24.01.2021

Деформации при кратковременном нагружении. Модуль упругости бетона


Деформативные характеристики при сжатия и начальный модуль упругости по методике НИИЖБ определяют на призмах размером 15х15x60 или 10х10х40 см. Порядок изготовления подготовки и загружения образцов должен соответствовать ГОСТ 10180—78 и требованиям методики НИИЖБ по определению Rcж и Rпр.

Для измерения деформаций образца на его боковых гранях (по оси) устанавливают приборы (индикаторы часового типа, тензометры рычажного типа, тензорезисторы и др.). Наиболее часто для измерения продольных деформаций применяют индикаторы часового типа. Относительные деформации следует измерять с погрешностью не более 0,001% (е=1*10в-5). Чтобы избежать влияния деформации приопорных частей призмы, которая происходит в стесненных условиях, наибольшая база измерения продольных деформаций не должна быть более 3/4 высоты образца.

Крепить индикаторы можно, например, с помощью съемных металлических рамок (рис. IV. 3), при помощи держателей, завинченных в заделанные при бетонировании образцов анкеры-гайки или держателей, наклеенных на бетонную поверхность образца. В качестве удлинителей применяют металлические стержни с в=3—4 мм.

В процессе испытания желательно измерять также и поперечные деформации. Для этой цели применяют тензорезисторы, с помощью которых измеряют деформации на базе менее 50 мм; если наибольшая крупность заполнителя 40 мм, база измерения — 160 мм.

Призму с закрепленными приборами устанавливают на опорную плиту пресса и центрируют по геометрической оси. Затем проверяют работу индикаторов, загружая образец до 0,1 Рр и разгружая.

При этом стрелки индикаторов должны вернуться в исходное положение. Если это не достигается, следует проверить правильность их крепления, устранить выявленные недостатки, а при необходимости заменить индикаторы.

Перед началом испытаний призму, как и для случая определения Rпр, центрируют по физической оси. Для этого путем пробных нагрузок до 0,2 Pр контролируют нарастание деформаций по четырем граням образца. Если деформации крайних волокон отклоняются от среднего значения более чем на ±10%, образец центрируют поочередно по осям опорной плиты. Вначале призму перемещают в сторону самой большой деформации и загружают по ступеням. Перемещение производят, чередуя со ступенчатым нагружением призмы до тех пор, пока показания обоих индикаторов не будут превышать допустимое отклонение. После этого таким же способом центрируют призму в перпендикулярам направлении. Следует указать, что к концу испытания отклонения деформации по граням образца (от среднего) не должны превышать ±20%, в противном случае результат испытаний бракуется.

Кроме того, должно быть обеспечено условие, что смещение геометрической оси образца относительно геометрической оси пресса не должно превышать 0,05 а.

Для получения зависимости «е—о» или «е—о/Rпр» и Eб нагрузку на призму увеличивают ступенями: первые две ступени, а также при нагрузках более 0,8 Pр по 0,05 Pр; остальные ступени — 0,1 Pр. Выдержка нагрузки на каждой ступени не более 5 мни, общая продолжительность испытания не менее 20 мин. Если загружение производят равномерной непрерывно возрастающей нагрузкой с постоянной скоростью роста напряжений (do/dt = const), общая продолжительность испытания — 20 мин.

При необходимости получения полной диаграммы с нисходящей ветвью проводят испытания на прессах с автоматической записью деформаций (масштаб увеличения не менее 200:1); обеспечивая постоянную скорость роста деформаций (de/dt=const).

В случае непрерывного загружения образца деформации фиксируются на всем интервале нагружения для получения зависимости «е—о» или «е—o/Rпр». При ступенчатом загружении деформации измеряют в конце приложения ступени нагрузки и в конце ее выдержки.

Желательно определять следующие виды относительных деформаций: еум — упругомгновенные деформации, возникающие в процессе приложения ступеней нагрузки; епм — быстро натекающие деформации ползучести (кратковременная ползучесть), возникающие в процессе выдержки ступеней нагрузки; емакс — максимальные деформации; еомакс — полные деформации, соответствующие наибольшему напряжению на диаграмме сжатия с нисходящим участком. Индекс 1 показывает, что обозначение относится к продольным, а индекс 2 — к поперечным деформациям.

