§ 6.4 Методика испытаний

На результаты определения прочности бетона влияет много факторов. Даже образцы из одного и того же замеса, твердевшие в одинаковых условиях и испытанные на одном прессе, показывают различные значения прочности бетона. Если же имеются отклонения в методике испытаний, то различия в прочности могут быть весьма значительными. Следует помнить, что определяемый испытаниями показатель прочности бетона является характеристикой, которая зависит не только от свойств материала, но в некоторой степени от методики испытаний. Поэтому необходимо строго придерживаться соответствующих рекомендаций по методикам испытания и добиваться максимального единообразия в их проведении.

Для пояснения сказанного рассмотрим влияние различных факторов, связанных с подготовкой и испытанием образцов на прочность бетона при сжатии. Условно эти факторы можно разделить на три группы: статистические, технологические, методические. Очевидно, что невозможно получить совершенно одинаковые по структуре образцы бетона. Всегда будет наблюдаться пусть незначительное, но различие в распределении отдельных компонентов бетона, в возникающей системе дефектов (пор, микротрещин и т. д.), в колебаниях свойств отдельных зерен составляющих (цемента и заполнителей) и новообразований цементного камня. В результате появляется определенная неоднородность материала, которая сказывается на результатах испытаний.

Факторы, связанные с приготовлением образцов и их качеством, относятся к технологическим. На результаты испытаний будут влиять параллельность граней образца, их ровность и шероховатость, условия изготовления. Так, при изготовлении бетонных образцов из пластичных смесей при больших расходах воды в ряде других случаев под зернами заполнителя вследствие седиментации возникают ослабленные места, которые имеют горизонтальное направление. При испытании в этом случае заметное влияние на результаты будет оказывать расположение образца между плитами пресса. Наименьшие результаты получаются при сжатии образцов, положенных на бок, т. е. когда ослабленные полости совпадают с направлением усилия сжатия. В этом случае наличие слабых мест заметно уменьшает сопротивление образца действию растягивающих усилий в горизонтальном направлении и способствует разрушению его. Прочность образцов, испытанных в положении на боку, может быть на 10-20 % ниже, чем при испытании в том положении, в котором образец формовался. Поэтому при испытаниях обязательно следует учитывать указанные факторы и располагать образцы на прессе в одинаковом положении. Кубы обычно испытывают в положении на боку, чтобы иметь запас прочности.

К методическим факторам относятся различные аспекты методики испытания, каждый из которых оказывает определенное влияние на его результат. Конструкция и особенности пресса, размеры образца, условие взаимодействия образца и пресса, скорость нагружения, влажность бетона  все эти факторы могут оказать существенное влияние на окончательный результат – предел прочности бетона.

При испытании бетонного образца в прессе напряжения возникают не только в образце, но и в плитах пресса. Так как модуль упругости стали намного выше модуля упругости бетона, то даже при одинаковых напряжениях деформации, возникающие в плитах пресса, в том числе поперечные деформации от действия растягивающих напряжений, оказываются меньше, чем деформации бетона. Между плитами пресса и образцом обычно действуют силы трения, в результате чего поверхность бетонного образца, прилегающая к плитам пресса, имеет одинаковые с последними деформации. Эти деформации значительно меньше деформаций в других сечениях. Образец же разрушается тогда, когда деформации достигают предельных значений, при которых возникают сплошные трещины. Действие плит пресса, уменьшая деформации слоев бетона, прилегающих к ним, как бы оказывает на них поддерживающее влияние и предохраняет от разрушения. Это явление принято называть эффектом обоймы. Поэтому кубы бетона имеют обычно характерную форму разрушения (рис.6.5,а), когда наибольшие деформации и разрушения наблюдаются в среднем сечении образца, а образец после испытания как бы представляет две сложенные вершинами усеченные пирамиды.

Рис. 6.5. Характер разрушения бетонных кубов при различных условиях испытания:

а  обычная схема испытания (пунктиром показана ориентировочная

область влияния «эффекта обоймы»); б  при смазке опорных поверхностей;

в  при применении податливых прокладок

Однако можно изменить условия взаимодействия пресса и образца и тем самым изменить напряженное состояние, возникающее в образце, и результаты испытания. Например, если с помощью какой-либо смазки ликвидировать силы трения между плитами пресса и образцом, то меняется характер разрушения (рис. 6.5,б), образец как бы раскалывается системой параллельных вертикальных трещин и вследствие отсутствия поддерживающего влияния эффекта обоймы прочность его снижается на 20-30 %.

