50 предел выносливости бетона составляет от призменной прочности бетона

Обновлено: 14.05.2024

Прочность бетона зависит от многочисленных факторов: структуры, марки и вида цемента, водоцементного отношения, вида и прочности крупных и мелких заполнителей, вида напряженного состояния, формы и размеров образца, длительности загружения.

На прочность бетона большое влияние оказывает скорость загружения образцов. При замедленном их нагружении, прочность бетона оказывается на 10…15% меньше, чем при кратковременном статическом. При быстром загружении прочность бетона возрастает до 20 %.

Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность, прочность при растяжении, срезе и скалывании; прочность при многократных повторных нагрузках, прочность при кратковременном, длительном и динамическом действии нагрузок.

Кубиковая прочность

В железобетонных конструкциях бетон преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную характеристику прочностных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие, устанавливаемая, как правило, путем испытания стандартных кубов размером 150×150×150 мм, испытанных при температуре (20 ± 2) °С через 28 дней твердения в нормальных условиях (температуре воздуха 15. 20 °С и относительной влажности 90. 100%). Реже испытания проводят па цилиндрах диаметром (d) 100, 150, 200 и 300 мм с высотой h = 2d.

За кубиковую прочность бетона принимают временное сопротивление R эталонных кубов, определяемое по выражению:

где F – разрушающая нагрузка, Н;

А – средняя рабочая площадь образца, мм 2 ;

α – переводный коэффициент, зависящий от размеров образца. С уменьшением размеров поперечного сечения коэффициент а уменьшается. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров образца и расстояния между его торцами.

Различное сопротивление сжатию образцов разной величины (и формы) объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса.

Вблизи опорных плит пресса силы трения, направленные внутрь, создают как бы обойму и тем самым увеличивают прочность образцов при сжатии. По мере удаления от торцов влияние сил трения уменьшается. Поэтому бетонный куб получает форму двух усеченных пирамид (рис.2, а). При отсутствии (или существенном уменьшении) сил трения характер разрушения меняется, происходит раскалывание куба по плоскостям, параллельным направлению действующей внешней нагрузки (рис.2, б).


Рис. 2. Характер разрушения бетонных кубов; а - при наличии трения по опорным плоскостям; б - при отсутствии трения по опорным плоскостям

Реальные железобетонные конструкции по своей форме значительно отличаются от кубов. Поэтому кубиковая прочность не может непосредственно характеризовать прочность сжатых участков железобетонных конструкций. Для этой цели используют другую характеристику - призменную прочность бетона.

Призменная прочность

Железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, поэтому кубиковая прочность бетона не может быть непосредственно использована в расчетах прочности элементов конструкции. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность. Под призменной прочностью σbu понимают временное сопротивление осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы h к размеру а квадратного основания, равным 4.

В реальных конструкциях напряженное состояние бетона сжатой зоны приближается к напряженному состоянию призм. Образцы призматической формы, для которых влияние сил трения меньше, чем для кубов, при одинаковом поперечном сечении показывают меньшую прочность на сжатие. При отношении высоты призмы к стороне основания h /a > 4 влияние сил трения практически исчезает, и прочность становится постоянной и равной ≈ 0,75 R.

Прочность на осевое растяжение

Прочность бетона на осевое растяжение зависит от прочности при растяжении цементного камня и его сцепления с зернами крупного заполнителя.

Рис.3. Схемы испытаний образцов для определения прочности бетона на растяжение




Опытным путем она определяется испытаниями на разрыв образцов в виде восьмерок, на раскалывание образцов в виде цилиндров, кубов или на изгиб бетонных балочек.

Прочность бетона на осевое растяжение имеет сравнительно небольшое значение.

Ориентировочное значение σbt можно определить по эмпирической формуле Фере:

где γ = 0,8 – коэффициент для бетонов класса В25 и ниже, γ = 0,7 – для бетонов класса В30 и ниже

Прочность бетона при срезе и скалывании

Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы.

Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий.

Железобетонные конструкции редко работают на чистый срез и скалывание. Обычно срез сопровождается действием продольных сил, а скалывание - действием поперечных сил.

Сопротивление срезу может возникать в шпоночных соединениях и у опор балок, а сопротивление скалыванию – при изгибе преднапряженных балок до появления в них наклонных трещин, если не обеспечена надежная связь между верхней и нижней частями бетона на опорах.

В нормах временное сопротивление срезу и скалыванию не приводится, и его принимают приблизительно равным 2σbtu

Прочность бетона при длительном действии нагрузки

Пределом длительного сопротивления бетона называют наибольшие статические неизменные во времени напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долгое время без разрушения.

При длительном действии нагрузки бетонный образец разрушается при напряжениях, меньших, чем при кратковременной нагрузке. Это обусловлено влиянием развивающихся неупругих деформаций изменением структуры бетона.

При расчете прочности элементов в расчетное сопротивление бетона сжатиюRbи растяжениюRbt вводят коэффициент условия работы γb2 , учитывающий влияние на прочность бетона вероятной длительности действии я расчетных усилий и условий возрастания прочности бетона во времени.

Прочность бетона при многократном действии нагрузки

Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках σf (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов нагрузки и разгрузки, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 1 000 000.

Предел выносливости бетона связан с нижней границей образования микротрещин. Если многократно повторная нагрузка вызывает в бетоне напряжения, превышающие границы трещинообразования, то при большом количестве циклов наступает его разрушение.

Предел выносливости бетона σf определяют посредством умножения временных сопротивлений σbu иσbtu бетона на коэффициент условий работы бетона γb1.



Так как вследствие неоднородности бетона и других случайных факторов действительная прочность бетона может существенно отличаться от среднестатистической Rm, в расчёт вводят показатели прочности, задаваемые с определённой надёжностью.

