СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ БЕТОНА, ПРИГОТОВЛЕННОГО НА ОСНОВЕ РАСШИРЯЮЩЕГОСЯ ЦЕМЕНТА
DETERMINATION OF CHARACTERISTICS OF CONCRETE SPECIMENS BASED ON EXPANDING CEMENT

Изобретение относится к анализу характеристик строительных материалов, а именно к определению энергии напряжения и линейного расширения бетона, приготовленного на основе расширяющегося цемента.
Известен способ определения энергии напряжения образцов бетона, приготовленного на основе расширяющегося цемента, указанный в работе (см. Павлова, И.П., Бондаренко, В.М. Перспективы применения бетонов на напрягающем цементе при изготовлении сталетрубобетонных элементов / И.П. Павлова, В.М. Бондаренко // Теория и практика строительства: [сборник научных трудов] / отв. ред. С.Я. Блихарський. - Л.: Издательство Национального университета "Львовская политехника", 2010. - 403 с.: Ил. - (Вестник / Национальный университет "Львовская политехника", №664). - С. 133-144. В известном способе напряжение бетона  определяется на контрольных образцах-призмах размером 100×100×400 или 50×50×200 мм (при использовании щебня фракции не более 20 мм), отформованных и твердеющих в условиях упругого ограничения деформации, эквивалентному армированию в количестве 1%. Контроль энергии напряжения бетона производится у места укладки бетона в конструкцию. Твердение образцов до достижения прочности бетона 7-15 МПа (но не менее суток) происходит в помещении с температурой воздуха (20±2)°C, дальнейшее твердение после снятия формы (до 28 сут.) - в воде или обильно влажных опилках, песке. Образцы, предназначенные для производственного контроля напряжения бетона, хранятся в условиях, аналогичных условиям твердения бетона в конструкции. Замеры увеличения размеров образцов производятся ежедневно для бетона в возрасте 1-7 суток и далее в возрасте 10, 14 и 28 суток, каждый раз с поверкой измерительного устройства с помощью эталона. Энергия напряжения образца , МПа определяется по формуле: ,
o
n
s
s
где Δ и l - соответственно полная деформация образца в процессе напряжения и его длина, (см); µ - приведенный коэффициент армирования образца, принимаемый равным 0,01; E - модуль упругости стали, принимаемый равным E=2.106 Мпа. Энергия напряжения бетона  вычисляется как среднее арифметическое по двум наибольшим результатам трех образцов-близнецов в кондукторах, отформованных из одной пробы бетона.
Недостатком данного способа является большая трудоемкость реализации задачи и обширность экспериментальной базы. Также данный способ не позволяет осуществлять мониторинг линейного расширения образцов бетона.
Существует способ определения стрелы прогиба однопролетной шарнирно-опертой балки при сосредоточенной силе, приложенной в середине пролета, указанный в работе (Девятое, С.А. / Инженерные методы расчет стержней: Учебное пособие / С.А. Девятое, Е.П. Степанова, А.С. Габриель. Омск.: 2003. - 76 с.). Для определения прогиба используют формулу:
3
λ=F·l/(48·E·I)
где: F - усилие, приложенное в середине пролета, кН;
l - длина пролета балки в свету, см;
4
I - момент инерции поперечного сечения балки, см;
E - жесткость материала, из которого изготовлена балка, МПа.
Для определения результирующей силы, генерируемой воздействием давления на расчетную площадь, используют формулу, описанную в работе «Справочник по гидравлическим расчетам» (под редакцией П.Г. Киселева) [3, с. 15]: F=P·S;
где: F - результирующая сила, регенерируемая давлением, кН;
P - давление, действующее на единицу площади, кПа;
2
S - площадь давления, см.
(см. Справочник по гидравлическим расчетам. Под редакцией П.Г. Киселева. Изд. 4-е, переработ. и доп. М.: Энергия, 1972. - 312 с.).