Подобные испытания не применяют, так как устранить полностью трение трудно и обычно смазка лишь снижает коэффициент трения до некоторого значения, которое зависит от вида смазки, прочности и структуры бетона и ряда других факторов. Смазка вносит неопределенность в условия испытания, увеличивает разброс результатов, поэтому был принят другой путь определения действительной прочности бетона, исключающий поддерживающее влияние эффекта обоймы, а именно испытание призм, о чем более подробно говорится ниже.

Если между плитами пресса и образцом поместить достаточно толстую прокладку, модуль деформации которой меньше модуля деформации бетона, то в ней возникают растягивающие деформации, превышающие деформации бетона, вследствие чего прокладки будут способствовать разрыву бетона, и прочность контрольных кубов может оказаться на 35-50 %, меньше, чем при испытаниях по стандартной методике (рис. 6.5,в).

Эффект обоймы проявляется в так называемом масштабном факторе, который учитывается переводными коэффициентами. При определении марки бетона используют обычно приведенные ниже средние переводные коэффициенты, позволяющие перевести прочность бетона, полученную испытанием кубов разных размеров, на прочность кубов размером 15x15x15 см:

Размер куба, см 7x7x7 10x10x10 15x15x15 20x20x20

Коэффициент 0,85 0,85 1 1,05

Еще в большей мере проявляется зависимость прочности бетона от его размеров при испытании призм (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Влияние размеров образца на прочность бетона

Если изменять расстояние между плитами пресса в широких пределах, варьируя величину h/a, то прочность может изменяться в несколько раз  в тонких образцах она будет в 2-3 раза больше, чем прочность высоких призм. Прочность призм из тяжелого бетона на 20-30 % меньше, чем прочность, получаемая при испытании кубов. Опыты показывают, что при h/a > 3 уже не наблюдается изменения прочности бетона при дальнейшем увеличении значений h/a, т.е. влияние эффекта обоймы и ряда других методических факторов практически не проявляется. Поэтому при проектировании железобетонных конструкций используют призменную прочность бетона как величину, в наибольшей степени характеризующую действительную прочность бетона в конструкции.

Однако то, что при испытании образцов различных размеров получают разные показатели прочности, объясняется не только эффектом обоймы. Здесь проявляются и другие факторы. Чем больше образец, тем выше вероятность появления в нем крупных дефектов, снижающих прочность бетона. На основе статистической теории хрупкого разрушения материалов, которая в известной мере применима к разрушению бетона, зависимость среднего предела прочности R от объема образца можно представить формулой

(6.13)

где R_o  предел прочности стандартного образца; а, b, α  эмпирические коэффициенты; V_о  объем стандартного образца. По результатам опытных данных принимают а = 0,45-0,7, b = 0,4-0,5, α = 3, однако возможны и более значительные колебания этих коэффициентов.

Заметное влияние на результаты испытаний могут оказать конструкция пресса и определяемые ею условия взаимодействия пресса и образца Обычно этому не придают существенного значения, хотя указанный фактор может сказаться на результатах испытаний, поэтому остановимся на нем более подробно.

Рис. 6.7. Обычная форма опорных плит и схема их нагружения при испытании бетонных образцов	Рис. 6.8. Зависимость напряжений ст. maxв плитах пресса от ее относительной толщины α =/а и прочности бетонаRб

В работе Г. Рюша показано, что на результаты испытаний бетонных кубов большое влияние оказывает жесткость опорных плит пресса. Меньшую прочность могут показать кубы вследствие влияния не только факторов, рассмотренных выше, но также из-за недостаточной толщины и жесткости опорных плит пресса.

В результате проведения специальных исследований были установлены зависимости, определяющие взаимодействие кубов из бетона разных марок с опорной плитой (при опирании ее в одной точке, что имеет место в обычных прессах, рис. 6.6), позволяющие оценить влияние толщины опорной плиты пресса на результаты испытаний. Под действием усилий в плите пресса возникают большие изгибающие напряжения.

Если предположить, что допускаемое напряжение стали 100 МПа и испытываются кубы из бетона прочностью 60 МПа, то согласно графику на рис. 6.7 относительная толщина опорной плиты должна быть 0,65а, где а  размер ребра куба. Для кубов размером 20x20x20 см применяют прессы с толщиной плиты  = 0,65·20 = 13 см.

При применении жестких опорных плит достаточной толщины характер разрушения соответствует рис. 6.4,а, а при применении опорных плит недостаточной жесткости можно наблюдать характер разрушение, показанный на рис. 6.4,в. Соответственно снижается прочность бетона.

Рассмотренные выше положения показывают большое влияние методики испытаний на результаты определения прочности бетона. Поэтому для получения достоверных результатов следует организовывать и проводить испытания в точном соответствии с ГОСТами и нормативными документами.