Патент на изобретение №2390018

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ БЕТОНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области строительства и предназначено для исследования прочностных свойств материалов, а именно трещиностойкости, и может быть использовано при оценке свойств бетонов, применяемых в конструкциях и изделиях. Способ определения трещиностойкости бетона включает нагружение бетонных образцов сжимающими и растягивающими усилиями, определение и сравнение параметров, характеризующих их физические свойства – , E, µ, R_сж, L_пр, замеренные после высушивания до стабилизации массы и в водонасыщенном состоянии, причем процесс высушивания – стабилизации массы, протекает при влажности 40% и температуре 18-20°С, а процесс водонасыщения – при атмосферном давлении до стабилизации массы, и оценку трещиностойкости по коэффициенту трещиностойкости К_тр с помощью метода интеграции всех трещин, присутствующих в бетонном образце в одну приведенную трещину, величину длины которой рассчитывают по формуле L_пр=2E/(µ²R_сж²), где – поверхностная энергия бетона, Дж/м², Е – модуль упругости бетона, МПа, µ – коэффициент Пуассона, R_сж – прочность бетона на сжатие, МПа, а коэффициент трещиностойкости рассчитывают по формуле , где – длина приведенной трещины у сухих образцов, м, – длина приведенной трещины у водонасыщенных образцов, м. Технический результат – повышение точности и достоверности определения трещиностойкости бетона. 2 табл.

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам определения трещиностойкости, предназначено для исследования прочностных свойств материалов путем приложения к ним сжимающих статических нагрузок и может быть использовано при оценке свойств бетонов, применяемых в конструкциях и изделиях.

Способ определения трещиностойкости бетона заключается в следующем. Изготавливаются образцы, причем для достоверности физико-механических характеристик они испытываются в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, составы образцов отличаются наличием химических добавок, расходом цемента и водоцементным отношением.

Известен метод определения трещиностойкости материалов при равновесных испытаниях образцов с фиксацией размеров развивающейся трещины /ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости, вязкости разрушения при статическом нагружении. [Текст]. – Введ. 1992-01-01. – М.: Изд – во стандартов, 1991. – 30 с./ [1]. В этом случае размер трещины определяется в процессе поэтапного нагружения с выдержками по 60-120 с. В качестве метода фиксирования результатов принимается микроскопическое наблюдение.

Недостатком этого способа является прерывистость испытаний, которая не дает полной картины развития трещины в любой промежуток времени, а также учитывая высокую скорость процесса, метод микроскопического наблюдения не дает точных данных.

Известен способ определения критической длины магистральной трещины путем испытания партии образцов с искусственно созданной трещиной, вдвое превышающей максимальный размер включений композитного материала, и партии образцов, не имеющих такой трещины. По величинам предельных напряжений определяют критическую длину трещины /А.с. СССР 819618, МКИ³ G01N 3/08. Способ определения характеристики трещиностойкости материалов. / Л.П.Трапезников, В.И.Пащенко, АЛ.Пак (СССР). – 2496382/25-28; заявл. 17.06.77; опубл. 07.04.81, Бюл. 13. – 2 с./[2]. Принят за прототип.

Недостатком способа является недостаточная точность и достоверность определения критической длины макротрещины ввиду того, что пределы прочности испытываемых образцов с искусственной трещиной и без нее определялись только при одной (стандартной) скорости нагружения.

Сущностью изобретения является повышение качества строительных материалов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности определения критической длины магистральной трещины, спектра физико-механических характеристик, а также коэффициента трещиностойкости бетона.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем нагружение бетонных образцов сжимающими и растягивающими усилиями, определение и сравнение параметров характеризующих их физические свойства в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, причем процесс высушивания – стабилизации массы, протекает при влажности 40% и температуре 18-20°С, а процесс водонасыщения – при атмосферном давлении до стабилизации массы, и оценку трещиностойкости по коэффициенту (К_тр), особенностью является то, что оценку трещиностойкости производят с помощью метода интеграции всех трещин, присутствующих в бетонном образце в одну приведенную трещину, а в качестве определяемых и сравниваемых параметров используют значения комплекса физико-механических характеристик (, E, µ, R_сж, L_пр), замеренных после высушивания до стабилизации массы и в состоянии полного водонасыщения при атмосферном давлении и одинаковых составах бетона; величину длины приведенной трещины рассчитывают по формуле:

где – поверхностная энергия бетона, Дж/м²;

Е – Модуль упругости бетона, МПа;

µ – коэффициент Пуассона;

R_сж – прочность бетона на сжатие, МПа,

а коэффициент трещиностойкости рассчитывают по формуле:

где – длина приведенной трещины у сухих образцов, м;

– длина приведенной трещины у водонасыщенных образцов, м.

Прочность бетонных образцов (кубов 0,1×0,1×0,1 м) на сжатие (RCM) определялась в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-74, «Бетон тяжелый. Методы определения прочности», на прессе марки П-50.

Модуль упругости (E) и коэффициент Пуассона (µ) определялись по импульсно-акустическому методу с использованием ультразвукового прибора УКБ – 1 м. Акустические характеристики измерялись на кубах в соответствии с требованиями методики МИ II-74.

Определялась объемная масса бетона () в соответствии с требованиями ГОСТ 12730-67.

Измерялось время прохождения продольных (_l) и поперечных (_cg) ультразвуковых волн и база прозвучивания (l).

Вычислялись скорости прохождения продольных (с_l) и поперечных (c_cg) ультразвуковых волн по зависимости:

где l – база прозвучивания, м;

– время прохождения сигнала через элемент преобразователя и контактную смазку, с;

– время распространения ультразвукового импульса на базе, измеренное с помощью прибора, с.

Производилось вычисление значений коэффициента Пуассона по методике МИ II-74.

Вычислялся модуль упругости по этой же методике.

Поверхностная энергия () определялась по энергии импульсов акустической эмиссии, выделявшихся при образовании в материале трещины определенной площади, загружением образца, растягивающими усилиями. Образец выполнен в форме пластины размерами 0,16×0,13×0,02 м, с инициаторами трещины длинной по 0,01 м, исходящими из цилиндрического отверстия 0 0,02 м, устроенного в геометрическом центре пластины.

При нагружении образцов растягивающим усилием импульс акустической эмиссии, возникающий в образце в момент образования новых поверхностей, принимается пьезоэлектрическим преобразователем, усиливается широкополосным предварительным усилителем, а затем пропускается через квадратичный детектор. Далее сигнал подается на логарифмический усилитель, динамический диапазон которого выше, чем диапазон линейного оконечного усилителя. С линейного оконечного усилителя сигнал поступает на емкостный накопитель, где происходит суммарное накопление импульсов акустической эмиссии, прошедших измерительный тракт. Для передачи на самописец в схему включен катодный повторитель, который не позволяет разряжаться емкостному накопителю.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения характеристики трещиностойкости материалов, включающем нагружение сжимающим усилием и доведение до разрушения образцов, не используется искусственно созданная трещина и определение длины приведенной трещины осуществляется с помощью теоретических аспектов, а в качестве показателя оценки трещиностойкости принимается коэффициент трещиностойкости.

где – длина приведенной трещины у сухих образцов, м;

– длина приведенной трещины у водонасыщенных образцов, м.

При определении этого параметра был использован комплекс физико-механических характеристик: поверхностная энергия, модуль упругости, коэффициент Пуассона и прочность бетона при статическом сжатии.

В качестве экспериментальной части все перечисленные параметры были определены для 16 опытных составов, отличающихся видом и расходом цемента, расходом воды затворения и режимами пропаривания, а также наличием химической добавки ПАЩ-2 в количестве 0,20,4%. Причем образцы испытывались в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, что было сделано для достоверности воссоздания условий эксплуатации бетонных элементов.

Принятые составы представлены в таблице 1.

Значения физико-механических характеристик, полученные при расчете в соответствии с предложенной методикой, представлены в таблице 2.

