Печатается по решению секции коррозии и спецбетонов НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 1 ноября 1984 г.

Методические рекомендации содержат основные положения по экспериментальному определению собственных напряжений в цементном камне и бетоне с помощью двух методов. В основе первого метода лежит механическая компенсация деформаций исследуемого материала, второй - основан на использовании магнитоупругого эффекта.

Дано описание измерительной аппаратуры и датчиков для измерения напряжений.

Предназначены для инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов и строительных лабораторий.

Илл. 9.

Прочностные и деформационные свойства цементного камня и бетона в значительной степени связаны с возникновением и развитием в их структуре собственных (внутренних) напряжений. Собственными напряжениями принято называть напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних воздействий.

Внешним проявлением таких напряжений являются наблюдающиеся в процессе твердения цементов сбросы прочности, появление трещин, объемные изменения цементного камня.

Необходимость экспериментального определения собственных напряжений в цементных материалах возникает при решении различных задач научного и практического характера. Количественная оценка этих напряжений дает представление об энергетических возможностях материалов и позволяет более правильно определить области их применения.

Следует отметить, что экспериментальное определение собственных напряжений в цементном камне и бетоне представляет значительные трудности, связанные с недостаточной разработкой методик и необходимых технических средств для их измерения.

Известны два способа измерения напряжений - косвенный и прямой. Косвенный метод основан на измерении деформаций и констант упругости материала среды. Напряжения рассчитываются по формулам теории упругости.

В последнее время все шире разрабатываются и применяются средства и методики прямого измерения напряжений в материале, не требующие определения его упругих свойств и деформаций.

В настоящих Методических рекомендациях приводится описание прямого определения собственных напряжений с помощью двух методов, разработанных в НИИЖБ. При составлении Методических рекомендаций использован значительный опыт применения указанных методов для определения собственных напряжений, сопровождающих процесс твердения расширяющихся и напрягающих цементов, полимербетона, арболита и других материалов.

Методические рекомендации составлены с учетом "Методических указаний по определению внутренних напряжений в цементном камне, растворе и бетоне с помощью кольцевых магнитоупругих датчиков ЦНИИСК" (Каунас, 1979).

Настоящие Методические рекомендации разработаны лабораторией физико-химических исследований бетонов НИИЖБ Госстроя СССР (канд. техн. наук Л.В. Никитина).

Все замечания и предложения по содержанию Методических рекомендаций просим направлять в НИИЖБ по адресу: 109389, Москва, 2-я Институтская ул., д. 6.

1.1. Настоящие Методические рекомендации предназначены для контроля напряженного состояния цементного камня, раствора и бетона.

1.2. Рекомендации содержат два метода определения собственных напряжений в материалах:

метод, основанный на механической компенсации деформаций материала;

метод с использованием магнитоупругих датчиков.

1.3. Метод механической компенсации деформаций материала рекомендуется для определения собственных напряжений, возникающих при твердении расширяющихся и напрягающих цементов в условиях ограничения деформаций их расширения, а также для измерения расширяющих усилий, развивающихся при твердении невзрывчатого разрушающего вещества (НРВ). Метод может быть использован также для измерения напряжений в других материалах, твердение или эксплуатация которых сопровождается увеличением объема системы.

Диапазон измерения напряжений по данному методу - от 0 до 40 МПа. Метод обеспечивает относительную точность измерения 5 - 7%.

1.4. Метод магнитоупругих датчиков предназначен для длительных серийных измерений собственных напряжений в образцах цементного камня, цементно-песчаного раствора и бетона (в том числе в образцах полимербетона и арболита) при нормальных температурно-влажностных условиях, а также при изменении температуры (от +18 - 20 до 100 °C) и влажности среды.

Диапазон измерения напряжений по данному методу - от 0 до 15 МПа. Среднестатистический коэффициент вариации прибора при измерении напряжений составляет 0,7 - 0,8%.

1.5. Выбор того или иного метода измерения напряжений определяется в зависимости от вида исследуемого материала и поставленной задачи исследования.

2.1. При использовании данного метода в качестве характеристики собственных напряжений принято наименьшее давление, вызванное внешней нагрузкой, полностью подавляющее деформацию исследуемого материала. По величине нагрузки, необходимой для приведения объема исследуемого материала к первоначальной величине, определяют развивающееся в нем усилие (давление расширения).

2.2. Для проведения измерений применяют специальную измерительную установку (рис. 1), представляющую собой уравновешенный рычаг, снабженный автоматической системой нагружения.

2.3. Установка имеет следующее устройство: на основании (1) с помощью опорного шарнира (2) укреплен двуплечий рычаг (3). На рабочем плече рычага установлены релейные индикаторы (4, 5), шарнирно смонтирован шток (6) с пуансоном (7) и груз (8), который при вращении электродвигателем (9) винта (10) может перемещаться вдоль рычага, изменяя величину давления на шток. На компенсирующем плече рычага установлен противовес (11). На основании прибора смонтирован вращающийся с помощью винта подъемный столик (12), на котором устанавливается исследуемый образец (13).

2.4. Измерительная установка может работать от сети переменного тока с напряжением 127 и 220 В (в сеть с напряжением 220 В установка включается через ЛАТР). С правой стороны установки имеется ручной выключатель (тумблер). Кроме того, на рычаге прибора имеются конечные выключатели (15, 16), с помощью которых отключается электродвигатель при прохождении грузом всего рычага. Для отсчета перемещения груза вдоль рычага имеется шкала (см. рис. 1).

2.5. Перед началом проведения измерений установка подключается к сети с напряжением 220 В с помощью вилки ЛАТРа (17) и ручного тумблера (14).

2.6. Проверяется работа релейных индикаторов (4 и 5).

2.7. Стрелка индикатора груза приводится в положение 13 мм по шкале рычага.

2.8. На грузовую платформу прибора устанавливается груз массой 10 - 11 кг, который уравновешивается относительно оси рычага с помощью противовеса.

2.9. Измерение напряжений производят на образцах цементного камня, изготовленных из исследуемого материала.

2.10. Образцы изготавливают в цилиндрических формах из нержавеющей стали (размеры формы: высота 50 - 80 мм, внешний диаметр 30 - 50 мм, внутренний диаметр 20 - 40 мм), обеспечивающих двухосное ограничение деформаций.

Примечание. В случае необходимости измерение напряжений можно производить в формах для всестороннего обжатия (трехосное ограничение деформаций материала), имеющих в верхней части отверстие для пуансона.

2.11. Перед затворением материала внутреннюю поверхность формы тщательно очищают и смазывают маслом.

2.12. Цементное тесто, приготовленное из исследуемого материала (В/Ц = 0,25 - 0,3), помещают в форму, установленную на металлической подставке. Энергичным постукиванием удаляют пузырьки воздуха, поверхность образца выравнивают ножом.

2.13. После окончания схватывания образец вместе с формой и подставкой устанавливают на подъемном столике и с помощью винтового механизма подводят со слабым поджимом горизонтальной поверхностью точно к поверхности пуансона. При этом нужно следить за тем, чтобы шток пуансона находился строго в вертикальном положении.

Примечание. Установка снабжена сменными пуансонами диаметром 5, 10 и 20 мм. Выбор пуансона и размера формы образца определяется в зависимости от диапазона измерения.

2.14. В процессе твердения и расширения цементный камень оказывает давление на пуансон, что вызывает замыкание контакта релейного индикатора (4) и включение электродвигателя. Последний приводит в движение груз и передвигает его вдоль рычага до тех пор, пока увеличившаяся нагрузка не приведет пуансон в прежнее "0"-положение (соответствующее нулевой деформации образца), после чего контакт реле переключателя разомкнется.

По величине внешней нагрузки, необходимой для подавления деформации образца, судят о возникающем в материале усилии (давлении расширения).

Примечание. Контрольные перемещения пуансона, вызывающие замыкание контакта, весьма незначительны, они не превышают 0,005 мм.

2.15. Величина напряжения (давления расширения) , МПа, развивающегося в цементном камне при ограничении его деформации, определяется по формуле

где F - нагрузка на пуансон, МПа; - перемещение груза, фиксируемое по шкале, см; l₀ - расстояние пуансона от оси рычага, см; S - площадь пуансона, см²; K - константа установки.

2.16. При проведении экспериментов на различных материалах, а также на образцах одной серии (с целью получения сравнимых результатов) измерения напряжений следует проводить в одинаковых условиях твердения и нагружения, а также при одинаковых размерах пуансона и формы образца.

2.17. Результаты измерений оформляются в виде графиков в координатах: по оси абсцисс - длительность твердения исследуемого материала , ч (сут), по оси ординат - полученные значения собственных напряжений , МПа. Примеры построения таких графиков показаны на рис. 2 и 3.

3.1. Метод основан на магнитоупругом эффекте, который проявляется у некоторых ферромагнитных материалов и заключается в изменении магнитных свойств этих материалов в результате механического воздействия.

3.2. Для измерения напряжений по данному методу применяют кольцевые магнитоупругие датчики конструкции И.Н. Гельфера <*> и вторичную измерительную аппаратуру.

--------------------------------

<*> А.с. 306338 (СССР). Магнитоупругий датчик/И.Н. Гельфер. - Б.И., 1971, N 19.

3.3. Основным элементом магнитоупругих датчиков типа К-10 и К-20 является жесткое кольцо диаметром 10 и 20 мм, изготовленное из ферромагнитного материала - фехрали ОХ 23-1-05 - с модулем упругости 1 - 2 x 10⁵ МПа. Высота кольца составляет 5 мм.

3.4. Рабочей поверхностью датчиков является внешняя цилиндрическая поверхность, которая тщательно отполирована для снятия касательных напряжений и уменьшения адгезии цементного камня к ней. С торцов датчик защищен от механических воздействий пористыми прокладками из пенопласта ПХВ-1 и покрыт парафином.

3.5. На кольце датчика имеются возбуждающая и индикаторная обмотки. Концы обмоток являются выводами датчика, они закреплены на бирке - катушке, на которую наносят номер датчика (рис. 4).

3.6. Каждый датчик снабжен градуировочным графиком (рис. 5), который представляет собой зависимость , где - механические напряжения, МПа, действующие на датчик, а J - сила тока, мА, намагничивающего датчик до постоянного значения магнитной индукции в его сечении.

3.7. Намагничивающий ток измеряется в двух режимах, соответствующих двум значениям выходного напряжения v₁ и v₂, мВ, найденным предварительно по графикам основных кривых намагничивания данного датчика.

3.8. В состав измерительной аппаратуры входят следующие стандартные серийно выпускаемые приборы:

вольтметр электронный типа Ф564 - служит для контроля опорного напряжения на индикаторной обмотке датчика;

амперметр типа Э514 - служит для измерения величины тока питания датчика;

регулятор напряжения типа РНО 250-2 - служит для регулирования тока питания датчика в пределах 0,1 - 1 А с целью возможно более точной установки по шкале вольтметра Ф564 необходимого опорного напряжения;

понижающий трансформатор типа ТБС-2-0-0,16 - является источником питания датчика и обеспечивает необходимую развязку от электросети. Применение трансформатора обеспечивает безопасность работы с данной измерительной системой.

На трансформаторе под кожухом размещено регулируемое балластное сопротивление типа ПЭВР 20 - 15 Ом, которое включается последовательно с обмоткой питания датчика. Величина этого сопротивления устанавливается такой, чтобы при включенном датчике, когда рукоятка регулятора РНО 250-2 находится на отметке 220 В, протекающий через амперметр Э514 ток не превышал значения 1 А. Электрическая схема измерения собственных напряжений представлена на рис. 6.

Кроме указанных выше приборов, в состав измерительной аппаратуры входят переключатель и колодки с соединительным кабелем для подключения датчиков к переключателю.

3.10. Указанные в пп. 3.8 и 3.9 настоящих Методических рекомендаций приборы объединены в единую измерительную систему в виде комплекта аппаратуры, предназначенной для измерения выходного параметра датчика (рис. 7).

3.11. Вольтметр Ф564 включают в сеть и прогревают в течение 15 - 20 мин.

3.12. Производят калибровку вольтметра в соответствии с инструкцией по эксплуатации и устанавливают необходимый диапазон измерений.

3.13. Включают в сеть регулятор напряжения РНО-250-2.

Примечание. До включения в сеть все приборы должны быть заземлены.

3.14. Датчик помещают в форму для изготовления образца и устанавливают в ее центральной части.

3.15. Для ориентации датчика в центре формы используют специальные подставки с впаянными в днище стальными штырями или расчалки из стальной проволоки, натягиваемой с помощью специальных приспособлений.

Примечание. В случае необходимости, с целью получения информации о распределении напряжений внутри образца рекомендуется закладывать несколько датчиков по высоте и сечению формы.

3.16. После установки датчиков в формах их выходные контакты через распаячные колодки присоединяют к измерительной аппаратуре.

3.17. После завершения операций по коммутации датчиков, прогрева и калибровки вольтметра производят снятие начальных показателей датчика (до формования образцов).

3.18. Для этого записывают показания амперметра при двух заданных значениях напряжения v₁ и v₂ в соответствии с данными предварительной градуировки датчика.

3.19. Начальные показания датчика рекомендуется снимать не менее чем 3 раза в течение 1 ч. При нормальной работе измерительной аппаратуры отклонения показаний датчиков не должны превышать 3 мА. За начальное показание датчика принимают среднее арифметическое трех измерений.

3.20. Контроль за работой измерительных средств осуществляется с помощью контрольного (ненагруженного) датчика. Показания контрольного датчика рекомендуется снимать дважды - перед началом измерений и после их окончания. Отклонения показаний контрольного датчика свыше 2 - 3 мА свидетельствуют о ненормальной работе измерительной аппаратуры.

3.21. Результаты измерения начальных показаний записывают в журнал по форме, приведенной в Прил. 1.

3.22. Определения напряжений рекомендуется производить на образцах цементного камня, цементно-песчаного раствора и бетона с размером зерен крупного заполнителя не более 10 мм.

3.23. Для изготовления образцов используют формы-цилиндры (высота - 60 мм, внешний диаметр - 55 мм, внутренний диаметр - 45 мм) и формы-кубы с размером ребра 70 или 100 мм, обеспечивающие двухосное ограничение деформаций исследуемого материала.

Примечание. В случае необходимости могут быть использованы формы другого размера, а также формы для всестороннего обжатия, имеющие в крышке отверстие для выводов датчика.

3.24. Формование образцов производят после установки и закрепления датчиков внутри формы. Во время формования необходимо следить за правильной укладкой материала внутри формы для того, чтобы обеспечить плотное соприкосновение датчика с исследуемым материалом.

3.25. После окончания формования образцов производят запись показаний датчика.

3.26. Измерения напряжений в исследуемых материалах можно проводить с момента затворения образцов. Длительность измерений определяется задачей исследования.

3.27. В основу измерения собственных напряжений с помощью закладных магнитоупругих датчиков положен магнито-компенсационный метод, при котором обмотка датчика питается регулируемым током промышленной частоты (50 Гц). Возникающая в результате этого в сердечнике датчика магнитная индукция поддерживается постоянной путем изменения напряженности магнитного поля.

3.28. Процесс твердения цементных материалов сопровождается объемными изменениями (расширением или усадкой цементного камня). При усадке цементного камня, а также при его расширении (при наличии внешней ограничивавшей связи - кольцевой формы, препятствующей деформации образцов) датчик, находящийся внутри исследуемого материала, воспринимает радиальные сжимающие усилия. Под действием этих усилий в датчике возникает анизотропия магнитоупругой энергии, которая компенсируется изменением напряженности магнитного поля, определяемой силой намагничивающего тока. Последняя и является выходным параметром, по которому определяют величину возникающих в материале собственных напряжений.

3.29. Через определенные промежутки времени (в зависимости от задачи исследования) снимают показания амперметра J₁ и J₂ при двух значениях выходного напряжения v₁ и v₂ в соответствии с градуировочным графиком для данного датчика. Эти показания записывают в журнал по форме, приведенной в Прил. 1.

3.30. Собственные напряжения, возникающие в исследуемом материале, определяют с помощью градуировочного графика. Полученные значения напряжений и , МПа, а также среднюю величину , МПа, заносят в журнал (Прил. 1).

3.31. Результаты измерений оформляют в виде графиков в координатах: по оси абсцисс - длительность твердения исследуемого материала , ч (сут), по оси ординат - полученные значения собственных напряжений, , МПа.

3.32. В качестве примера на рис. 8 и 9 представлены кривые, характеризующие кинетику развития собственных напряжений при твердении образцов напрягающих цементов различного состава и образцов полимербетона.