Начальный модуль упругости Eб равен:
Деформации при кратковременном нагружении. Модуль упругости бетона

где ЕАо — сумма приращений напряжений на каждой ступени от 0,05 до 0,3 Pр; 2Аеум — сумма приращений упругомгновенной деформации на каждой ступени в тех же пределах (закон нарастания уем должен быть близок к линейному).

Епм определяют из условия епм=емакс—еум.

Для определения параметров трещинообразования в процессе загружения образца дополнительно проводят измерения времени (скорости) прохождения ультразвука через бетон. Контакт бетона со щупами обеспечивают путем их наклейки (например, с помощью воска, разбавленного канифолью).

Процесс микротрещинообразования бетона в процессе его сжатия подразделяют на три этапа:

1) от начала загружения до нагрузки, соответствующей образованию микротрещин Rт1/Rпp и (при нечетком обнаружении этой границы) — Rт2/Rпp;

2) от нагрузки, соответствующей Rт1/Rпp (или Rт2/Rпp), до нагрузки, соответствующей минимальному объему образца Rт3/Rпр;

3) нагрузки, соответствующие более высокому уровню напряжений, чем Rт3/Rпp.

Достижение первого этапа не опасно для эксплуатации при воздействии на конструкции статических нагрузок; второй этап опасен при эксплуатации сооружений, в особенности при воздействии на них неблагоприятной (агрессивной) среды; третий этап характеризует область прогрессирующего развития микротрещин.

Границы Rт1/Rпp и Rт2/Rпр определяют по изменению времени прохождения ультразвука qо через бетон с ростом нагрузки. Значение Rт1/Rпp соответствует на графике qо—n точке, в которой угол наклона касательной к кривой равен нулю, т.е. dqo/dn=0, a Rт2/Rпp соответствует точке, в которой qo=0. Здесь n=о/Rпр; qо=tо—t0; to — время прохождения ультразвука через бетон при напряжении о; t0 — время прохождения ультразвука до начала приложения нагрузки (o=0).

Границу Rт3/Rпp определяют по графику полного объемного относительного изменения бетона AeV=e1+2е2 или графика отношения приращения поперечных к приращению продольных деформаций на каждой ступени нагружения v=Ae2/Ae1. Значению Rт3/Rпp соответствуют на первом графике dAeV/dn=0, т. е. нулю равен угол наклона касательной; на втором графике v=0,5. О.Я. Берг отмечал, что при соблюдении условия v больше 0,5 на поверхности бетона всегда наблюдались трещины, обнаруживаемые микроскопическими и микрофотографическими методами.

Коэффициент поперечных упругомгновенных деформаций определяют по формуле

а коэффициент полных поперечных деформаций

Статический модуль упругости, деформационные и структурно-механические характеристики по рекомендациям ВНИИФТРИ-МИСИ-ВЗПИ определяют по методике, обобщающей основные условия испытаний и регламентирующей пределы допускаемых отклонений в процессе подготовки и проведения эксперимента. Порядок выбора размеров образцов, их изготовление, подготовка к испытаниям, требования к ним и к испытательным прессам такие же, как и при определении Rпр по методике этих же организаций.

Приборы для измерения деформаций устанавливают на каждой грани призмы; при испытаниях цилиндров — по образующим, через 90 или 120°. Кроме того, в пределах базы измерения на каждой грани рекомендуется дополнительно устанавливать еще по одному прибору для измерения поперечных деформаций.

Для измерения деформаций следует применять приборы, у которых половина цены деления не превышает измеряемую величину более, чем на 0,2 %, а шкала позволяет проводить измерения без перестановок прибора в процессе испытания. Измерения относительных деформаций проводят с точностью не ниже 2*10в-5.

База измерения l должна находиться в пределах от 5dмакc до h—2а (h—2d). Базы размечают на образце перед приклейкой анкеров или установкой крепежных рамок. Расстояние от конца базы до торца образца должно быть не менее a(d) образца.

Разметку образца для установки приборов на заданных базах выполняют штангенциркулем или металлической линейкой с погрешностью не выше ±0,5%.

Образец с установленными приборами помещают между опорными плитами пресса и центрируют сначала по геометрической, а затем по физической оси призмы. Для этого образец загружают пробными нагрузками (до 0,1—0,15 Rпр) и проверяют показания приборов. Показания на приборах He должны отличаться от среднего значения более чем на ±0,5 деления. Если разница в отсчетах больше, призму перемещают в сторону большей деформации, после чего загружение повторяют. После окончания центрирования по физической оси образец считается подготовленным к загружению.

