СПОСОБ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ ПРИ НАГРУЖЕНИИ
METHOD OF ESTIMATING LOAD RESISTANCE OF ARTICLES

0
Изобретение относится к неразрушающим методам контроля и предназначено для одновременного определения стойкости против разрушения по максимальной неразрушающей нагрузке L, а также против ползучести изделий из относительно хрупких материалов, находящихся в контакте с поверхностно-активными веществами (ПАВ), в частности из бетона, туфа и других пористых строительных материалов, контактирующих с водой. ПАВ постепенно проникают в микротрещины материала, расклинивают их, что обуславливает вязкоупругость изделия, в частности развитие деформации во времени, при постоянной, т.е. фиксированной, нагрузке (ползучесть). По окончанию монотонного нагружения таких материалов наблюдается самопроизвольное снижение максимальной нагрузки [1 - Балавадзе В.К. Новое о прочности и деформации бетона и железобетона. - Тбилиси: Менцнисбера, 1986. - рис.73], ибо сопротивление деформации вязкой составляющей материала зависит от скорости деформации и исчезает при прекращении деформации.
п
п
О ползучести изделия судят по изменению во времени характерной деформации θ при заданной схеме нагружения постоянной нагрузкой, например, по изменению максимального прогиба в пролете балки при изгибе, или по укорачиванию изделия при осевом сжатии. В ряде случаев от θ переходят к относительной деформации ε, относя θ, например, к длине пролета или изделия. Так как θ и ε увеличиваются во времени, то за показатель ползучести принимают предел, к которому стремится θ или ε, называя его полной (предельной) ползучестью и присваивая индекс "п": θ, ε[2 - строительные материалы. Учебник для студентов ВУЗа. Под редакцией Г.И.Горчанова. - М: Высшая школа, 1982. Рис.V-16].
Способы контроля стойкости путем длительной выдержки образцов под нагрузкой требуют для получения результатов значительного времени (месяцев) и испытаний многих образцов, т.е. трудоемки [ГОСТ 24544-81 (1987). Бетоны. Методы определения деформаций усадки и ползучести].
Неразрушающие методы, например, «Способ определения предела длительной прочности изделий из хрупкого материала» [А.с. SU 1620930 A1, МПК G01N 29/00, бюл. №2 от 15.01.91], позволяют оперативно оценить максимальную неразрушающую нагрузку, но не дают информации о ползучести.
макс
макс
0
Наиболее близок к предлагаемому способ контроля прочности изделия из хрупкого материала [3 - Патент RU 2305281 C2, МПК G01N 29/14. Бюл. №24 от 27.08.07], заключающийся в том, что изделие циклически нагружают от нуля с постепенно возрастающей амплитудой до появления сигналов акустической эмиссии (АЭ) перед окончанием разгружения, когда остается 10-20% от максимальной нагрузки L цикла, регистрируют максимальные нагрузки циклов и по среднему для максимальных нагрузок L двух последних циклов судят о максимальной неразрушающей нагрузке L изделия.
Недостаток прототипа - не позволяет контролировать ползучесть, которая, наряду с характеристикой длительной прочности, необходима для оценки несущей способности изделий, например, из предварительно напряженного железобетона [2 - с 131, 172].
0
п
0
0
Задача, решаемая изобретением, - разработка оперативного способа оценки стойкости изделия при нагружении с одновременным определением максимальной неразрушающей нагрузки L и полной ползучести θ. Исследование ползучести при нагрузках больше L нецелесообразно, т.к. при этом развитие магистральной трещины приводит со временем к разделению изделия на части, а при постоянных нагрузках меньше L этого не происходит.