В качестве основных, базисных (контролируемых), характеристик бетона приняты нормативное сопротивление осевому сжатию призм (призменная прочность) Rbn со статистической обеспеченностью 0,95 или ее гарантированной доверительной вероятностью 95%, и нормативное сопротивление осевому растяжению Rbtn.

Нормативные значения призменной прочности бетона определяют по следующим зависимостям:

для тяжёлого (обычного), мелкозернистого и лёгкого


Таким образом, класс бетона В можно трактовать как нормативное сопротивление осевому сжатию эталонных образцов-кубов (кубиковая прочность) в отличие от Rbn, отражающего призменную прочность бетона.

Численные значения Rhn (с округлением) в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие приведены в табл. 1.14.

Нормативное сопротивление бетона осевому растяжению в случаях, когда прочность бетона на растяжение не контролируется, принимают в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие в соответствии с табл. 1.14, при контроле класса бетона по прочности на осевое растяжение — равным гарантированной прочности (классу) на осевое растяжение.

Расчетное сопротивление бетона осевому сжатию — такая же характеристика, как и нормативное сопротивление, однако ее обеспеченность составляет: для расчета по предельным состояниям первой группы Rb — 0, 997, второй группы Rbser — 0,95.

Расчетные сопротивления бетона определяют путём деления нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надёжности по бетону при сжатии или при растяжении, учитывающие возможность понижения фактической прочности по сравнению с нормативными значениями, а также возможное отличие прочности бетона в конструкции от прочности в образцах. Такой подход к установлению определяющих надёжность конструкций расчётных сопротивлений называют полувероятностным. Указанные коэффициенты надёжности по бетону принимают равными:

для тяжёлого (обычного), мелкозернистого и лёгкого бетонов при сжатии = 1,3; при растяжении с контролем прочности = 1,3; без контроля прочности при растяжении = 1,5; для ячеистого бетона уЬс = 1,5; (контроль прочности ячеистого бетона при растяжении отсутствует).

Выше приведены были коэффициенты надёжности по бетону при расчёте конструкций по предельным состояниям первой группы.

Таким образом, значения расчётных сопротивлений для предельных состояний второй группы численно равны нормативным сопротивлениям бетонов — см. табл. 1.14. Это связано с тем, что наступление предельных состояний второй группы не столь опасно, как первой (обычно не влечёт за собой аварий, катастроф или человеческих жертв).

Более высокие значения коэффициентов надёжности для ячеистого бетона обусловлены повышенной изменчивостью его прочностных свойств, а также повышенной чувствительностью к технологии изготовления изделий (большим различием между прочностью бетона в конструкции и в контрольных образцах).


Как уже отмечалось выше, обеспеченное гь нормативного сопротивления и расчётного сопротивления для предельных состояний второй группы в каждой партии бетона должна составлять не менее 0,95, а расчетного сопротивления для предельных состояний первой группы — не мснсе 0,997.

Расчётные сопротивления бетона для предельных состояний первой группы Rb и Rhr следует умножать на коэффициенты условий работы бетона, учитывающие особенности свойств бетона, продолжительность действия нагрузки и её многократную повторяемость, условия и стадию работы конструкции, способ её изготовления, размеры сечения и т. п.

Расчетные сопротивления бетона для предельных состояний второй группы вводят в расчёт с коэффициентом условий работы, за исключением тех случаев, когда расчёт производят на действие многократно повторных нагрузок.

Численные значения расчётных сопротивлений (с округлением) в зависимости от класса бетонов по прочности па сжатие и осевое растяжение для предельных состояний первой и второй групп приведены в табл. 1.14 и 1.16.

Расчётные сопротивления бетона для предельных состояний первой группы (см. табл. 1.15 и 1.16) в определённых случаях следует умножать на коэффициенты условий работы.

Указанные коэффициенты в основном учитывают изменение свойств бетона, рассмотренные в разделе 1.1.2. Ниже перечислены коэффициенты и условия, при которых их необходимо учитывать.

1) — учитывает снижение прочности бетона при действии многократно повторных нагрузок; числовые значения можно принимать по табл. 1.18; учитывают при расчёте на выносливость и по образованию трещин;

2) уb2 учитывает длительность действия нагрузок, т. е. различие между кратковременным и длительны ч сопротивлением бетона, а также влияние нарастания прочности бетона во времени:

а) при учёте постоянных, длительных и кратковременных нагрузок, кроме нагрузок непродолжительного действия, суммарная длительность действия которых за период эксплуатации мала (например, крановые нагрузки; нагрузки от транспиртныхсредств; ветровые нагрузки; нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировании и возведении и т. п.), а также при учёте особых нагрузок, вызванных деформациями просадочных, набухающих, вечномерзлых и подобных грунтов для тяжелого, мелкозернистого и легкого бетонов естественного твердения и подвергнутых тепловой обработке; в условиях эксплуатации конструкций, благоприятных для нарастания прочности бетона (например, под водой, во влажном грунте или при влажности воздуха окружающей среды выше 75 %) = 1.00; в остальных случаях = 0,90; для ячеистого и поризованного бетонов независимо от условий эксплуатации = 0,85;


б) при учёте в рассматриваемом сочетании кратковременных нагрузок непродолжительного действия (суммарная длительность которых мала — см. выше) или особых нагрузок, кроме указанных в п.2а, для всех видов бетона и вне зависимости от условий эксплуатации . = 1,10; коэффициент учитывают при расчёте по прочности; если при учёте особых нагрузок вводят дополнительный коэффициент условий работы согласно указаниям соответствующих нормативных документов (например, при учёте сейсмических нагрузок), следует принять . = 1,00;

