Лабораторных образцов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Работа состоит из следующих этапов:

1. Испытание контрольных кубов с целью определения прочности бетона.

2. Определение прочности бетона в образцах неразрушающими методами.

3. Определение призменной прочности бетона.

4. Определение начального модуля упругости бетона.

5. Определение физико-механических свойств арматурной стали.

6. Освидетельствование образцов и подготовка их к испытаниям.

1. Испытание контрольных кубов бетона

Основная механическая характеристика бетона – кубиковая прочность, т.е. временное сопротивление сжатию R, определяется по контрольным кубам (не менее трех) размером 15х15х15 см, которые изготовляются и испытываются согласно ГОСТ 10180-78 «Бетон. Методы определения прочности на сжатие и растяжение». При образцах другого размер и другой формы (допустимых ГОСТ 10180-78) результаты испытаний приводят к показателям прочности эталонных образцов 15х15х15 см, умножая их на переводной коэффициент α, которыйдопускается устанавливать опытным путем. Переводные коэффициенты устанавливают отдельно для каждого класса бетона и каждой испытательной машины делением средней прочности бетона серии эталонных образцов на среднюю прочность бетона серии неэталонных образцов. Количество образцов-близнецов каждого размера в серии должно быть не менее 24. Минимальные значения коэффициентов приведены в табл.2. Размеры образцов принимаются в зависимости от наибольшей крупности зерен заполнителя и должны соответствовать указанным в табл.1.

Таблица 1.

Наибольшая крупность зерна заполнителя	Наименьший размер образца, мм
Ребро куба, сторона поперечного сечения балочки	Диаметр цилиндра
		-

Таблица 2.

Форма и номинальный размер образца, см	Переводной коэффициент α
Кубы:
	7х7х7	0,85
	10х10х10	0,91
	15х15х15	1,00
	20х20х20	1,05
	30х30х30	1,10
Цилиндры
	7х7	1,16
	10х20	1,16
	15х30	1,20
	20х40	1,24

Бетон в контрольных кубах должен уплотняться тем же методом, что и в опытных образцах, для возможности сопоставления их кубиковой прочности. Твердение и хранение кубов производят в одинаковых с лабораторными образцами термовлажностных условиях.

Перед испытанием кубы осматривают, измеряют и взвешивают. При осмотре определяют рабочие грани кубов, которые будут прилегать к плитам пресса, и отмечают их мелом. Опорные грани выбирают так, чтобы сжимающая сила была направлена параллельно слоям укладки бетона в формы. Грани должны быть чистыми и параллельны между собой.

Измерение размеров кубов производят штангенциркулем или металлической линейкой с точностью до 1 мм.

Каждый линейный размер образца вычисляют как среднее арифметическое результатов двух измерений по серединам двух противоположных граней.

Взвешивание кубов производят для определения их массы и средней объемной массы бетона. При отклонении частных значений объемной массы в кубах более чем на 3% от среднего значения серию кубов бракуют и не подвергают испытанию.

где: m – масса бетонного образца, кг;

V – объем образца, м³.

Нагрузка на образец при испытании должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью 0,6 МПа в секунду до его разрушения. Достигнутое в процессе испытания максимальное усилие принимают за величину разрушающей нагрузки.

Предел прочности образца при сжатии R (в МПа) вычисляют для каждого образца по формуле:

где: P – разрушающая нагрузка, кН;

F – средняя рабочая площадь образца, см²;

α – переводной коэффициент к прочности эталонного образца.

По результатам испытаний всех образцов серии определяют величину средней прочности по формуле:

где: - средняя прочность серии образцов данного размера, МПа;

R_i – предел прочности отдельных образцов данного размера в се рии, МПа;

n – количество образцов данного размера в серии.

Определяют также величину коэффициента вариации прочности бетона в серии образцов v формуле:

где: s – среднеквадратичное отклонение прочности бетона в серии образцов (в МПа), рассчитываемое по формуле:

Если в серии из трех образцов предел прочности любого крайнего образца отличается от предела прочности среднего образца более чем на 15%, оба крайних значения прочности отбрасывают и за среднюю прочность бетона принимают результат испытания среднего по прочности образца.

В сериях из двух образцов среднюю прочность бетона серии вычисляют как среднее арифметическое значение пределов прочности обоих образцов.

Результаты испытаний вносятся в табл. 3.

Таблица 3

№ п/п

Проектная марка

Дата испытания

Возраст в днях

Размеры образца, мм

Площадь F, см2

Объем образца V, м3

Масса образца m, кг

Разрушающая нагрузка P, кгс

Предел прочности образца Pi, МПа

Переводной коэффициент, α

Временное сопротивление сжатию R = Ri ∙α, кг/см2

Средняя прочность бетона R = ∑R/n, кг/см2

Примечание

Высота h

Ширина b

Длина a

Нормативное сопротивление бетона определим по формуле:

где: v – коэффициент вариации прочности бетона.