макс
0
Решения задачи достигают тем, что, как и в прототипе, изделие циклически нагружают от нуля с постепенно возрастающей амплитудой до появления сигналов АЭ перед окончанием разгружения, регистрируют максимальные нагрузки L циклов и определяют максимальную неразрушающую нагрузку L изделия. Но в отличие от прототипа нагружения контролируемого изделия ведут с постоянной скоростью деформации, равной скорости нагружения изделий до постоянной нагрузки в условиях эксплуатации, регистрируют самопроизвольное снижение максимальной нагрузки при прекращении нагружений, измеряют полные деформации изделия при максимальных нагрузках и остаточные деформации изделия после разгружений, а по полученным результатам определяют значение предельной ползучести при нагрузке, равной или меньше максимальной неразрушающей.
макс
о
Нами экспериментально установлено, что при циклическом нагружений от нуля с постепенно возрастающей амплитудой до появления сигналов АЭ перед окончанием разгружения для изделий с реальной вязкой составляющей (ПАВ) наблюдается следующее. 1* Отношение самопроизвольного падения нагрузки δL при прекращении нагружения к максимальной нагрузке L, т.е. доля d общей нагрузки, воспринимаемой вязкой составляющей материала изделия, равная  в условиях постоянной скорости деформаций  меняется от цикла к циклу случайно, но возрастает с увеличением  Разброс средних значений  при переходе от изделия к изделию, соизмерим с доверительным интервалом средних d для отдельных изделий; следовательно, среднее  полученное на контролируемом изделии, можно считать справедливым и для других изделий из той же совокупности. 2* Отношение остаточной деформации θ после завершения разгружения к полной деформации θ изделия при соответствующей максимальной нагрузке
макc
п
ф
ф
макс
ф
макс
п
ф
макс
о
ф
макс
L, т.е.  меняется от цикла к циклу случайно и не зависит от значения . При переходе от изделия к изделию средние  могут отличаться значительно. 3* Значение полной ползучести θ при фиксированной нагрузке L зависит от скорости  при достижении L и связано с остаточной деформацией при полном разгружении от L=L соотношением  Предварительные нагружения до L меньших  не сказываются на значениях θ при разных постоянных нагрузках L. Если изделие было нагружено с  до нагрузки L, разгружено с регистрацией θ и снова нагружено с той же  до L=L, то остаточный ресурс ползучести  и оказывается больше нуля, если отношение с к d меньше двух.
ф
п
Регистрация самопроизвольного снижения максимальной нагрузки при прекращении нагружения позволяет оценить долю d общей нагрузки, воспринимаемой вязкой составляющей материала изделия. При переходе от режима  к режиму L=const  по мере достижения требуемого значения L, самопроизвольного снижения нагрузки быть не может, т.к. по условию испытаний L=const. Но соответствующая доля d нагрузки постепенно проявляется в развитии деформации ползучести до значения θ.
п
о
макс
0.
п
о
макс
п
о
Нагружения контролируемого изделия с постоянной скоростью деформирования  стабилизируют значение d и сужают доверительный интервал  (также как и многократное определение d) и повышают точность определения θ, по остаточной деформации θ после достижения L=LСохранение в процессе контроля того же значения , что и при нагружении изделия до постоянной нагрузки в условиях эксплуатации исключает систематическую ошибку в определении , а следовательно, и при определении θ через θ. Измерение полной деформации изделия при Lи остаточной деформации изделия после соответствующего цикла позволяет определить долю деформации с, обусловленной расклиниванием материала изделия ПАВ, в общей деформации и выразить θчерез θ.
ф
макс
0
макс
0
0
00
00
ф
Способ реализуют следующим образом. Формируют представительную выборку изделий из контролируемой совокупности (партии). Каждое изделие нагружают на стенде, прикладывая нагрузки по той же схеме, что и в эксплуатации. Например, если балку в эксплуатации нагружают несколькими силами, связанными известным соотношением и приложенными на заданных расстояниях от опор, то в процессе нагружении на стенде должны сохраниться те же соотношения и расстояния. На контролируемое изделие устанавливают датчики акусто-эмиссионной системы и нагружают его циклически до появления сигналов АЭ перед окончанием разгружения. Нагружения ведут с постоянной скоростью деформации , равной скорости деформации изделия до постоянной нагрузки L в условиях эксплуатации. В каждом цикле нагружения регистрируют максимальную нагрузку L и ее самопроизвольное падение δL при прекращении нагружения (т.е. при ). При появлении АЭ перед окончанием разгружения циклирование прекращают и рассчитывают значение L как среднее L в двух последних циклах. По результатам контроля выборки изделий рассчитывают: 1 - параметры вероятностного распределения L, т.е. среднее, выборочную дисперсию S и возможные значения L для партии изделий при малой или нулевой вероятности p разрушения, т.е. L, например, в соответствии с трехпараметрическим распределением Вейбулла; 2 - среднее значение  доли d по всем циклам для всех изделий. Партию изделий можно считать кондиционной по прочности, если полученное для нее значение L больше постоянной нагрузки L в эксплуатации.