Данная формула позволяет вывести формулу нахождения давления (P), при известной результирующей силе (F) и площади давления (S):
.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения линейного расширения образцов бетона, приготовленного на основе расширяющегося цемента, включающий изготовление образцов бетона на основе расширяющегося цемента, укладку их в формы, измерение состоящего из первоначального отсчета расширения свежеприготовленного образца и последующего отсчета линейного расширения (см. Михайлов, В.В. Восстановление железобетонных конструкций с применением расширяющегося цемента / В.В. Михайлов. М.: Стройиздат, 1945. - 28 с., www.hydrobeton.ru; Водонепроницаемый и расширяющийся цемент (ВРЦ) «Методы физических и механических испытаний ВРЦ»).
В известном способе для определения линейного расширения изготовляют три образца-балочки размером (40×40×160) мм из цементного теста. Для приготовления цементного теста отвешивают 1500 г цемента. Тесто после приготовления укладывают в гнезда формы, внутренние стенки которых предварительно смазывают тонким слоем машинного масла и штыкуют 15 раз ножом, а затем ножом аккуратно срезают избыток теста и сглаживают поверхность образцов, передвигая нож от середины к краям призм. Не допускается уплотнять образцы вибрированием. Образцы-балки освобождают от форм и нумеруют через 1 ч от начала затворения цементного теста. После этого измеряют длину образцов с точностью до 0,01 мм и погружают в воду температурой (20±2)°C. Через (72±4) ч после начала затворения образцы извлекают из ванны, протирают и немедленно измеряют их длину. Линейное расширение определяют путем измерения размеров образцов-балок.
2
1
1
Линейное расширение образца (А) в процентах вычисляют по формуле: A=(l-l/l)·100;
1
где: l - первоначальный отсчет, произведенный при измерении свежеизготовленного образца бетона, мм;
2
l - отсчет длины при последующих измерениях образца, мм.
За величину линейного расширения цемента принимают среднее арифметическое значение величин линейного расширения трех образцов. Расхождение между результатами трех определений не должно превышать 15%.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения линейного расширения и энергии напряжения для фиксирования стадии заклинивания гидратирующих образцов.
Техническим результатом является обеспечение возможности определения энергии напряжения и линейного расширения бетона, приготовленного на основе расширяющегося цемента, и повышение надежности и точности за счет исключения аппаратной избыточности.
Технический результат достигается тем, что в способе определения энергии напряжения образца бетона, приготовленного на основе расширяющего цемента, включающем отсчет линейного расширения, согласно изобретению, образец бетона заливают в форму и измеряют расширение объема образца бетона измерительной системой, в качестве которой используют ограничивающий начальные размеры образца бетона приводной шток с тензодатчиком и воспринимающую расширение образца бетона металлическую пластину на стойках, имеющую низкий коэффициент жесткости, затем находим усилие в приводном штоке от расширения бетона, связанное с прогибом пластины по формуле:
3
F=λ(48·E·I)/l
где: F - усилие на приводном штоке, фиксируемое по показателям тензодатчика, кН;
l - длина металлической пластины между двух стоек, на которых она закреплена, см;
4
I - момент инерции поперечного сечения металлической пластины, см;
E - модуль упругости материала, из которого изготовлена пластина, например для стали, E=2.106 МПа;
λ - прогиб пластины, равный расширению бетона, см;
и определяют энергию напряжения по формуле:
bs
где: R - энергия напряжения образца бетона, МПа;
F - усилие на приводном штоке, фиксируемое по показателям тензодатчика, кН;
0
2
S - площадь образца бетона в плоскости, поперечной направлению фиксируемых деформаций, см.
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что за счет использования ограничивающего элемента в виде приводного штока и элемента, воспринимающего расширение образца бетона в виде металлической пластины, имеющей низкий коэффициент жесткости, сообщенного с тензодатчиком, обеспечивается возможность определения энергии напряжения и линейного расширения бетона, приготовленного на основе расширяющегося цемента, и повышение надежности и точности за счет исключения аппаратной избыточности.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен общий вид устройства, с помощью которого реализуется заявляемый способ.