2. Определение прочности бетона в образцах

неразрушающими методами

Для оценки прочности бетона в образцах параллельно с разрушающим методом могут применяться неразрушающие методы.

ГОСТ 10180-78 «Бетон. Методы определения прочности.» рекомендует два наиболее распространенных неразрушающих метода: склерометрический и ультразвуковой импульсный.

К склерометрическим испытаниям прочности бетона относят:

а) испытание методом упругого отскока;

б) испытание методом пластических деформаций.

Для склерометрических испытаний используют приборы механического действия, например, эталонный молоток НИИМосстроя (Кашкарова), пушку ЛИСИ, склерометр ЛИСИ СД-2, склерометр КМ и другие. Этим методом можно определить только прочность поверхностного слоя бетона.

В практике широкое применение получил молоток НИИМосстроя. При ударе молотком по бетонной поверхности на ней и на эталонном стержне диаметром 10 мм, изготовленном из стали класса A-I, образуются отпечатки. Отношение диаметра отпечатка на бетоне d_б к диаметру отпечатка на эталоне d_э является косвенным показателем прочности бетона. При этом значения d_б и d_э определяются как средние арифметические величины диаметров лунок на поверхностях бетона и эталона после нанесения 10 ударов молотком. Расстояние между центрами отдельных отпечатков на бетоне должно быть не менее 30 мм. Испытание проводят в местах, удаленных от арматуры на расстояние не менее 20 мм.

При выборе места испытаний обращают внимание на отсутствие выступающих инертных заполнителей и обеспечение качественной зачистки цементного камня.

Диаметры лунок замеряют специальной металлической линейкой с точностью до 0,1 мм.

Прочность бетона по найденному отношению d_б / d_э, определяется с помощью тарировочной кривой, составляемой для каждого прибора (рис. 1).

Определение прочности бетона ультразвуковым методом производится в соответствии с ГОСТ 17624-87. Этот метод дает возможность определить структуру и прочность всей толщи испытуемого образца, в частности, обнаружить дефекты укладки (пустоты, каверны, трещины). Сущность его заключается в том, что о прочности бетона судят по косвенной характеристике – скорости прохождения через бетон продольной ультразвуковой волны.

При определении скорости ультразвука измеряют время прохождения через бетон переднего фронта продольной ультразвуковой волны. Затем измеряют расстояние между излучателем и приемником.

Скорость ультразвука в бетоне v (м/с) опредеяют по формуле:

где: l – кратчайшее расстояние между излучателем и приемником (база прозвучивания), мм;

t – время распространения волны с учетом поправки на прохождение колебания через замкнутый акустический тракт, мкс.

По установленной опытным путем зависимости «скорость-прочность» строят тарировочную кривую, по которой определяют прочность бетона в конструкции. Для каждого состава бетона строят свою тарировочную кривую (рис. 2). Этот метод наиболее эффективен при массовом поточном изготовлении изделий, когда тарировочные кривые определены с наибольшей надежностью.

В каждом образце испытание осуществляют в четырех-пяти точках при одной и той же базе между искательными головками. Данные измерений прочности бетона заносят в журнал в табличной форме (табл. 4).

Для испытаний бетона ультразвуковым методом применяют усовершенствованный прибор с электронно-лучевой трубкой – УКБ-1М и новые цифровые приборы типа УК-10П и УК-12П, выпускаемые Кишиневским заводом «Электроточприбор».

В итоге испытаний прочности бетона в лабораторных образцах следует сравнить результаты, полученные различными методами, и определить величину их отклонения от результатов, получаемых основным методом.

Таблица 4

Марка бетона	База, см	Диапазон отсчета	Показания по шкале	Время прохождения ультразвука, мкс	Скорость ультразвука, м/с	Средняя скорость ультразвука, м/с	Средняя прочность бетона в образцах R, МПа	Наличие внутренних дефектов

3. Определение призменной прочности бетона разрушающим методом

Определение призменной прочности указанным методом является основным, наиболее точным и применяется для определения основных механических свойств бетона при лабораторных исследованиях.

Призменная прочность – временное сопротивление сжатию (в МПа) бетонного образца призменной формы сечением 15х15 см и высотой 60 см, изготовленного при горизонтальном положении вертикальной оси. Призменную прочность можно также определить на бетонных образцах сечением 20х20 см, 10х10 см, 7х7 см с четырехкратной высотой образца при наличии переводных коэффициентов от прочности этих образцов к прочности призмы 15х15х60 см, принятой за эталон.

Выбор размера образца производят в зависимости от массивности и размеров конструкции и наибольшей крупности заполнителя бетона.