3) yb3 — учитывает изменение плотности и прочности бетона по высоте вертикально бетонируемых элементов; численные значения принимают при высоте слоя бетонирования более 1,5 м для бетонов: тяжёлого, мелкозернистого и лёгкого уb3 = 0,85; ячеистого и поризованного уb3 = 0,80;

4) Уb4 учитывает влияние двухосного сложного напряжённого состояния сжатие-растяжение на прочность бетона; численное значение коэффициента определяют по формуле (5.48);

5) уb5 - учитывает повышенное влияние дефектов (раковин, недоуплотнения и др.) в сечениях небольших размеров; при бетонировании монолитных бетонных столбов и железобетонных колонн с наибольшим размером поперечного сечения менее 300 мм = 0,85;

6) уb6 учитывает влияние попеременного замораживания и оттаивания на прочность бетона; численные значения коэффициента принимают по табл. 1.21;

7) уb7 — учитывает снижение прочности бетона при длительном его нагреве до температуры около 50 °С в сухом жарком климате; при эксплуатации конструкций, не защищённых от солнечной радиации, в климатическом подрайоне = 0,85;

8) уЬ8 — учитывает кратковременность процесса предварительного обжатия и пониженные потери преднапряжения при расчёте на прочность в стадии обжатия: для конструкций из лёгкого бетона с проволочной арматурой = 1.25; для конструкций из остальных видов бетона с той же арматурой = 1.10; для конструкций из лёгкого бетона со стержневой арматурой = 1.35; для конструкций из остальных видов бетона с той же арматурой = 1.20;

9) уb9 — учитывает несовершенство существующих способов оценки неупругих свойств бетона в неармированных конструкциях

10) уb10 — учитывает повышенную хрупкость высокопрочных бетонов;

11) уb11 — учитывает влияние влажности ячеистого бетона на его прочность;

12) yb12 — учитывает связанные условия поперечного расширения бетона в шве при замоноличивании стыков (ограничения, накладываемые сопрягаемыми конструкциями); при толщине шва замоноличивания стыков сборных элементов менее 1/5 наименьшего размера сечения элемента и менее 100 мм = 1,15.


Для отдельных видов лёгкого бетона допустимо принимать иные значения расчётных сопротивлений, согласованные в установленном порядке.

Для бетона на глинозёмистом цементе и поризованного нормативные и расчетные сопротивления его растяжению снижают на 30% против значений, приведенных в табл. 1.14 и 1.15.

Начальный модуль упругости бетона Еb при сжатии и растяжении принимают по табл. 1.18 и 1.19. Для бетонов, работающих в условиях попеременного замораживания и оттаивания, приведенные в этих таблицах значения Еb следует умножать на коэффициент уb6.

Для незащищенных от солнечной радиации конструкций, предназначенных для эксплуатации в климатическом подрайоне IVA согласно СНиП 2. 01. 01-82, значения Eh, указанные в табл. 1.18 и 1.19, следует умножать на коэффициент 0,85.






лёгких бетонов определяют с учетом отпускной объёмной влажности по формуле D + 10w, где величину w принимают равной: для лёгкого бетона класса В10 и ниже = 15% ; для поризованного бетона тех же классов = 20%; для лёгкого бетона класса В12,5 и выше = 10%.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Методы испытаний на выносливость

Concretes. Methods of endurance test

Дата введения 1982-01-01

Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 30 декабря 1980 г. N 214 срок введения установлен с 01.01.82

ПЕРЕИЗДАНИЕ. Ноябрь 1987 г.

Настоящий стандарт распространяется на все виды бетонов, применяемых в промышленном, энергетическом, транспортном, водохозяйственном, жилищно-гражданском и сельскохозяйственном строительстве, в том числе на бетоны, подвергающиеся в процессе эксплуатации нагреву, насыщению водой или нефтепродуктами.

Стандарт устанавливает методы испытаний на выносливость путем нагружения образцов стандартных размеров многократно повторяющейся осевой сжимающей нагрузкой, составляющей различные доли от разрушающей. Результатом испытаний является либо число циклов до разрушения образца, либо достижение бетоном заданного числа циклов многократного приложения нагрузки (база испытаний) на определенном уровне нагружения. При изучении бетонов результаты испытаний используют для построения линии регрессии выносливости, по которой оценивают бетон.

Предусмотренные настоящим стандартом испытания проводят только на образцах, специально изготовленных из бетонной смеси. Образцы, выпиленные или выбуренные из элементов конструкций, при испытании бетона на выносливость не применяют.

В стандарте учтены рекомендации СЭВ по стандартизации PC 279-65 в части методов испытаний на выносливость.

Термины, применяемые в настоящем стандарте, и их пояснения приведены в справочном приложении 4.

1. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

1.1. Испытание бетона на выносливость следует проводить на образцах-призмах размерами 70х70х280, 100х100х400, 150х150х600, 200х200х800 мм. В качестве базового образца принимают призму с размерами 150х150х600 мм.

1.2. Размеры образцов для испытаний выбирают в зависимости от наибольшей крупности заполнителей в пробе бетонной смеси в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78.

1.3. Отбор проб бетонной смеси, изготовление и хранение образцов следует производить в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78.

1.4. Образцы изготовляют сериями. Для проведения испытаний на выносливость при заданных параметрах нагружения (уровня и частоты нагружения, а также коэффициента асимметрии) серия должна состоять из 6 образцов, из которых 3 образца подвергают многократно повторному нагружению, а на 3 образцах определяют призменную прочность.

Для проведения испытаний с целью построения линии регрессии выносливости серия должна состоять из 15 образцов, из которых 12 образцов подвергают многократно повторному нагружению, а на 3 образцах определяют призменную прочность.

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

2.1. Для проведения испытаний следует применять испытательные машины и установки, работающие в режиме многократно повторного нагружения, отвечающие требованиям настоящего стандарта и аттестованные в установленном порядке в соответствии с требованиями ГОСТ 8.001-80* и МУ 8.7-77.

