2.Определение механических свойств материалов

Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопро­тивлением), определенным при данном виде деформации.

Прочность большинства строительных материалов характеризуется пределом прочности при сжатии, при изгибе и при растяжении. Для хрупких ма­териалов (природных каменных материалов, бетонов, строительных рас­творов, кирпича и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности на сжатие.

2.1. Определение предела прочности на сжатие

Предел прочности на осевое сжатие R_сж [МПа (кгс/см²)] равен частному от деления произведения поправочного коэффициента в зависимости от размеров образца К (используется, если указано в нормативных требованиях к материалу) и разрушающей силы Р_разр [Н(кгс)] на первоначальную площадь поперечного сечения S [мм²(см²)] образца (куба, цилиндра, призмы):

R_сж = К P_разр /S, (1.14)

Для испытания образцов материала на сжатие применяют гидравличе­ские прессы и универсальные испытательные машины (рис. 3)

P-50 PM-50

Рисунок 3 – Гидравлический пресс

Для определения предела прочности на сжатие образцы материала под­вергают действию сжимающих усилий и доводят до разрушения. Испытуе­мые образцы должны иметь правильную геометрическую форму (куб, па­раллелепипед, цилиндр). Образцы могут быть следующих размеров, соответственно для природных каменных материалов и бетонов: 50х50х50, 70x70x70, 100x100x100 и 70x70x70, 100x100x100, 150x150x150, 200x200x200, 300х300х300 мм. Диаметр образцов-цилиндров 50 и 80 мм. Образцы в форме параллелепипеда (образцы-балочки) изготавливают для определения прочности неорганических вяжущих, растворов и т.д. Для определения прочности на сжатие используют половинки образцов-балочек, полученные после испытания прочности на растяжение при изгибе.

Перед испытанием образец взвешивают и обмеряют с точностью до 1 мм. Образец устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса точно по се центру, а верхнюю опорную плиту с по­мощью винта опускают на образец. Убедившись в правильности установки образца, включают насос пресса и прикладывают к образцу нагрузки, регу­лируя скорость ее нарастания (обычно в секунду 0,5-1 МПа (5-10 кгс/см²). В момент разрушения образца, (в момент наибольшей нагрузки), стрелка, связанная с силоизмерительным устройством пресса, останавливается и начинает двигаться в обратном направлении. Разрушающую нагрузку фиксируется с помощью второй регистрирующей стрелки.

Предел прочности на сжатие образца вычисляют по формуле (1.14) в кгс/см² или МПа, причем в эту формулу, как указано в соответствующих ГОСТах на испыта­ние различных строительных материалов, обычно вводят различные коэф­фициенты, в т.ч. масштабный коэффициент перехода к прочности образцов базового размера, коэффициент, учитывающий влажность образца, и дру­гие. Например, при испытании тяжелого бетона базовым образцом является куб размерами 150x150x150 мм, для которого масштабный коэффициент равен 1. При длине ребра куба 70, 100, 200 и 300 мм предел прочности рассчитывают, пользуясь соответственно масштабными коэффициентами 0,85; 0,95; 1,05 и 1,10.

При испытании образцов- балочек используют приспособления в виде стандартных стальных пластин (рис.4). В этом случае разрушающая нагрузка на образец будет действовать только на площадь, соответствующую площади пластины. Например, для балочек размером 40х40х160 используют стальные пластины площадью 25 см² .

Рисунок 4 – Расположение стальных пластин на образце для испытания прочности при сжатии

Предел прочности на сжатие в зависимости от конструкции используемых прессов может выдаваться как результат испытания на электронном табло.

Каждый материал испытывают не менее чем на 3 образцах (при испытании половинок образцов - балочек - 6). За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов испытаний.

2.2. Определение предела прочности на растяжение при изгибе

Испытания для определения предела прочности на растяжение при изгибе производят на гидравлических прессах (тех же, которые используют для определения предела прочности на сжатие) с использованием специальных приспособлений или на специальных испытательных машинах. Приспособления представляют собой роликовые опоры, прикрепляемые к опорной плите пресса и нож изгиба, прикрепляемый к верхней плите при помощи планок. В качестве приспособлений могут использоваться стальные пластины, к одной из которых приварены 2 стальных стержня округлого сечения, к другой 1 - по центру или 2 - расположенных симметрично оси балочки.

Предел прочности при изгибе определяется при одном сосредоточенном грузе или двух равных грузах, расположенных симметрично оси балочки. При испытании образец устанавливают на опорные валики при­способления так, чтобы его грани, располо­женные при изготовлении горизонтально, находились в вертикальном по­ложении, и нагружают до разрушения (рис. 5).