Устройство для реализации способа определения характеристик образцов бетона приготовленного на основе расширяющего цемента, состоит из измерительного прибора - тензодатчика 1, закрепленного на металлической пластине 2. Для повышения чувствительности устройства для измерения характеристик образцов бетона металлическая пластина 2 имеет небольшую жесткость, в свою очередь, определяемую произведением модуля упругости материала (E), из которого изготавливается пластина, на момент инерции (I), поперечного сечения пластины 2. Таким образом, варьируя материалом, из которого изготовлена пластина 2, то есть модулем упругости (E) и ее поперечным сечением (I), подбирается нужная жесткость пластины и, как следствие, чувствительность всего устройства. На металлическую пластину 2 через приводной шток 3, связанный с одной стороны с пластиной 2, а с другой стороны с поршнем 4, ограничивающим начальные размеры образца бетона 5, передается усилие от расширяющегося образца бетона 5, находящегося в цилиндрической форме 6, в свою очередь цилиндрическая форма 6 установлена на жесткой опоре 7, при этом цилиндрическая форма 6 для образца бетона 5 сообщена с металлической пластиной 2 посредством стоек 8.
Способ определения энергии напряжения образцов бетона, приготовленного на основе расширяющего цемента, осуществляется следующим образом.
Предварительно изготавливают бетон на основе расширяющегося цемента. Затем укладывают его в цилиндрическую форму 6 и осуществляют измерения расширения объема образца бетона 5 измерительной системой, состоящей: из приводного штока 3 с поршнем 4, который ограничивает начальную поверхность свежеприготовленного образца бетона 5; из тензодатчика 1, расположенного на металлической пластине 2, имеющей низкий коэффициент жесткости, соединенной с приводным штоком 3 и установленной на стойках 8, соединенных с цилиндрической формой 6 для образцов бетона 5. В свою очередь цилиндрическая форма 6 установлена на жесткой опоре 7 и с учетом показаний тензодатчика 1 и параметров металлической пластины 2 определяют усилие в приводном штоке 3 от расширения образца бетона 5, связанное с прогибом пластины 2, по формуле:
3
F=λ(48·E·I)/l
где: F - усилие на приводном штоке, фиксируемое по показателям тензодатчика, кН;
l - длина металлической пластины между двух стоек, на которых она закреплена, см;
4
I - момент инерции поперечного сечения металлической пластины, см;
E - модуль упругости материала, из которого изготовлена пластина, например для стали, E=2.106 МПа;
λ - прогиб пластины, равный расширению бетона, см; и определяют энергию напряжения по формуле:
bs
где: R - энергия напряжения образца бетона, МПа;
F - усилие на приводном штоке, фиксируемое по показателям тензодатчика, кН;
0
2
S - площадь образца бетона в плоскости, поперечной направлению фиксируемых деформаций, см.
Далее анализируют полученные данные и по максимальным значениям энергии напряжения определяют стадию заклинивания образца бетона.
Например, залитый образец бетона на основе расширяющегося цемента, в виде цилиндра, размерами 150×400 мм и металлической пластины длиной 250 мм и 4×10 мм в поперечном сечении будет иметь следующий момент инерции сечения пластины:
3
3
4
I=bh/12=1×0,4/12=0,00533 см
Уложенный в цилиндрическую форму образец бетона расширяется, и осуществляют измерения объема образца бетона измерительной системой, последовательно реализуя действия, представленные выше. В результате работы измерительной системы, вызванной расширением бетона, на основании показаний тензодатчика, расположенного на металлической пластине, определяют прогиб последней. Допустим прогиб пластины, вызванный расширением бетона, составит 4 см, тогда усилие от расширения бетона определяется по формуле: ,
отсюда энергия напряжения равняется:
.