Образцы призм перед испытанием осматривают, измеряют и взвешивают, определяют их объемную массу.

При установке между опорными плитами пресса призма центрируется по геометрической и физической оси. Для этого нагрузку дают ступенями, равными примерно 0,1; 0,2; 0,3 от ожидаемой разрушающей, и проверяют показания тензометров, установленных по центру граней. При одинаковых или близких по величине деформациях (отклонения не более ±5% от средней величины) считается, что физическая ось практически совпадает с геометрической осью. В противном случае образец разгружается и переустанавливается. После центрирования образца приборы снимаются, и образец подвергается нагружению со скоростью 6÷4 кгс/см² в 1 сек до разрушения.

Для вычисления призменной прочности определяют предел прочности при сжатии каждого образца (в кгс/см²) делением величины разрушающей нагрузки (в кгс) на рабочую площадь образца (в см²). Затем вычисляют среднее арифметическое пределов прочности не менее трех образцов одной серии с точностью до 1 кгс/см², полученный результат в случае необходимости умножают на переводной коэффициент от прочности неэталонных образцов к прочности эталонной призмы. Если наименьший результат испытания одной из призм отклоняется более чем на 15% от среднего большего показателя, этот результат отбрасывается и призменную прочность по оставшимся увеличенным показателям. Результаты испытаний призм заносят в табл. 5.

Таблица 5

№ п/п

Возраст, сут

Размеры призм, мм

Площадь F, см2

Масса призм m, кг

Разрушающая нагрузка P, кН

Предел прочности при сжатии Rbi, МПа

Средняя призменная прочность серии Rbср, МПа

Переводной коэффициент, к

Ri=Rbср∙к, МПа

Примечание

Высота, h

Ширина, b

Длина, l

По величине R_b, полученной в результате испытания призм, определяют нормативную призменную прочность бетона, которую для основных классов бетона можно принять

Нормативную призменную прочность для тяжелого бетона определяют по формуле

Величины Rⁿ и R принимают по данным п. 1. Полученные результаты следует сравнить между собой.

4. Определение начального модуля упругости бетона

За начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимается отношение нормального напряжения в бетоне σ к его относительной деформации ε при величине напряжения сжатия

Для определения начального модуля упругости бетона проводят испытания серии эталонных призм размером 15х15х60 см.

Образцы нагружают ступенями, примерно по 0,1 от ожидаемой разрушающей нагрузки (принимается по величине, вычисленной в п.3). На каждой ступени следует выдерживать нагрузку 5 минут и записывать отсчеты по приборам в начале и в конце выдержки ступени нагрузки в журнал.

Допускается после поднятия нагрузки до ступени 0,6 от ожидаемой разрушающей приборы снять, а образец довести до разрушения со скоростью 0,6 МПа в 1 с.

Перед испытанием образа проверяют совпадение его геометрической и физической оси по методике, изложенной в п. 3.

Частные значения начального модуля упругости для каждого образца вычисляют по формуле

,

где: Δ σ – приращение напряжения при увеличении нагрузки со ступени до ступени , МПа;

Δ ε – разность между полной деформацией ε, измеренной после выдержки под нагрузкой, равной , и остаточной деформацией, измеренной после выдержки под напряжением . За начальный модуль упругости бетона принимают среднее значение, вычисленное по формуле

где: n – переводной коэффициент от величины модуля упругости, вычисленного по результатам испытаний неэталонных образцов, к величине начального модуля упругости, полученного при испытании эталонной призмы 15х15х60 см. Он устанавливается для каждой марки бетона путем деления среднего арифметического показателя эталонных образцов на средний арифметический показатель неэталонных образцов. Результаты испытаний заносят в тал. 6. Таблица 6

Призма №

Высота h =

см;

F = см2

Ширина b =

см;

Т-3

Длина а =

см;

Т-1

Т-2

=

МПа;

P =

кН

Т-4

Величина ступени

Велчина нагрузки, кН

Величина напряжения, МПа

Время снятия отсчетов

№ прибора ......

№ прибора ......

№ прибора ......

№ прибора ......

Т-1

Т-2

Т-3

Т-4

С

ΔС

∑ ΔС

С

ΔС

∑ ΔС

С

ΔС

∑ ΔС

С

ΔС

∑ ΔС

Теоретически начальный модуль упругости можно вычислить по формуле

где: R – принимается по результатам испытания кубов в п. 1.

При напряжениях выше возможны отклонения от линейной зависимости между напряжениями и деформациями, появление которых зависит от марки бетона и времени нагружения. Поэтому при напряжениях, превышающих зависимость между напряжениями и деформациями становится криволинейной и в расчеты вместо модуля упругости вводится деформаций, который представляет собой тангенс угла наклона секущей, проведенной из начала координат до точки на кривой, соответствующей рассматриваемому напряжению.

