Методы определения прочности бетона, основанные на испытании на отрыв и скалывание

Группа механических методов определения прочности бетона путем испытания на отрыв и скалывание делится на два вида: первый основан на зависимости между Rсж и степенью сцепления металла с бетоном; второй — на определении Rсж по результатам испытания бетона на разрыв и скалывание.

Методы, основанные на определении качества бетона, исходя из зависимости Rсж от Rсц нельзя признать достаточно надежными, так как это отношение колеблется в широких пределах. Зависимость прочности сцепления арматуры (металла) с бетоном от прочности бекона на сжатие обусловлена составом бетона, особенностями его укладки и другими факторами. Так, например, установлено, что с увеличением расхода цемента при постоянном водоцементном отношении прочность сцепления понижается. Существенное влияние на Rсж оказывают условия твердения, поэтому равнопрочные бетоны разного состава или возраста не будут иметь одинаковой Rсц. В значительной мере Rсц зависит от объемных деформаций бетона. С увеличением последних она уменьшается. Разная степень изменения Rсж и Rсц при замораживании, пропаривании и электропрогреве бетона была подтверждена С.А. Мироновым и В.М. Медведевым, поэтому методы, основанные на оценке прочности бетона по прочности его сцепления с металлом, нельзя рекомендовать для определения Rсж. Однако принцип контроля качества бетона по прочности его сцепления с арматурой может быть использован для оценки готовности бетона в производстве предварительно-напряженных железобетонных конструкций.

Известно, что в настоящее время возможность передачи давления на бетон путем разрезки проволоки при изготовлении струнобетонных конструкций определяется испытанием контрольных кубов. Ho способность бетона воспринимать усилия от напряжений проволоки зависит не только от его прочности при сжатии, но и от прочности его сцепления с арматурой, определяющей невозможность проскальзывания струн. Контроль готовности струнобетона только по испытаниям прочности стандартных кубов нередко вызывает ненужное увеличение сроков термообработки изделий, а иногда, в случае недостижения требуемых значений Rсц, к проскальзыванию струн и потере напряжения.

Чтобы учесть возможность колебаний Rсц при заданной прочности бетона (28—30 МПа), применяют дополнительный контроль по проскальзыванию струны. Однако такой контроль не всегда легко осуществим, а проводить измерение на проволоке с требуемой точностью 0,1 мм довольно трудно, поэтому целесообразнее определять готовность струнобетона по усилию, потребному для выдергивания из бетона арматурных (проволочных) стержней, специально закладываемых в конструкцию при ее бетонировании. Диаметр и вид проволоки в этом случае должны быть такими же, как и при армировании конструкции. Выдергивать стержни можно различными приборами, позволяющими определить усилие. Зная усилие Р, легко рассчитать Rсц=P/пld (где d — диаметр арматуры; l — длина заделки).

Значительно большую точность определения Rсж обеспечивают методы второго вида этой группы.

Метод испытания на отрыв со скалыванием по ГОСТ 21243—75 основан на определении Rсж по усилию Р, необходимому для отрыва и скалывания куска бетона из конструкции. Так же как и другие наразрушающие методы, данный метод использует зависимость «косвенная характеристика — прочность». Однако связь «Р—Rсж» более тесная и меньше зависит от влияния различных факторов, чем при использовании других косвенных характеристик, поэтому возможно использование заранее нормированных зависимостей (с учетом различных факторов) без построения их для каждого исследуемого бетона. Большая точность и надежность описываемого метода связаны с большей трудоемкостью испытаний.

Для осуществления метода в теле бетона устанавливают анкерное устройство, которое затем выдергивают с помощью, например, гидравлического пресса-насоса. При этом за счет отрыва со скалыванием вместе с анкерным устройством отделяется часть (кусок) бетона. Измеряют усилие вырыва P и по зависимости Rсж=f(P) вычисляют Rж.

Анкерные устройства (табл. III.9) типа I устанавливают в конструкции до бетонирования, а типов II и III — в готовые конструкции. Возможна установка типа I в готовые конструкции. В этом случае после установки рабочего стержня в отверстие его зачеканивают цементным тестом из высокомарочного цемента. Перед установкой стержня отверстие смачивают водой и протирают тампоном для улучшения сцепления цементного камня со старым бетоном. Опыт показывает, что ори выдергивании установленных таким образом рабочих стержней разрыв обычно происходит по бетону конструкции.