а) при одном сосредоточенном грузе; б) при двух одинаковых грузах

Рисунок 5 - Схемы испытаний на изгиб

Предел прочности на растяжение при изгибе R_изг [МПа (кгс/см²)] при одном сосредоточенном грузе, расположенном посередине образ­ца- балочки прямоугольного сечения, (рис. 6) опре­деляют по формуле:

(1.15)

где Р_разр — разрушающая нагрузка, Н (кгс); l — расстояние между опорами балочки, мм (см); для образцов - балочек 40х40х160 – 100 мм К; b и h — ширина и высота балочки в поперечном сечении,мм (см); а — расстояние между двумя грузами, мм (см).

Предел прочности на растяжение при изгибе стан­дартных образцов-балочек на специальных приборах значение предела прочности может фиксироваться автоматически.

2.3.Определение прочности бетона в конструкции неразрушающими методами. Метод пластического отпечатка

Метод пластического отпечатка основан на зависимости между прочностью бетона на сжатие и размерами отпечатков на бетонной поверхности, создаваемых ударом или вдавливанием. Для того чтобы размер отпечатка зависел только от прочности бетона, энергия удара или вдавливания должна быть постоянной. По такому принципу устроен эталонный молоток Кашкарова. Результаты испытания эталонным молотком не зависят от силы удара молотком по поверхности бетона.

Эталонный молоток состоит из головки, ручки, полого стакана, сменного эталонного стержня и индикатора (шарика) (рис.6). Между головкой и стаканом размещена пружина, обеспечивающая соприкосновение индикатора и эталонного стержня. Эталонные стержни изготавливаются из круглой прутковой стали марок ВСт.3 сп2 или ВСт3пс2 (класс А-1) диаметром 10-12 мм.

Рисунок 6 - Эталонный молоток НИИМосстроя конструкции

К. П. Кашкарова

При проведении испытаний образцов-кубов, для нанесения ударов выбирается поверхность, образованная стенками формы. Удары молотком могут наносятся двумя способами: непосредственно молотком Кашкарова по поверхности, молотком по молотку Кашкарова, приведенному в соприкосновение с поверхностью бетона. Удары наносятся с такой силой, чтобы размеры отпечатков на эталонном стержне получились не менее 2,5 мм, в бетоне не возникали трещины.

После каждого удара отпечаток на поверхности бетона очерчивается и нумеруется карандашом. Перед нанесением следующего удара эталонный стержень в молотке передвигают на 10-12 мм. После выполнения серии из 3-х ударов по кубику эталон-стержень вынимают и поверхность его по линии полученных отпечатков подшлифовывают (для отчетливости) тупым ножом или использованным стержнем.

Измеряются диаметры отпечатков на бетоне и на эталонном стержне. Измерение производят при помощи углового шаблона (рис.7) с точностью до 0,1мм.

1 — угловой масштаб; 2 — измеряемая лунка

Рисунок 7 - Определение диаметра отпечатка на бетоне угловым масштабом

Для каждого образца или участка поверхности конструкции суммируют размеры отпечатков на бетоне и на эталонном стержне. Находят величину косвенной характеристики Н как среднее арифметическое результатов 10 ударов молотка:

Н = ∑ dб/∑ dэ, ( 1.16)

где ∑ dб- сумма диаметров отпечатков на бетоне,∑ dэ – сумма диаметров отпечатков на эталонном стержне.

Результаты измерений и произведенных вычислений записывают в журнал лабораторных работ.

Для определения прочности бетона используют градуировочную зависимость «Н-прочность». Градуировочная зависимость (рис.8) построена по результатам испытаний эталонным молотком и определения прочности с использованием пресса (не менее 20 серий испытаний бетонных образцов).

Рисунок 8 - График для определения прочности бетона, изготовленного на щебне

По полученному значению Н, используя градуировочную зависимость зависимость «Н – R_сж», определяют значение прочности бетона. Получен­ные таким образом значения R_сж справедливы для бетона с влаж­ностью 2-6%. В случае повышенной влажности значение предела прочности бетона необходимо умножить на коэффици­ент влажности К_в, принимаемый при влажности 8 % - 1,1 и при влажности 12 % - 1,2. При мокрой поверхности бетона K_в= 1,4.

Результаты определения общих свойств строительных материалов заносятся в таблицы журнала для лабораторных работ в виде соответствующих таблиц (прил 1).