2.2. Испытания следует проводить на испытательных машинах и установках, имеющих счетчик числа циклов нагружения, а также динамическую тарировку в эксплуатационном режиме.

2.3. Машины и установки должны обеспечивать возможность изменения и регулирования уровней нагружения.

2.4. Опорные плиты испытательной машины должны обеспечивать неподвижность образцов в процессе испытаний и возможность их центрирования по отношению к центральной оси машины и отвечать требованиям ГОСТ 8905-82*.

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ 28840-90. - Примечание изготовителя базы данных.

2.5. Для насыщения образцов водой или нефтепродуктами, а также для испытания образцов при нагреве следует применять оборудование и приборы, в соответствии с требованиями ГОСТ 24452-80.

3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЯМ

3.1. Образцы должны быть перенесены в помещение для испытаний не менее чем за 3 сут.

3.2. Подготовку образцов к испытаниям следует начинать с их осмотра и определения линейных размеров, при этом допускаемые отклонения от номинальных размеров должны удовлетворять требованиям ГОСТ 10180-78.

3.3. Призменную прочность бетона определяют по ГОСТ 24452-80 до испытаний на выносливость.

3.4. Насыщение образцов водой или нефтепродуктами, а также подготовку образцов, подвергаемых испытаниям при нагреве, проводят по ГОСТ 24452-80.

3.5. В помещении, где проводят испытания, температура воздуха должна быть не ниже плюс 10 °С.

4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ


4.1. Испытание следует проводить при постоянных значениях уровня нагружения частоты циклов многократного повторного нагружения , коэффициента асимметрии цикла напряжений , а также заданного числа циклов многократного повторного нагружения (базы испытаний), назначаемых в соответствии с программами испытаний, исследований или с указаниями стандартов и технических условий на бетонные и железобетонные конструкции.

При отсутствии таких указаний испытания проводят при базовых условиях с последующим построением линии регрессии выносливости.

Для этого последовательно проводят испытания образцов на четырех уровнях нагружения, которые принимают равным 0,9; 0,8; 0,7 и 0,6 от разрушающей нагрузки, принимая значения коэффициента асимметрии цикла напряжения равным 0,1, частоту многократно повторного нагружения равной 5-10 Гц. Возраст бетона к началу испытаний должен быть не менее 28 сут.

4.2. Образцы до соответствующего уровня нагружают непрерывно с постоянной скоростью нарастания напряжений (0,05±0,02) МПа/с [кгс/(см·с)], после чего создают многократно повторяющуюся нагрузку соответствующей интенсивности. Значение минимальных напряжений цикла многократно повторного нагружения вычисляют по формуле


, (1)

где - максимальное напряжение цикла;

- коэффициент асимметрии цикла напряжений.

4.3. Испытания образцов следует начинать с уровня нагружения, равного 0,9, с последующим снижением уровня в порядке, указанном в п.4.1.

4.4. На каждом уровне нагружения следует испытывать 3 образца. Схема испытательной машины для одновременного испытания 3 образцов приведена на чертеже. При разрушении образца испытательную машину останавливают, на его место устанавливают металлический вкладыш, способный воспринимать прилагаемую нагрузку, и продолжают испытания.

Схема испытательной машины на три образца


1 - рама машины; 2 - верхняя винтовая опора с оголовником; 3 - образец; 4 - гидродомкрат; 5 - маслопровод

4.5. Испытания проводят на испытательной машине одного типа и считают законченными в случае разрушения образцов или достижения ими заданного числа циклов (базы испытаний).

4.6. Дополнительные требования к методике испытаний бетона на выносливость при нагреве приведены в обязательном приложении 1.

4.7. Исходные данные и результаты каждого испытания фиксируют в журнале испытаний, форма которого дана в рекомендуемом приложении 2.

4.8. При проведении испытаний должны, соблюдаться требования нормативных документов по безопасности труда и требования, указанные в ГОСТ 10180-78.


5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. В обработку результатов испытаний включают образцы разрушившиеся в интервале от 100 до заданного числа циклов многократно повторного нагружения.

5.2. По результатам испытаний отдельных образцов при заданных параметрах нагружения в соответствии с пп.1.4, 4.1 вычисляют среднее значение числа циклов многократно повторного нагружения по формуле


, (2)*

где * - значение числа циклов отдельного образца;

- число образцов в серии.

_______________
* Формула и экспликация к ней соответствуют оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Если среднее значение числа циклов, вычисленное по формуле (2), меньше числа циклов заданного нормативным документом, то делают заключение о несоответствии прочности бетона требованиям к его выносливости и следует провести испытания на другом составе бетона.

5.3. По результатам испытаний образцов для построения линии регрессии выносливости в соответствии с пп.1.4, 4.1 следует установить линейную зависимость, определяемую уравнением регрессии


, (3)

где и - коэффициенты, определяемые по результатам испытаний;

- число циклов, соответствующих разрушению образца.

Теснота корреляционной связи, определяемая коэффициентом корреляции, должна находиться в пределах -0,7-1,0.


5.4. Линия регрессии выносливости должна строиться в виде диаграммы, на оси абсцисс которой откладывают в логарифмическом масштабе число циклов нагружений до разрушения отдельных образцов, а по оси ординат - отношение либо максимальные напряжения .

5.5. По построенной линии регрессии выносливости следует провести оценку сопротивляемости бетона многократно-повторному нагружению.

5.6. Примеры обработки результатов испытаний по пп.5.2-5.4 и оценки на их основе испытанного бетона приведены в справочном приложении 3.


ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Обязательное

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДИКЕ ИСПЫТАНИЙ БЕТОНА НА ВЫНОСЛИВОСТЬ ПРИ НАГРЕВЕ

1. Для каждой требуемой температуры нагрева бетона следует отбирать образцы по п.1.3 настоящего стандарта.