ф
00
макс
о
макс
ф
0
о
Для оценки кондиционности конкретного изделия по ползучести при нагрузке L, меньше или равной L, изделие нагружают от нуля до , регистрируют θ при L, полностью разгружают, регистрируют остаточную деформацию θ, рассчитывают  при L, а затем  при L. Для ряда изделий, например бетонных, предназначенных к использованию после предварительного напряжения, желательно снижение ползучести в процессе контроля [2 - c.130]. В этом случае предложенный способ можно использовать для индивидуальной разбраковки изделий по значениям L и остаточном ресурсе ползучести  где θ - остаточная деформация изделия после прохождения контроля.
макс
0
макс
00
ф
макс
о
ф
пп
ф
п
z
пп
-2
Способ был реализован и проверен следующим образом. Из смеси портландцемента (1 в.ч.) марки 400, песка (2.5 в.ч.), щебня фракции 5-10 мм (6 в.ч.) было изготовлено 60 призм. После 100 дней твердения при 40°C и относительной влажности воздуха 75% 35 призм циклировали на прессе Гагарина в условиях осевого сжатия с постоянной скоростью . Разгружения начинали через 1-2 с после достижения L, которая в первом нагружении составляла 8000 Н. Перед цитированием на образец были установлены два резонансных пьезодатчика, подключенные к акустико-эмиссионной системе АФ-15 (г.Кишинев, 1985 г.). С их помощью регистрировали амплитуды сигналов АЭ при нагружениях и разгружениях. Цитирование призмы прекращали после возникновения АЭ при окончании разгружения. Значение L для конкретной призмы определялось как среднее L в двух последних циклах. Запись абсолютных деформаций и соответствующих нагрузок L производилась автоматически на прессе в виде диаграмм. Падения нагрузок L после остановки привода составляли 800…5000 Н; соответственно давали приращения максимальной нагрузки в следующих циклах. Для взятых 35 призм среднее значение  составили 38408 Н, а среднее квадратическое отклонение - 6144 Н. Руководствуясь нормальным законом распределения, получили (при p=0,025) значение L=L-2S=16120 Н. Среднее значение доли  по 225 значениям оказалось равным ((11.0±0.3)·10; доверительный интервал указан при p=0,95. На основании этих результатов для оставшихся 25 призм приняли Z=16100 Н. Каждую из этих призм нагружали на прессе Гагарина до ; после разгружения определяли θ при L, θ, рассчитывали  и вычисляли при L=L прогнозируемую полную ползучесть θ по формуле  Затем каждую из 25 призм нагружали на прессе Бренелля со скоростью  до L=16100 Н, выдерживали при этой нагрузке 120 суток, периодически регистрируя ; по этим результатам в соответствии с ГОСТ 24544-81 в определяли θи находили отношение  Среднее  оказалось равным 1,01, а выборочная дисперсия S=0,05. Следовательно, результаты прогноза θ не противоречат результатам длительных испытаний, а погрешность прогноза не превышает 10% при p=0,95.
0
Предложенный способ позволяет совместить оперативную оценку длительной прочности изделий с оценкой ползучести при нагрузке равной или меньше максимальной неразрушающей L. Сроки оценки ползучести по сравнению со сроками традиционных методов, например, ГОСТ 24544-81, сокращаются на порядки.