземплярах приборов не дают возможности использовать единые тарировочные зависимости. P изменяется также в зависимости от силы трения в движущихся частях приборов.

В связи с этим представляют интерес приборы, в которых можно учитывать влияние колебаний силы удара. Для этого нужно измерять размеры оттиска при ударе как на исследуемой поверхности, так и на каком-нибудь эталоне с известной твердостью, и твердость испытуемого материала определять в зависимости от соотношения размера оттисков по заранее установленным эмпирическим зависимостям. В указанных приборах в качестве эталонных стержней применяют металлы с определенной, постоянной для каждого метода твердостью. С целью повышения точности испытаний исходя из принятой практики определения твердости металлов можно рекомендовать несколько эталонных стержней с различными значениями твердости. При этом для испытания бетонов низкой прочности следует принять эталонные стержни из более мягких металлов.

Эталонный молоток Н.П. Кашкарова (НИИМосстроя) (ГОСТ 22690 2—77). Rсж определяют в основном так же, как и другими приборами по ГОСТ 22690.1—77, но с некоторыми отличиями. Эталонный молоток состоит аз головки, рабочая часть которого снабжена стальным шариком d=15,88 мм (Ra<0,32 мкм). В стакане колонка между его корпусом и шариком имеется отверстие, в которое вставляют эталонный стержень (рис. III.7). Эталонные стержни представляют собой заостренные с одного конца (для удобства введения в отверстие) стержни диаметром 12 (или 10) мм, длиной 10—15 см из круглой прутковой стали ВCт3сп2 или ВСт3пс2 с op=420—460 МПа.

Прочность бетона определяют следующим образом. Молотком ударяют но поверхности бетона. Шарик при этом образует лунки на эталонном стержне и поверхности бетона. Если лунки на бетоне должны быть получены в точно определенных местах, то эталонный молоток устанавливают в заданные точки поверхности и наносят слесарным молотком удар по головке прибора. Головка эталонного молотка должна быть расположена перпендикулярно к бетонной поверхности. В этом случае лунки имеют более правильную форму, чем после удара одним эталонным молотком. После каждого удара эталонный стержень передвигают в стакане молотка; при этом расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть 10 мм. На поверхности бетона расстояние между отпечатками должно быть 30 мм. Диаметр отпечатка должен быть в пределах: на бетоне 0,3-0,7 диаметра шарика, на стержне 2,5 мм. Измерения проводят с помощью углового масштаба, измерительной луны, штангенциркуля и других приспособлений с погрешностью не более 0,1 мм.

Прочность на участке Rсжу определяют по градуировочной зависимости «Rсж—dб/dэ» по величине (dб/dэ)у для участка: (dб/dэ) = Еdб/Еdэ. Метод применяют для испытания тяжелых бетонов.

Подпружиненный молоток отличается тем, что под шариком установлена специальная пружина, а на ободке молотка имеются два выступа — ограничители хода шарика. При ударе молотком по бетону, на поверхности которого уложена прокладка из писчей и копировальной бумаги, сила удара передается через пружину. Если сила удара превышает силу упругости пружины, то избыточная ее часть гасится. Если сила удара будет мала, то шарик не будет утоплен в гнездо на необходимую глубину и поэтому выступы ободка не будут прижаты к бетону и зафиксированы с помощью отпечатков на бумаге. В расчет принимают удары, которые будут одновременно зафиксированы на бумаге отпечатками шарика и выступов ограничителей. Таким образом, обеспечивают постоянство удара.

Принцип нормированного удара бойка под действием пружины использован в так называемых пружинных пистолетах Оргсовхозстроя, Белгородстройдеталь, Абаканского филиала Красноярского политехнического института, Каунасского политехнического института.

Названные и многие другие приборы промышленностью не выпускаются. Они изготовлены в единичных экземплярах или небольшими партиями, как правило, разработчиками. Практически из приборов, основанных на методе пластической деформации, промышленность выпускает только прибор ПМ.





Яндекс.Метрика