Загружать образец можно различными методами (табл. IV.2). При испытаний по методу ступенчато-циклического загружения за условный нуль принимают обычно 0,05 ожидаемой разрушающей нагрузки. Степени загружения составляют 0,1—0,05 от разрушающей нагрузки. Отсчеты с приборов снимают одновременно в течение 2—3 с.

Еб рассчитывают по измеренным значениям o и ev при значениях 0=0,3—0,4 Rпр.

Кроме E6 предусматривается определение структурно-механических характеристик бетона по измеренным средней относительной продольной деформации епрод, средней относительной поперечной деформации епоп и приращений этих деформаций Аепрод и Аепоп при увеличении напряжения осевого сжатия на Ао. Для этого вычисляют объемную деформацию eV, приращение объемной деформации АуV, коэффициент полных поперечных деформаций uпо и коэффициент приращения поперечных деформаций v по формулам:

По графикам, построенным в координатах «о—ev»; «о—AeV»; «0—uпо» или «о—v» (рис. IV.4), определяют нижнюю Rто и верхнюю Rту границы микротрещинообразования.

По графику «а—eV» определяют Rто как напряжение, соответствующее точке перехода от линейного участка к нелинейному, a Rтv — как напряжение, соответствующее максимуму на кривой. В случае использования зависимости «o—Aev» за Rто и Rтv соответственно принимают напряжения, совпадающие с точкой отклонения кривой от горизонтали, и с точкой пересечения с осью а. Для случая применения графика «о—V» и зависимости «о—uпо» Rто соответствует напряжению в точке отклонения кривой от горизонтали, a Rтv — напряжению при v=0,5.

Начальный модуль упругости ячеистого бетона определяют на призмах размером 10x10x30 см, выпиленных из готового изделия. Серия состоит из трех призм. Опорные поверхности призм после выпиливания нужно прошлифовать.

Вначале призмы центрируют (при нагрузке 0,2 Pпр) по физической оси аналогично тому, как это делается для тяжелого бетона. Для замера продольных деформаций на каждой грани призмы устанавливают по одному тензометру с измерительной базой 100 мм и точностью измерения 0,01 мм.

Загружают призмы ступенями по 0,1 Рпр. Отсчет по индикаторам снимают сразу после приложения нагрузки и после 5-минутной выдержки. Скорость загружения на каждой ступени — не более 0,2—0,3 МПа. Загружают образец до 0,5 Rпp. Еб' рассчитывают по формуле

где о1 и о2 — напряжения в образце при нагрузках, соответствующих напряжениям 0,5 Rnp и 0,1 Rnp; е2 и е1 — относительные деформации, соответствующие напряжениям о2 и о1 (Ае=е2—e1 для любого тензометра не должно отличаться более чем на 10% от среднего значения деформации для данного образца).

Еб определяют как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов; если E'б.мин < 0,8 Ев, значение Eб определяют по двум наибольшим E'б. Еб вычисляют с точностью до 100 МПа.

Определение деформационных характеристик бетона ультразвуковым методом, его особенности и применяемая аппаратура описаны ранее.

Динамический модуль упругости Eд по измеренным значениям v и р можно вычислить по формуле

Коэффициент k для продольных волн составляет: вдоль узкого стержня k1=1; в плите k2 =l—uд2 и в массиве

Динамический модуль сдвига Gд, по данным ультразвуковых измерений может быть рассчитан по формуле:

(здесь v2поп — скорость поперечных ультразвуковых волн). Между Eд и Gд имеется следующая взаимосвязь:

Eд и Gд могут быть также определены резонансным методом. Соотношения между Eб, Едультр и Eдреа непостоянны. Так, Eб/Eдрез изменяется, по данным разных исследователей, от 0,73 до 0,98. Обычно Едультр больше Едрез больше Еб.

Динамический коэффициент Пуассона uд можно приближенно принять по табл. IV.3 или вычислить на основании измерений двух каких-либо скоростей продольных (в стержне, плите или массиве) или поперечных волн. Скорость волн двух видов определяют измерением на одном и том же образце преобразователями разных размеров, изготовленных из одного и того же бетона по одной технологии.

При измерении скоростей следует исходить из Л=v/l и таких условий: для определения v в стержне — vст минимальный размер поперечного сечения должен быть в 4/10 раз меньше 2Л; для определения v в массе — vм этот размер должен быть в 2—3 раза больше Л; для определения V в плите — vпл должно быть (h/Л) < 0,5 (где h — толщина плиты).

