СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ БЕТОНА
METHOD FOR DETECTION OF CONCRETE CRACK RESISTANCE

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.
3
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, МКИ 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.
тр
сж
пр
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), 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 (υ, E, µ, R, L), 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:
2
где υ - поверхностная энергия бетона, Дж/м;
Е - Модуль упругости бетона, МПа;
µ - коэффициент Пуассона;
сж
R - 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 (γ) в соответствии с требованиями ГОСТ 12730-67.
l
cg
Измерялось время прохождения продольных (τ) и поперечных (τ) ультразвуковых волн и база прозвучивания (l).
l
cg
Вычислялись скорости прохождения продольных (с) и поперечных (c) ультразвуковых волн по зависимости:
где l - база прозвучивания, м;
Δτ - время прохождения сигнала через элемент преобразователя и контактную смазку, с;
τ - 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 (υ) 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 0,2…0,4%. 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/м<sup>3</sup>
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.
3
2. А.с. СССР 819618, МКИ 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.