2. Для проведения испытаний нагревательное устройство и средства измерения температур применяют по ГОСТ 24452-80.

3. Нагревательное устройство (камерная электрическая печь) должно обеспечивать равномерный нагрев образца по заданному режиму до требуемой температуры и устанавливаться таким образом, чтобы оно не подвергалось воздействию многократно-повторного нагружения.

Перепад температуры по высоте рабочего пространства нагревательного устройства не должен превышать 10 °С при нагреве до 200 °С.

4. Температуру в рабочем пространстве нагревательного устройства контролируют термопарами, установленными у верхнего и нижнего торца образца.

2*. Призменную прочность бетона для требуемой температуры нагрева определяют в соответствии с требованиями ГОСТ 24452-80.

* Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

6. Параметры нагружения образцов принимают по п.4.1 настоящего стандарта.

7. Образец нагревают со скоростью 30 °С/ч до требуемой температуры, после чего подвергают многократно повторному нагружению. Во время испытаний температура в рабочем пространстве нагревательного устройства не должна изменяться.

Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона

Concretes. Methods of prismatic, compressive strength, modulus of elasticity and Poisson's ratio determination

Дата введения 1982-01-01

Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 18 ноября 1980 г. N 177 дата введения установлена 01.01.82

ПЕРЕИЗДАНИЕ. Ноябрь 2005 г.

Настоящий стандарт распространяется на все виды бетонов, применяемых в промышленном, энергетическом, транспортном, водохозяйственном, жилищно-гражданском и в других видах строительства, в том числе подвергающиеся в процессе эксплуатации нагреву, насыщению водой, нефтепродуктами и другими жидкостями.

Стандарт устанавливает методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона бетона.

Испытание для определения указанных показателей свойств бетона производится путем постепенного (ступенями) нагружения образцов-призм или образцов-цилиндров стандартных размеров осевой сжимающей нагрузкой до разрушения при определении призменной прочности и до уровня 30% разрушающей нагрузки с измерением в процессе нагружения образцов их деформации при определении модуля упругости и коэффициента Пуассона.

Призменная прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона вычисляются по определенным в процессе испытания нагрузкам (и 0,3) и продольным и поперечным относительным упругомгновенным деформациям ( и ).

Настоящий стандарт следует применять при определении показателей свойств бетонов различного вида и назначения в соответствии с требованиями стандартов, технических условий или рабочих чертежей на бетонные и железобетонные конструкции и изделия, а также при изучении свойств новых видов бетонов.

Стандарт соответствует рекомендации СЭВ РС 279-65 и РИЛЕМ Р8 в части требований к образцам.

1. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

1.1. Призменную прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона следует определять на образцах-призмах квадратного сечения или цилиндрах круглого сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 4. Ширина (диаметр) образцов должна приниматься равной 70, 100, 150, 200 или 300 мм в зависимости от назначения и вида конструкций и изделий. За базовый принимают образец размерами 150х150х600 мм.

Размеры образцов в зависимости от наибольшей крупности заполнителя должны удовлетворять требованиям ГОСТ 10180-78.

1.2. Отклонение размеров и формы образцов от номинальных, неплоскостность их опорных поверхностей, прилегающих к плитам пресса, а также отклонение от перпендикулярности опорных и боковых поверхностей образцов не должны превышать значений, установленных ГОСТ 10180-78.

1.3. Отбор проб и изготовление образцов из бетонной смеси либо отбор образцов, изготовленных путем выбуривания или выпиливания их из изделий, конструкций и сооружений, производят по ГОСТ 10180-78.

1.4. Образцы изготовляют сериями. Серия должна состоять из трех образцов.

1.5. Правила выдерживания образцов и сроки испытаний следует принимать по ГОСТ 10180-78, если нет других требований, предусмотренных стандартами или техническими условиями на бетонные и железобетонные конструкции и изделия или рабочими чертежами конструкций. Образцы, высверленные или выбуренные из конструкций или изделий, должны до испытания находиться под влажной тканью за исключением образцов, требующих иных условий твердения, предусмотренных ГОСТ 10180-78.

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

2.1. Для измерения деформаций следует применять тензометры по ГОСТ 18957-73* и другие приборы, обеспечивающие измерение относительных деформаций с точностью не ниже 1·10.

* На территории Российской Федерации отменен (здесь и далее).

Допускается использовать проводниковые тензорезисторы по ГОСТ 21616-76*, наклеиваемые на поверхность бетона.

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ 21616-91. - Примечание изготовителя базы данных.

2.2. Термометры и индикаторы для измерения деформации устанавливают на образце с помощью прижимных приспособлений (рамок, струбцин, опорных вставок) в соответствии с фиксируемой базой измерения деформаций по п.3.5. Прижимные приспособления должны обеспечивать неизменное положение тензометров и индикаторов относительно образца в процессе измерения деформации.

2.3. Прессы и испытательные машины должны удовлетворять требованиям ГОСТ 28840-82*. Допускается применение другого испытательного оборудования, отвечающего требованиям ГОСТ 10180-78.

* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ 28840-90. - Примечание изготовителя базы данных.

2.4. Формы для изготовления образцов следует применять в соответствии с требованиями ГОСТ 22685-89, а оборудование для изготовления образцов, приборы и инструменты для определения отклонений размеров и формы образцов от номинальных и отклонение от плоскостности их опорных поверхностей по ГОСТ 10180-78.

2.5. Для определения плотности (объемной массы) бетона образцов следует применять оборудование по ГОСТ 12730.0-78 и ГОСТ 12730.1-78.