При средней v=4000 м/с и серийных преобразователях от 25 до 150 кГц Л — от 15 до 3 см, поэтому, измеряя v в одном и том же образце, например размером 7,07х7,07х36 см, вдоль оси при использовании преобразователя 25 кГц, получим vст, а с преобразователем 150 кГц vм.

По полученным значениям любых двух скоростей можно рассчитать uд, например, по следующей формуле:

Деформационные характеристики бетона (EдGд, uдb) резонансным методом определяют на основании измерения частоты собственных колебаний бетонного образца.

Для измерения частоты собственных колебаний в бетонном образце возбуждают колебания, частота которых изменяется регулировкой генератора звуковой частоты. При совпадении собственных и возбуждаемых генератором частот колебаний возникает резонанс, которому соответствует максимальная амплитуда колебаний Амакс. Этот момент фиксируется на приборах максимальным отклонением стрелки или луча осциллографа.

Динамический модуль упругости в МПа равен:

(здесь р — плотность бетона, кг/см3; i — радиус инерции в плоскости момента сечения бруска, равный для прямоугольного сечения hV12 и для круглого сечения d/4, см; С — коэффициент, определяемый по графику на (рис. IV. 5); fож — частота собственных изгибных колебаний. Ед, МПа, можно определить во частоте собственных продольных колебаний fоп на основе зависимости

Бетон представляет собой упруговязкопластичный материал, поэтому более эффективно определять его качество по двум характеристикам: упругости Еб и логарифмическому декременту затухания b, характеризующему неупругие свойства и структурные дефекты материала. Затухание колебаний определяется сопротивлением, препятствующим колебанию частиц, т. е. внутренним трением материала. Логарифмический декремент затухания определяют по ширине резонансного пика и рассчитывают по формуле:

где f0 — собственная частота образца при продольных или изгибных колебаниях (частота резонанса), Гц; f1 и f2 — частоты колебаний, соответствующие амплитуде, равной 0,5 Aмакc до и после резонанса; А макс амплитуда колебаний при частоте f0.

Частоту f0 определяют в момент резонанса при Aмакс, затем уменьшают частоту колебаний, чтобы амплитуда колебаний уменьшилась до 0,5 Амакс (соответствующей f1). После этого частоту колебаний снова увеличивают, и при ее значениях, больших f0, амплитуда начинает уменьшаться; как только она достигнет 0,5 Амакс, регистрируют соответствующую ей частоту f2.

Имеются зависимости, связывающие изменение прочности бетона при твердении, а также под действием агрессивных факторов и замораживания с логарифмическим декрементом затухания.

Для испытания резонансными методами следует применять образцы призматической или цилиндрической формы, при этом длина образца должна быть больше стороны основания призмы (диаметра цилиндра) в 4 раза, а при определении fоп в 5 раз. Для определения b применяют балочки с соотношением сторон 1:0,7:4 (а:b:h). Крупность заполнителя должна быть не более 1/4 наименьшего размера образца.

Испытания резонансными методами проводят с помощью специальных установок, которые состоят из системы возбуждения (генератор звуковых частот и возбудитель механических колебаний) и системы приема (приемник механических колебаний, усилитель и индикатор). В качестве генератора частот используют генератор типа ЗГ-10, ЗГ-12, ГЗ-33 или другой с диапазоном частот от 50 до 20 тыс. Гц и точностью отсчета ±2%. Погрешность поддержания заданной частоты не должна превышать ±1%. Мощность на выходе от 0 до 5 Вт с плавной регулировкой в этом диапазоне. Масса вибрирующих частей возбудителя и приемника механических колебаний не должна превышать 1% массы испытываемого образца. Обычно применяют возбудители пьезоэлектрического и электродинамического типа, а приемник — электромагнитного или пьезоэлектрического типа. В качестве усилителя применяют осциллограф, электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) которого является индикатором.

Для определения fоп возбудитель должен соприкасаться с центром одного из торцов образца, а приемник — с центром противоположного торца.

Для определения fоп возбудитель должен соприкасаться с серединой верхней или нижней грани одного из торцов, а приемник — с серединой той же грани противоположного торца.