Сверлить отверстия (шпуры) в бетоне для установки анкерных устройств можно при помощи следующих приспособлений: пневматической сверлильной машины ИП-1023 (Московский завод «Пневмостроймашина») с алмазными сверлами формы СКА-1, электрических сверлильных машин с победитовыми наконечниками (d=24 и 28 мм), а для бетонов низких и средних марок — также шлямбуров d=24/26 и 28/30 мм.

Расстояние между анкерными устройствами должно быть не менее 25 см, а от грани конструкции до устройств — не менее 15 см. Глубину заделки h принимают по табл. III.12. В зоне вырыва не должна располагаться арматура. Если испытываемая поверхность офактурена, на участке испытания фактурный слой должен быть снят на площади 15x15 см.

Для вырывания анкерных устройств применяют приборы (табл. III.10), которые обеспечивают равномерное приложение нагрузки со скоростью 3 кН/с и погрешность измерения не более ±2%. Приборы подлежат ведомственной поверке не реже одного раза в два года, а также после ремонта прибора или смены манометра.

Принцип работы прибора ГПНВ-5 (рис. III.8) состоит в следующем. Вращая ручку прибора, подают масло в рабочий цилиндр, и находящийся в нем поршень поднимается, сжимая возвратную пружину. Перемещаясь вверх, поршень, соединенный с помощью специального штока и подвесной муфты с анкерным устройством, вырывает последнее с частью бетона. Манометр фиксирует максимальное давление на рабочий поршень, соответствующее усилию вырыва. Возвратная пружина после выдергивания анкерного устройства обеспечивает возврат поршня в исходное положение. Прибор ГПНВ-5 в процессе испытания опирается двумя ножками на бетонную поверхность, поэтому очень важно обеспечить центрирование анкерного устройства при его установке и совмещение его оси с усилием вырыва.

Методы определения прочности бетона, основанные на испытании на отрыв и скалывание

Прибор ГПНС-4 (рис. III.8) представляет собой гидравлический пресс-насос, работающий с анкерным устройством типа III. При создании давления В цилиндре рабочий поршень давит на опорный стержень, который упирается в дно шпура. Полый разжимной конус, соединенный с корпусом прибора, перемещается при этом в противоположном направлении и, раздвигая сегменты щеки, разрушает (скалывает) бетон. При использовании ГПНС-4 отпадают операции по центрированию.

Результаты испытаний учитываются при подсчетах, если глубина вырыва отличается от глубины заделки не более чем на 5%, а наибольший и наименьший размеры вырванной части бетона в плане отличаются друг от друга не более чем в 2 раза. Расчет Rсж, МПа, ведут по формуле: Rсж=0,1amP. При этом коэффициент пропорциональности а принимают по табл. III.11, m=1 — для наибольшей крупности заполнителя 50 мм и m=1,1 при большей крупности. Значение а можно определить экспериментальным путем. Для этого испытывают не менее 15 серий образцов. Каждая серия состоит из трех кубов и плиты 15x30x130 см, на которой проводят 5 вырывов. Значение а вычисляют по формуле

С целью повышения точности определения Rсж рекомендуется определять значения а для отдельных видов бетонов конкретного предприятия (организации).

Если при испытаниях конструкций величина hф отличается от номинальной более чем на 1 мм, значение Rсж определяют по формуле

и используют только для ориентировочной оценки качества бетона.

Прибор ГПНВ-5 имеет в одной ножке стальной шарик, с помощью которого при усилии 10 кН получают отпечаток на поверхности бетона. Это позволяет при необходимости провести испытания методом пластической деформации. Возможна установка в ножке эталонного стержня, что позволяет проводить измерение твердости в более широком диапазоне давлений.

Имеются предложения по конструкции прибора для испытаний бетона конструкций, находящихся под водой, на отрыв со скалыванием и методом пластической деформации.