2.6. Для определения призменной прочности, модуля упругости бетона, подвергающегося в процессе эксплуатации нагреву, насыщению водой, нефтепродуктами и другими жидкостями, дополнительно применяют оборудование по приложениям 1 и 2.

2.7. Испытательные машины (прессы) и приборы должны быть аттестованы и проверены в установленном порядке организациями Госстандарта или ведомственными метрологическими службами в соответствии с ГОСТ 8.001-80* и МУ 8.7-77.

* На территории Российской Федерации действуют ПР 50.2.009-94**.

3. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЯМ

3.1. Перед испытанием образцы следует осмотреть, устранить имеющиеся дефекты, отдельные выступы на гранях снять наждачным камнем, измерить линейные размеры, проверить отклонение формы и размеров в соответствии с ГОСТ 10180-78.

3.2. Плотность (объемную массу) и влажность бетона в момент испытания (в тех случаях, когда это необходимо) определяют по ГОСТ 12730.1-78 и ГОСТ 12730.2-78.

3.3. Перед испытанием образцы должны не менее 2 ч находиться в помещении лаборатории, кроме образцов, испытываемых при нагреве.

3.4. Интервал рабочих температур помещения, где проводятся испытания, - от 10 °С до 30 °С по ГОСТ 18957-73.

3.5. На боковых поверхностях образцов следует разметить центральные линии для установки приборов для испытания деформаций и центрирования образцов по оси испытательной машины (пресса).

По центральным линиям размечают базы измерения продольных и поперечных деформаций образцов.

База измерения деформаций должна в 2,5 раза и более превышать наибольший размер зерен заполнителя и быть не менее 50 мм при использовании тензорезисторов и 100 мм - при использовании других приборов для измерения деформаций.

База измерения продольных деформаций должна быть не более высоты образца и располагаться на одинаковом расстоянии от его торцов.

3.6. Приборы для измерения деформаций образцов должны быть установлены по четырем его граням или по трем или четырем образующим цилиндра, развернутым под углом 120 или 90°. Приборы для измерения поперечных деформаций должны быть установлены посередине высоты образца нормально базам измерения продольных деформаций.

Для крепления индикаторов используют приспособления в виде стальных рамок, закрепляемых на образце с помощью четырех упорных винтов - по два с противоположных сторон образца - или опорных вставок, приклеиваемых на образце (см. чертеж).

Рамки следует изготовлять из стальных полос, опорные вставки - из стальных квадратов или прутков с отверстиями для крепления индикаторов. Масса соединительной вставки для измерения поперечных деформаций образца не должна превышать 10 г в соответствии с требованиями ГОСТ 18957-73. В качестве соединительной вставки для измерения продольных деформаций следует применять соединительные вставки-рамки, обеспечивающие возможность измерения деформаций до конца разрушения образца.

Для крепления опорных вставок следует применять быстрополимеризующийся клей с малым набуханием.

Перед наклеиванием поверхность образца следует обезжирить органическим растворителем, а затем нагреть опорную вставку до температуры 50 °С - 60 °С. Опорную вставку в горячем состоянии прижимают к поверхности образца, предварительно нанеся на нее клей.

Рекомендуемая схема установки приспособлений для крепления индикаторов при измерении продольных и поперечных деформаций образца приведены на чертеже.

3.7. Подготовку образцов, насыщенных водой, нефтепродуктами и другими жидкостями, проводят по методике, предусмотренной в приложении 1. Для устранения влагопотерь производят гидроизоляцию образцов в соответствии с ГОСТ 24544-81.

3.8. Призменную прочность и модуль упругости бетонов, подвергающихся в процессе эксплуатации нагреву, определяют с применением оборудования и выполнением дополнительных требований, предусмотренных в приложениях 2 и 3.

Схема установки приспособлений для крепления индикаторов при измерении продольных и поперечных деформаций образца



4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

4.1. При определении модуля упругости и коэффициента Пуассона шкалу силоизмерителя испытательного пресса (машин) выбирают из условия, что ожидаемое значение разрушающей нагрузки должно быть от 70% до 80% от максимальной, допускаемой выбранной шкалой. При определении призменной прочности шкалу силоизмерителя выбирают в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78.

4.2. Перед испытанием образец с приборами устанавливают центрально по разметке плиты пресса и проверяют совмещение начального отсчета с делением шкалы прибора.

4.3. Начальное усилие обжатия образца, которое в последующем принимают за условный нуль, должно быть не более 2% от ожидаемой разрушающей нагрузки.

Значение ожидаемой разрушающей нагрузки при испытании образцов устанавливают по данным о прочности бетона, принятой в технической документации, или по прочности на сжатие изготовленных из одного замеса образцов-кубов, определенной в соответствии с ГОСТ 10180-78. Ее значение при одинаковых сечениях кубов и призм следует принимать от 80 до 90% средней разрушающей нагрузки образцов-кубов.

4.4. При центрировании образцов необходимо, чтобы в начале испытания от условного нуля до нагрузки, равной (40±5%) отклонения деформаций по каждой грани (образующей) не превышали 15% их среднего арифметического значения.

При несоблюдении этого требования при нагрузке, равной или большей (15±5%) , следует разгрузить образец, сместить его относительно центральной оси разметки плиты пресса в сторону больших деформаций и вновь произвести его центрирование.

Образец бракуют после пяти неудачных попыток его центрирования.

4.5. При центрировании образцов деформации фиктивных волокон, совпадающих с центрами отверстий, в которых крепят индикаторы (см. чертеж), относят к граням образца и определяют по формулам:


; (1)


, (2)

где и - деформации фиктивных волокон на противоположных гранях образца;

и - деформации, отнесенные к граням образца;

- размер стороны образца;

- расстояние от грани образца до центра отверстий, в которых крепят индикаторы.