Для определения fок (частоты собственных крутильных колебаний) возбудитель должен соприкасаться с углом одного из торцов образца, а приемник — с другим углом той же грани, расположенным по диагонали по отношению к первому.

Бетонный образец после определения его геометрических размеров, массы и влажности устанавливают в специальное приспособление для возбуждения в нем колебаний. Под образцом находится подушка из губчатой резины, которая расположена под средней частью балочки. Длина подушки не более 0,25 l, ширина не менее b и b' больше b' больше 20 (здесь l, b длина и ширина бетонной балочки, а b' — толщина подушки). Вместо подушки приспособление может быть снабжено расположенными одна над другой ножевыми опорами, между которыми зажимают балочку в середине пролета. Указанную схему приспособления применяют при измерении собственных продольных и крутильных колебаний. Приспособление, предназначенное для испытаний по определению собственных изгибных колебаний, имеет две ножевые опоры, расположенные в одной плоскости. Балочку устанавливают на эти опоры, которые должны находиться на расстоянии 0,224 l от торцов. Ножевые опоры имеют резиновые выступы, с которыми контактирует бетонная поверхность образца.

После установки образца в соответствии со схемой иглу возбудителя колебаний приводят в соприкосновение с поверхностью образца. При бесконтактном способе зазор между поверхностью и кольцом диффузора должен быть 1,5—2 мм. Частоту колебаний звукового генератора изменяют таким образом, чтобы она совпала с частотой собственных колебаний образца. Частоту собственных колебаний fo определяют в момент максимального отклонения стрелки прибора. На индикаторах с ЭЛТ по фигурам Лиссажу (рис. IV.6) определяют отношение частот.

Для испытания качества бетона резонансным методом применяют разнообразные приборы: ИРЧ-3 и ИЧМК-2 (ЛЭТИ им. В.И. Ульянова-Ленина), ИАЗ (Ленинградская академия им. Можайского), ИЧЗ-5 и ИЧЗ-6 (б. Институт строительства и архитектуры АН Латвии), ПИК-8 (Союздорнии).

Приборы ИЧЗ-5 (ИЧЗ-6) позволяют вычислить логарифмический декремент затухания непосредственно по шкале прибора. Используя в аппаратуре, применяемой для испытаний резонансным методом, электронно-счетные установки (прибор типа ПИК-8), можно значительно повысить точность и надежность приборов. Уменьшить погрешность при испытаниях можно также, применив бесконтактный способ возбуждения колебаний в образце.

Аппаратура, выпускаемая для испытания бетона резонансным методом, позволяет определять прочность на относительно небольших образцах-балочках сечением до 20х20 см и длиной до 125 см. Прибор ДУК-20 (ранее выпускавшийся) снабжен электродинамическими преобразователями, позволяющими проводить измерение собственных частот колебания.

Аппаратура перечисленных типов изготовлялась различными организациями (главным образом, разработчиками) мелкими партиями.

Gд вычисляют по измеренным собственным крутильным колебаниям fок:

Значение К для образца круглого сечения — 1, квадратного — 1,183. Если h больше b, К вычисляют по формуле

где l — длина, h — высота, b — ширина образца, см,

uд рассчитывают по формулам:

- для образцов прямоугольного сечения

- для образцов круглого сечения

Деформативные характеристики бетона в конструкции могут быть определены путем испытания бетона методом отрыва со скалыванием. Для этой цели предложено устройство, принцип работы которого близок к работе прибора ГПНС-4, т. е. основан на выдергивании рабочего (вырывного) стержня, соединенного муфтой с тягой гидроцилиндра, снабженного измерительным устройством. Прибор опирается на бетонную поверхность кольцевым штампом, в прорезь которого пропущен вырывной стержень с разжимным конусом. На наружной поверхности стержня и внутренней поверхности кольцевого штампа расположены тензорезисторы. Нагрузку при испытании прикладывают ступенями. Если проскальзывание отсутствует, разность удлинения стержня и сжатия штампа дает абсолютную деформацию бетона в испытываемом слое. Если стержень проскальзывает в конусе, вводят соответствующую поправку на основании измерений деформации стержня.

Результаты измерений используют для построения зависимости «е—о» или «е—о/Rпр» и вычисления Eб. Авторы устройства правильно обращают внимание, на необходимость учета того фактора, что описанным методом определяют деформативные характеристики бетона при напряженном состоянии, отличном от того, какое наблюдается при испытании призм и кубов.





Яндекс.Метрика