Метод испытания на отрыв (ЦНИЛ Главкиевгорстроя) по ГОСТ 22690.3—77 основан на зависимости между Rсж и прочностью бетона на отрыв. На предварительно защищенную поверхность с помощью эпоксидного клея приклеивают стальной диск, имеющий с одной стороны стержень с винтовой нарезкой. После того, как клей затвердеет, производят отрыв диска, например с помощью прибора ГПНВ-5. Возможно применение других приборов, обеспечивающих плавную передачу нагрузки со скоростью не более 1 кН/с, максимальным усилием отрыва не менее 25 кН, погрешность измерения которого не должна превышать ±5%. При отрыве вместе с диском отрывается часть бетона. По тарировочной зависимости между Rсж и напряжением отрыва Rотp определяют прочность бетона.

Для приклеивания стальных дисков рекомендуются эпоксидные клеи следующих составов (в частях по массе):

а) на основе эпоксидной смолы ЭД-5: смола 100; полиэтиленполиамин (отвердитель) 10 и цемент (наполни-нитель) 40;

б) на основе эпоксидной смолы ЭД-6: эпоксидная смола 100; полиэтиленполиамин 10; дибуталфталат (пластификатор) 20 и цемент 40. Клей сохраняет свои свойства в течение 40—50 мин с момента приготовления.

Для обеспечения прочного склеивания в месте установки диска бетон не должен быть загрязнен маслянистыми материалами, а его поверхность должна иметь w<5%. Чтобы клей не соприкасался с бетоном за пределами поверхности диска, вокруг него предварительно наклеивают бумажное кольцо шириной 1,5—2 см.

Клей наносят на стальной диск и на подготовленную поверхность бетона слоем 1 мм, выдерживают примерно 10 мин, а затем приклеивают диск к бетону, используя для его прижима пригруз массой 1,5—2 кг. Поскольку при испытании вертикальных и наклонных поверхностей установка пригруза невозможна, то для прижима дисков последние по контуру обмазывают гипсовым раствором, который быстро затвердевает и фиксирует диск на период твердения эпоксидного клея (рис. III.9), При проведении испытаний затвердевший гипсовый раствор легко отрывается от бетона и не влияет на показания прибора. Отрывают диск не ранее чем через 24 ч после их приклеивания.

При отрыве разрушение проходит не по клею, а по бетону с отделением от бетонной поверхности круглой пластинки бетона диаметром, равным диаметру диска.

Для определения Rст используется зависимость, связывающая ее с прочностью бетона на отрыв Rотр, которая определяется как частное от деления вырывного усилия на площадь проекции на плоскость диска поверхности отрыва бетона: Rotp=Potp/F.

Диски должны иметь толщину 10 мм; Ra=20 мкм. Минимальная толщина участка конструкции 5 см. На участке проводят одно испытание, предварительно сняв 0,5—1 мм поверхностного слоя и обеспылив поверхность. Скорость загружения <1 кН/с.

После испытания следует осмотреть оторванные диски. Если оторванная часть бетона меньше площади диска, измеряют фактическую площадь отрыва. Если площадь отрыва меньше 80% полной площади диска, результаты испытания не учитывают и опыт следует повторить. Для многократного использования стальных дисков их очищают от приклеившегося бетона. Для этого диски помещают вначале на 10 мин в кипящую воду, а затем резко охлаждают в обычной водопроводной воде. После этого легкими ударами молотка отделяют бетон.

При построении тарировочной зависимости перед испытанием на сжатие образцы испытывают на отрыв. В отличие от метода испытания на отрыв со скалыванием, описанный метод позволяет осуществлять тарировочные испытания на одних и тех же образцах.

В исследованиях, проведенных ЦНИЛ Главкиевгорстроя, использовались диски диаметрами 20, 30, 40, 60, 80, 100 и 150 мм. При dнаиб заполнителя <40 мм рекомендуются диски диаметром 60 мм, при dнаиб больше 40 мм — 80 мм. Исследования показали, что для бетона одинаковой прочности на сжатие значение Rотр уменьшается при увеличении диаметра диска. Для дисков диаметром 40, 60 и 80 мм установлен коэффициент k, равный соответственно 0,72; 1,00 и 1,05. Толщина диска должна быть не менее 10 мм. Метод применим для испытания тяжелого бетона и бетона на пористых заполнителях.