4.6. При определении призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона бетона нагружение образца до уровня нагрузки, равной (40±5)%, следует производить ступенями, равными 10% ожидаемой разрушающей нагрузки, сохраняя в пределах каждой ступени скорость нагружения (0,6±0,2) МПа/с.

На каждой ступени следует производить выдержку нагрузки от 4 до 5 мин (при нагреве - до 15 мин) и записывать отсчеты по приборам в начале и в конце выдержки ступени нагрузки в журнал по форме приложения 4.

При уровне нагрузки, равной (40±5)%, снимают приборы с образца, если нет других требований, предусмотренных программой испытания. После снятия приборов дальнейшее нагружение образца следует производить непрерывно с постоянной скоростью в соответствии с требованием ГОСТ 10180-78.

Структура оказывает решающее влияние на прочностные и деформативные характеристики бетона. Она грубо неоднородна и зависит от многочисленных факторов: зернового состава крупных и мелких заполнителей, объемной концентрации цементного камня, водоцементного отношения, способов уплотнения, условий твердения, степени гидратации цементного камня и др.

Структура бетона формируется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами крупных и мелких заполнителей и пронизанной многочисленными микропорами и капиллярами, содержащими химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Поэтому бетон представляет собой капиллярно-пористый каменный материал, в котором нарушена сплошность и присутствуют все три фазы - твердая, жидкая и газообразная.

Структура цементного камня в бетоне также сложна и неоднородна. Цементный камень состоит из упругого кристаллического состава и наполняющей его вязкой массы - геля. Сочетание упругой и вязкой структурных составляющих цементного камня наделяет бетон свойствами упругопластично-ползучего тела. Эти свойства проявляются в поведении бетона под нагрузкой и в его взаимодействии с внешней средой. Для гидратации зерен клинкера и затвердения цементного камня в бетоне достаточно В/Ц не более 0,2. Для лучшей удобоукладываемости бетонной смесиВ/Ц увеличивают до 0,5. 0,6. Излишек воды испаряется и образует в цементном камне многочисленные поры и капилляры, что снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность. Общий объем пор в цементном камне при нормальных условиях твердения составляет 25. 40% от объема цементного камня. Размеры их весьма малы: 60. 80% объема пор приходится на долю капилляров с радиусом до 1 мкм (10 4 см). С уменьшением В/Ц пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому на предприятиях сборного железобетона применяют преимущественно жесткие бетонные смеси (В/Ц = 0,3. 0,4). Бетоны из жестких смесей обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

Теории прочности (максимальных нормальных напряжений, максимальных касательных напряжений и др.), предложенные для других материалов, к бетону неприменимы. Прочностные и деформативные характеристики бетона в зависимости от его структуры устанавливают экспериментальным путем.

7.3. Основы прочности. Под прочностью твердого тела понимают его способность сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность бетона зависит от многочисленных факторов:

структуры, марки и вида цемента, водо-цементного отношения, вида и прочности крупных и мелких заполнителей, условий твердения, вида напряженного состояния, формы и размера образцов, длительности загружения. Определяющее влияние на прочность бетона оказывает взаимодействие твердой кристаллической части цементного камня с его пластичной гелевой частью. Во времени гелевая составляющая уменьшается, а кристаллическая - увеличивается. Соотношение во времени между двумя составляющими цементного камня в основном зависит от марки цемента и тонкости помола. Чем тоньше помол цемента, тем быстрее рост твердой кристаллической части.

В нашей стране в основном производится алитовый портландцемент. После твердения он обладает наибольшим отношением твердой кристаллической к пластичной гелевой составляющей цементного камня. Вследствие этого алитовый портландцемент оказывается наиболее прочным. При одноосном сжатии растягивающие напряжения в сплошной среде отсутствуют, хотя вокруг пор и пустот по продольным площадкам возникают растягивающие структурные напряжения, уравновешиваемые сжимающими напряжениями (рис. 16, а). Поэтому местные структурные напряжения в явном виде не учитывают, полагая, что влияние их сказывается при определении нормативных прочностных и деформативных характеристик бетона.

Вследствие частого и хаотического расположения пустот происходит взаимное наложение растягивающих напряжений (появляется вторичное поле напряжений). Концентрация местных растягивающих напряжений приводит к появлению и развитию микротрещин в бетоне еще задолго до его разрушения. При растяжении интенсивное развитие микротрещин происходит при напряжениях (временное сопротивление осевому растяжению) и непосредственно предшествует разрыву. Опыты показывают, что разрыв бетона происходит при определенном значении удлинения (продольного и поперечного) независимо от напряженного состояния, вызвавшего это удлинение.




Отсутствие закономерности в расположении заполнителей в затвердевшем бетоне, а также в размерах и расположении пор приводит к существенному разбросу показателей прочности эталонных образцов, изготовленных из одного бетона. Поэтому данные о фактической прочности и деформативности бетона основывают на большом числе экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях. На прочность бетона большое влияние оказывает скорость нагружения образцов. При замедленном их нагружении прочность бетона оказывается на 10. 15% меньше, чем при кратковременном. При быстром нагружении (0,2 и менее) прочность бетона возрастает до 20%.

Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность, прочность при срезе и скалывании, при многократно повторных нагрузках, при кратковременном, длительном и динамическом действии нагрузок.

7.4. Кубиковая прочность. В железобетонных конструкциях бетон преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную характеристику (эталон) прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Все другие прочностные характеристики (на растяжение, местное сжатие и др.) и модуль деформаций зависят от прочности бетона на осевое сжатие и определяются по эмпирическим формулам с помощью экспериментальных коэффициентов. Наиболее простым и надежным способом оценки прочности бетона в реальных конструкциях является раздавливание на прессе кубов бетона, изготовленных в тех же условиях, что и реальные конструкции. За стандартные лабораторные образцы принимают кубы размером 15 х 15 х 15 см; испытывают их при температуре (20 4: 2) °С через 28 дн твердения в нормальных условиях (температуре воздуха 15. 20°С и относительной влажности 90-100%).