5. Определение физико-механических свойств арматурной стали

Стержневую и проволочную арматуру испытывают на растяжение в соответствии с ГОСТ 12004-81 «Стальарматурная. Методы испытаний на растяжение».

Испытание арматурной стали производят на универсальной испытательной машине (ГМС-50) до разрушения, в результате чего устанавливают ее основные свойства:

а) для сталей с физическим пределом текучести – предел текучести σ _т, МПа;

б) для сталей с условным пределом текучести – условный предел текучести σ _0.2 (МПа) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2%;

в) временное сопротивление разрыву (предел прочности) σ _в, МПа;

г) относительное удлинение после разрыва δ, %.

Количество образцов, отбираемых для испытаний, зависит от класса арматуры и колеблется от 2 до 5 штук. Отработка методики проводится путем испытания стержневого образца. Образцы изготавливаются с припусками, предохраняющими от влияния нагрева или наклепа. Величина припуска устанавливается не менее 20 мм при диаметре стержней до 60 мм и не менее 30 мм при больших диаметрах.

Общая длина образцов, испытываемых на растяжение, выбирают с таким расчетом, чтобы участок между губками захвата разрывной машины составлял для стержней диаметром до 20 мм и включительно не менее 200 мм, при больших диаметрах – не менее 10∙d, а для арматурных прядей – не менее 350 мм.

Перед испытанием на средней части образца для определения относительных удлинений с помощью калиброванных скоб наносят риски и штангенциркулем замеряют диаметр стержня в трех местах по длине.

Площадь поперечного сечения вычисляют по наименьшему из полученных диаметров.

Расстояние между двумя соседними рисками зависит от диаметра стержней. При диаметрах менее 10 мм оно принимается не более 5 мм, а для всех остальных – не более величины номинального диаметра.

Для стержней периодического профиля начальную площадь поперечного сечения определяют по формуле

где: M – масса образца, г; ρ – плотность стали, ρ = 0,00785 г/мм³; l – длина, мм.

Массу образца диаметром до 10 мм определяют с точностью до 1 г, диаметром 10÷20 мм – до 2 г и диаметром более 20 мм – до 10 г.

Временное сопротивление разрыву определяют с точностью до 0,05 МПа по формуле

где: P_max - наибольшая нагрузка по силоизмерителю испытательной машины, кН.

Относительное удлинение после разрыва определяют с точностью до 0,5% по формуле

где: l_k – конечная расчетная длина образца (мм), включающая участок разрыва, измеряемая с помощью делительных рисок;

l_о – начальная расчетная длина, мм (100 мм для стержней диаметром менее 10 мм, а для всех остальных – 5 диаметров).

Длины l_k и l_о измеряют с точностью до 0,5 мм.

Физический предел текучести определяют по формуле

где: P_т – наименьшая нагрузка, при которой образец деформируется без увеличения усилия (определяется по шкале испытательной машины).

Условный предел текучести определяют по формуле

где: P_0,2 – нагрузка, соответствующая условному пределу текучести. P_0,2 устанавливается аналитическим или графическим способом из полученной диаграммы растяжения (рис. 3). При определении условного предела текучести графическим способом диаграмму растяжения P – Δl следует строить в таком масштабе, чтобы 0,1% деформации образца соответствовал участок оси ординат длиной не менее 10 мм, а нагрузке, соответствующей условному пределу текучести, - участок от оси абсцисс не менее 100 мм.

Результаты испытаний сводят в табл. 7.

Таблица 7

Марка образца	Диаметр образца d, мм	Площадь сечения F0, мм	Начальная расчетная длина lo, мм	Расчетная длина после испытания lk, мм	Относительное удлинение δ, %	Нагрузка при пределе текучести PТ , кН	Прел текучести σТ, МПа	Разрушающая нагрузка Pmax, кН	Временное сопротивление разрыву σв	Класс стали	Примечание

6. Освидетельствование образцов и подготовка их

к испытаниям

Освидетельствование лабораторных образцов производится для установления их действительных размеров и дефектов изготовления.

С помощью линейки или рулетки с точностью до 1 мм измеряют размеры поперечного сечения, расчетные пролеты (длины) образцов, величину защитного слоя арматуры. Размечают места опор, приложения сил, установки приборов. При осмотре отмечают имеющиеся повреждения: раковины, усадочные трещины, отколы бетона, которые могут повлиять на результаты испытания. Все это отражают в дефектной ведомости. Величину защитного слоя определяют путем вскрытия арматуры после разрушения образцов, но ее можно определить и до начала испытаний с помощью измерителя защитного слоя марки ИЗС-8 ЛИСИ или приборами других марок.

После освидетельствования лабораторные образцы устанавливают на испытательной машине, оснащают необходимыми приспособлениями и измерительными приборами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2