СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ КАМНЯ
METHOD OF DETERMINING FROST RESISTANCE OF STONE

Изобретение относится к способам оценки длительной прочности неразрушающим методом и предназначено для выяснения марки F по морозостойкости естественных и искусственных камней (кирпича, бетона), то есть числа стандартных термоциклов замораживания-оттаивания (например, от +20 до -20°С по 4 часа), необходимых для снижения предела прочности R образцов, насыщенных водой, на величину, оговоренную стандартом, в частности на 5 или 15% (ΔR/R=0,05…0,15).
За базовый (основной) принят способ [ГОСТ - 10060.1-95], включающий изготовление нескольких выборок образцов, каждая объемом n, и насыщение этих образцов водой, определение исходного значения R при сжатии первой выборки, термоциклирование остальных, разрушение сжатием этих выборок после различного числа N термоциклов и определения в качестве марки F числа термоциклов, необходимых для снижения R в пределах, оговоренных стандартом. Значительный случайный разброс значения R камня (коэффициент вариации 15…20%) при неизменных условиях изготовления и испытаний образцов обуславливает большой разброс выборочных средних  и требует значительных объемов выборок (n=25…50) для доказательства значимости изменения ΔR/R=0,05…0,15 в результате термоциклирования. Даже при незначительном значении F≈50 суммарное время термоциклирования превышает 6 суток. Таким образом, основной недостаток базового способа - трудоемкость и малая оперативность.
Наиболее близок к педлагаемому способ [ГОСТ - 10060.3-95], заключающийся в изготовлении образцов, насыщении их водой, измерении относительной деформации образца (относительного изменения δ объема) при первом замораживании до нормированной температуры и термоциклирование образцов, выяснение их марки F, а также зависимости F от δ для того или иного типа камня и использование этой зависимости в дальнейшем для определения F по δ при первом замораживании образца.
Недостатки прототипа - трудоемкость и малая оперативность из-за необходимости выяснять зависимость F(δ) для каждого типа камня или вяжущего вещества.
Цель изобретения - снижение трудоемкости и повышение оперативности.
Цель достигают тем, что, как и в прототипе насыщенный водой образец замораживают до нормативной температуры, размораживают и при этом измеряют его деформацию. Но в отличие от прототипа
- перед замораживанием неразрушающим методом определяют при сжатии пороговую нагрузку для насыщенного водой образца, отвечающую его пределу длительной прочности;
- после размораживания образца измеряют остаточную деформацию в направлении, перпендикулярном предшествующему сжатию;
- добиваются не меньшей остаточной деформации циклическим стационарным сжатием образца в прежнем направлении от нулевой до нагрузки, превышающей пороговую не больше чем на треть;
- повторяя эти операции, определяют количество термоциклов, необходимых для снижения предела R длительной прочности до требуемого значения.
Использование неразрушающего контроля R позволяет определять марку F испытанием одного образца, что уже резко снижает трудоемкость. Однако такой контроль должен обладать высокой точностью (1…3%) и не увеличивать повреждаемость материала, что обуславливает выбор в качестве R предела длительной прочности - см. патент №2305281. Остальные отличительные операции направлены на замену термоциклов более оперативными циклами механического нагружения, эквивалентными по вносимой поврежденности, за меру которой принята величина остаточной деформации. При замене термоциклов механическими нагрузка должна превосходить пороговую не более чем на 1/3. В этом случае трещины сдвига при сжатии не будут переходить в трещины отрыва, параллельные сжатию, приводящие к фрагментации образца.
0
0
Т
Т
Ti
Т
i
i
i
Тi
i
Для проверки корректности предложенного способа его реализовали параллельно с базовым методом определения морозостойкости [ГОСТ - 10060.1-95] на образцах с ребром 15 см, изготовленных из смеси портландцемента (1 весовая часть) марки 400, песка (2 в.ч.), гранитного щебня 5…20 мм (4,5 в. ч.) и воды (0,6 в.ч.). Из одного замеса изготовили 108 образцов, форма которых отличалась от куба с ребром 15 см тем, что точки пересечения диагоналей двух отформованных противоположных граней (реперные точки) отстояли друг от друга дальше (до 1,5 мм), чем остальные точки этих граней, соответствующие друг другу. Образцы твердели 28 дней в воде при комнатной температуре, а затем 60 дней во влажном песке при 18…26°С. При реализации базового метода расстояние ℓ между реперными точками каждого образца (100 шт) измеряли с помощью инструментального микроскопа до и после испытаний на морозостойкость. Остаточную деформацию ε рассчитывали как Δℓ/ℓ. Изменение расстояния Δℓ между реперными точками при реализации предложенного метода на 8 образцах приводили при 20±2°С до и после термоциклирования с помощью скобы с переменной базой и с измерительной головкой часового типа (цена деления 1 мкм). Пороговую нагрузку L водонасыщенного образца определяли, регистрируя акустическую эмиссию (АЭ) с помощью прибора АФ-15 при циклическом нагружении и разгружении образца до нуля. В первом цикле нагрузку L доводили до 11 т; при отсутствии АЭ при окончании разгрузки значение L увеличивали на 5% и так до тех пор, пока при окончании нагрузки не возникала АЭ. За L принимали среднее L двух последних циклов. Термоциклирование упомянутых 8 образцов от +20 до -20°С проводили по 10 раз подряд (декадами), после чего измеряли остаточную деформацию ℓΔ. Затем образец нагружали механически до нагрузки 1,33R за 1…2 мин и разгружали. Циклы повторяли до тех пор, пока остаточная деформация Δℓ между реперными точками не превышала Δℓ (от 12 до 19 циклов). После чего проводили очередную декаду термоциклов и т.д. до снижения ΔR/R=0,12…0,18. Результаты испытаний частично приведены в таблице, где приняты следующие обозначения: i - порядковый номер декады термоциклирования; Δε= Δℓ/ℓ - приращение относительной остаточной деформации после i-й декады термоциклирования; R - предел длительной прочности перед i-ой декадой термоциклирования; К=Δε/ε - коэффициент эквивалентности механического и термического нагружения; Δε - приращение относительной остаточной деформации при механическом циклировании после i-й декады термоциклов;  - сумма термоциклов и эквивалентных им механических нагружений
i
i
i
ε
-5
-5
(каждое от 12…19 механических циклов). Как видно из таблицы, ΔR/R=0,142 при ∑=102…107, а в среднем 105. С учетом этого результаты 50 образцов, насыщенных водой, термоциклировали 105 раз (от 20 до -20°С), после чего для каждого из них замеряли остаточную деформацию Δℓ и разрушающим методом определили временное сопротивление R. Для R среднее значение составило  а среднее квадратическое отклонение  для остаточных деформаций ε среднее  показалось равным 1448×10, S=77·10,  Для других 50 таких же образцов без термоциклирования получено =34,8 МПа, S=5,92. Так как для выборочных средних  то доверительный интервал отношений  лежит в диапазоне 0,12…0,20, что не противоречит результату, полученному с помощью предложенного способа (0,142) и подтверждает его корректность. Такое же заключение справедливо для остаточных деформаций.
Предложенный способ по сравнению с базовым [ГОСТ - 10060.1-95] уменьшает объем испытаний на порядок и увеличивает их оперативность.