При построении зависимости «Rсж—Rотр» (и оценке прочности) нужно учитывать требования, приведенные при описании метода пластической деформации и ГОСТ 21217—75. Размер образцов 20x20x20 см. На каждом образце следует проводить по одному испытанию на двух противоположных поверхностях.

Метод скалывания ребра конструкции (НИИСК Госстроя России) по ГОСТ 22690.4—77 основан на измерении усилия скалывания части бетона в ребре конструкции (рис. III.10). Испытательное оборудование для реализации этого метода состоит из прибора типа ГПНВ-5 и дополнительного устройства УРС. Такой комплект обеспечивает испытания изделий с A 180 мм, 200 мм и 40 мм.

Для испытаний на изделии устанавливают и закрепляют скобу, завинчивая гайки тяг. Затем устанавливают загрузочный крюк и соединяют его с помощью переходной муфты с прибором ГПНВ-5, после чего, вращая ручку прибора, начинают передавать усилие на крюк. Загружение продолжают до момента скалывания части ребра, при этом фиксируют с помощью силоизмерителя прибора ГПНВ-5 максимальное усилие Рмакс. В качестве силовозбудителя и силоизмерителя можно использовать и другие приборы, при этом они должны обеспечивать: измерение Рмакс больше 30 кН с погрешностью не более ±5%; приложение нагрузки — плавное со скоростью не более ЗкН.

Глубина скола а (см. рис. III.10) может составлять 10, 20 или 30 мм. При изменении а требуемое значение а обеспечивается геометрией испытательного устройства УРС.

Проведенные в НИИСК Госстроя Украины сопоставительные испытания 755 образцов тяжелого бетона различных составов с Rсж от 7 до 70 МПа, изготовленных на четырех заводах ЖБИ, позволили установить нелинейную корреляционную зависимость между Rсж и Pмакс со среднеквадратичным отклонением 14%. Хотя опыт применения данного метода и прибора (рис. III.11) еще невелик, есть основания полагать, что он будет обеспечивать высокую точность определения Rсж. Применение метода не требует устройства в теле бетона отверстий или наклейки отрывных устройств. Однако необходимы свободный доступ к ребру изделия и его определенные геометрические размеры.

При построении зависимости «Rсж—Рмакс» и оценке прочности нужно руководствоваться требованиями, прицеленными при описании метода пластической деформации, ГОСТ 21217—75, а также следующими особенностями. Размер образцов 20х20x20 см. На каждом образце следует проводить по одному испытанию на каждом иго боковом ребре. Прочность бетона в образце, полученную при последующих его испытаниях на прессе, нужно увеличить на 5% при прочности до 50 МПа и на 10% при прочности более 50 МПа.

Бетон в конструкции испытывают, скалывая часть бетона и ее ребре. На участке конструкции выполняют два испытания и определяют среднее значение. При определении среднего не учитывают испытания, при которых после скалывания бетона обнажается арматура или при отклонениях от заданной глубины скалывания а (см. рис. III.10) более 20%.

Метод испытания прочности ячеистого бетона заключается в выдергивании винтовых стержней, предварительно вкрученных в тело ячеистого бетона. Применяют винтовые стержни в виде штопора или шурупа. Первые могут быть вкручены в ячеистый бетон без предварительного просверливания отверткой, но они пригодны для испытания бетона с Rсж не более 4—5 МПа. Использование второго типа стержней не имеет ограничений в части прочности бетона, но требует просверливания в Гитоне отверстий диаметром, равным внутреннему диаметру резьбы шурупа. Авторы прибора применяли шурупы, изготовленные из стали Ст. 45, длиной 25—30 мм, диаметром резьбы внешним 6 мм и внутренним 3 мм, с шагом резьбы 10—12 мм; диаметр проволоки 2 мм. Для вкручивания шурупов применяют приспособление в виде винта с рукояткой, установленного на стойках. Винт с помощью стержня сцепления и вилки соединяют с шурупом. Шаг винта приспособления равен шагу резьбы шурупа, в результате чего исключается влияние усилия руки при вкручивании шурупа.

Выдергивают винтовые стержни с помощью довольно простого прибора, в котором для измерения усилия применяют динамометры типа ДТ-0,2 или ДТ-0,5 Rсж вычисляют по предварительно установленной зависимости «Rсж—Рв» (вырывное усилие).