С помощью полученных значений можно оценить поведение бетона, в частности процесс адсорбционного понижения прочности, или, другими словами, «Эффект Ребиндера». Суть явления заключается в том, что вода, являясь самым распространенным на земле поверхностно-активным веществом, имеет клиновидное строение дипольной молекулы, и она, адсорбируясь на поверхности адсорбента, проникает в устья микродефектов и микротрещин, создавая расклинивающее усилие. Из этого следует, что в материале, имеющем в своем составе огромное количество дефектов, при водонасыщении создается эффект «преднапряжения».

Таблица 1
Составы исследуемых бетонов
п/п	Вид цемента	Расход цемента, кг/м3	Водоцементное отношение, В/Ц	Состав бетонной смеси по массе, Ц:П:Щ	Расход химической добавки ПАЩ-2,%
1	Быстротвердеющий портландцемент	375	0,4	1:1,59:3,18	–
2	375	0,6	1:1,52:3,03	–
3	625	0,4	1:0,78:1,57	–
4	625	0,6	1:0,72:1,44	–
5	Алюминатный портландцемент	375	0,4	1:1,59:3,18	–
6	375	0,6	1:1,52:3,03	–
7	625	0,4	1:0,78:1,57	–
8	625	0,6	1:0,72:1,44	–
9	Шлакопортландцемент	500	0,7	1:0,83:1,67	–
10	300	0,7	1:1,81:3,62	–
11	500	0,5	1:1,90:1,80	–
12	300	0,5	1:1,94:3,88	–
13	500	0,7	1:0,83:1,67	0,4
14	300	0,7	1:1,81:3,62	0,2
15	500	0,5	1:1,90:1,80	0,4
16	300	0,5	1:1,94:3,88	0,2
где Ц:П:Щ – цемент:песок:щебень; В/Ц – водоцементное отношение

Анализируя результаты исследований можно сделать выводы:

– коэффициент трещиностойкости показывает влияние водонасыщения и наличия химических добавок на трещиностойкость бетона;

– для бетонов могут быть определены теоретические значения величин критических напряжений, при которых происходит разрушение образца;

– действие «эффекта Ребиндера» наиболее четко и полно прослеживается при применении энергетического подхода и полученные показатели позволяют наиболее четко и полно оценить действие данного явления.

Данное техническое решение отличается простотой применения и точностью результатов.

Источники информации

1. ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости, вязкости разрушения при статическом нагружении. [Текст]. – Введ. 1992-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1991. – 30 с.

2. А.с. СССР 819618, МКИ³ G01N 3/08. Способ определения характеристики трещиностойкости материалов. / Л.П.Трапезников, В.И.Пащенко, А.П.Пак (СССР). – 2496382/25-28; заявл. 17.06.77; опубл. 07.04.81, Бюл. 13. – 2 с.

Формула изобретения

Способ определения трещиностойкости бетона, включающий нагружение бетонных образцов сжимающими и растягивающими усилиями, определение и сравнение параметров, характеризующих их физические свойства в воздушно-сухом и водонасыщенном состоянии, причем процесс высушивания – стабилизации массы протекает при влажности 40% и температуре 18-20°С, а процесс водонасыщения при атмосферном давлении до стабилизации массы, и оценку трещиностойкости по коэффициенту К_тр, отличающийся тем, что оценку трещиностойкости производят с помощью метода интеграции всех трещин, присутствующих в бетонном образце, в одну – приведенную трещину, а в качестве определяемых и сравниваемых параметров используют значения комплекса физико-механических характеристик – , Е, µ, R_сж, L_пр, замеренные после высушивания до стабилизации массы и в водонасыщенном состоянии при атмосферном давлении и одинаковых составах бетона, величину длины приведенной трещины рассчитывают по формуле
,
где – поверхностная энергия бетона, Дж/м²;
Е – модуль упругости бетона, МПа;
µ – коэффициент Пуассона;
R_сж – прочность бетона на сжатие, МПа,
коэффициент трещиностойкости рассчитывают по формуле
,
где – длина приведенной трещины у сухих образцов, м;
– длина приведенной трещины у водонасыщенных образцов, м.