Временное сопротивление эталонных кубов принимают за кубиковую прочность бетона.

В настоящее время широкое распространение получают экономичные неразрушающие методы оценки прочности бетона в реальных конструкциях и изделиях: ультразвуковые, просвечивание проникающими лучами.

На величину лабораторно оцениваемой прочности бетона существенно влияет форма и размеры образцов: например, чем меньше куб, тем она больше. Так, временное сопротивление сжатию бетонных кубов со стороной 10 см на 10% выше, чем прочность эталонных кубов, а прочность куба со стороной в 30 см ниже на 11. 13%.

Различное временное сопротивление сжатию образцов разной формы объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса, неоднородностью структуры бетона. Вблизи опорных плит пресса силы трения, направленные внутрь образца, создают как бы обойму и тем самым увеличивают прочность образцов при сжатии. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцов снижается, поэтому бетонный куб при разрушении получает форму двух усеченных пирамид, обращенных друг к другу вершинами (рис. 16, б). При уменьшении сил трения посредством смазки (парафин, стеарин) характер разрушения меняется (рис. 16, г): вместо выкалывания с боков образца пирамид происходит раскалывание его по трещинам, параллельным направлению действия усилия. При этом временное сопротивление бетона сжатию уменьшается. Физическую сущность масштабного эффекта раскрывает статистическая теория прочности хрупких материалов.

В общем случае прочность бетона при осевом сжатии имеет три характерные границы. Первой границей является величина прочности бетона на многократно повторную нагрузку (предел выносливости бетона) (рис. 17, а), второй - предел длительного сопротивления бетона, и третий - кратковременное сопротивление бетона или призменная прочность бетона.

7.5. Призменная прочность. Под призменной прочностью понимают временное сопротивление осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы к размеру стороны квадрата, равном 4. Образцы призматической формы, для которых влияние сил трения меньше, чем для кубов, при одинаковом поперечном сечении показывают меньшую прочность на сжатие. В реальных конструкциях напряженное состояние бетона приближается к напряженному состоянию призм. Поэтому для расчета конструкций на осевое сжатие принята призменная прочность бетона, ее величина имеет максимальное значение при мгновенном загружении. При таком соотношении Н/b влияние опорных плит пресса в средней части призмы (участок разрушения), а также гибкости бетонного образца практически не сказывается. При этом имеется в виду, что эталонные призмы набирали прочность в нормальных условиях в течение 28 дней и что условия загружения соответствуют требованиям ГОСТа.

Призменная прочность равняется примерно 0,75 кубиковой прочности для класса бетона В25 и выше и 0,8 для класса бетона ниже В25.

7.6. Прочность при срезе и скалывании.Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы, например F/2 (рис. 18, а).

Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий (рис. 18,6). Железобетонные конструкции редко работают на срез и скалывание. Обычно срез сопровождается действием продольных сил, а скалывание - действием поперечных сил. Сопротивление срезу может возникать в шпоночных соединениях и у опор балок, а сопротивление скалыванию - при изгибе преднапряженных балок до появления в них наклонных трещин, если не обеспечена надежная связь между верхней и нижней частями бетона на опорах.

7.7. Прочность при длительном действии нагрузки. Пределом длительного сопротивления бетона называют наибольшие статические неизменные во времени напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долгое время без разрушения. При длительном действии нагрузки бетонный образец разрушается при напряжениях меньших, чем при кратковременной нагрузке (рис. 18, в). Это обусловливается влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и изменением структуры бетона и зависит от режима нагружения, начальной прочности и возраста образцов.

Длительное сопротивление (см. рис. 17, а) может составлять 90% кратковременного.

Поэтому при расчете прочности элементов в расчетное сопротивление бетона сжатию и растяжению, вводят коэффициент условия работы, учитывающий влияние на прочность бетона вероятной длительности действия расчетных усилий и условий возрастания прочности бетона во времени. Если вследствие нарастания прочности с течением времени уровень напряжений постепенно уменьшается, то фактор длительности приложения нагрузки может не оказывать влияния на несущую способность элементов.

7.8. Прочность при многократном действии нагрузки. Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 10 6 . Установлено, что предел выносливости бетона уменьшается с уменьшением коэффициента асимметрии цикла (рис. 19, а). Предел выносливости бетона определяют посредством умножения временных сопротивлений бетона на коэффициент условий работы бетона.

Предел выносливости связан с нижней границей образования микротрещин. Если многократно повторная нагрузка вызывает в бетоне напряжения выше границы трещинообразования, то при большом количестве циклов наступает его разрушение.

Длительное сопротивление материалов и их пределы выносливости в зависимости от режима нагружения, нелинейности деформирования, ползучести, возраста, начальной прочности могут быть рассчитаны по методике В. М. Бондаренко.

Бетоны высоких классов не дают заметного прироста прочности во времени. Твердение бетона значительно ускоряется с повышением температуры и влажности среды. Поэтому на предприятиях сборного железобетона изделия подвергают тепловлажностной обработке (температура до 90 °С и влажность до 100%) или специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре порядка 170°С. Эти способы позволяют за сутки получить прочность бетона, равную 70% от проектной прочности.

При температурах ниже 4- 5 °С твердение бетонов существенно замедляется, а при температуре бетонной смеси -10 °С - практически прекращается (рис. 20, а). За 28 суток твердения при -5 °С бетон набирает не более 8% прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях, при 0°С-40. 50%, при +5°С-70. 80%. После оттаивания бетонной смеси твердение бетона возобновляется, но конечная прочность его всегда оказывается ниже прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях.

Читайте также: