образец для сжатия камня при оценке его морозостойкости

Формула изобретения

Образец для сжатия камня при оценке его морозостойкости, состоящий из стержня исследуемого материала, составных металлических обойм, в углубления которых входят концы стержня, и расположенного между опорами и концами стержня фиксирующего состава, отличающийся тем, что фиксирующий состав выполнен на основе расширяющегося при твердении цемента, а углубления в обоймах имеют наименьшую площадь сечения, перпендикулярного оси стержня, на входе стержня в обойму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам механических испытаний и может быть использовано для ускоренной оценки длительной прочности неразрушающим методом, например, с помощью акустической эмиссии - АЭ [Строительные материалы. Учебник для студентов вузов / Под ред. Г.И.Горчакова. - М: Высш. школа, 1982, 352 с.]. Обычно о марке морозостойкости водонасыщенного камня, природного или искусственного (бетон, кирпич и т.д.), судят по числу термоциклов замораживание-оттаивание, необходимых для снижения предела прочности в условиях сжатия на 5 15%, то есть по марке морозостойкости [ГОСТ 7025-91 Кирпич и камни керамические. Методы определения водопоглощения, плотности и морозостойкости. ГОСТ 10060.0-95 Бетоны. Методы определения морозостойкости].

При этом для сжатия используют представительные выборки образцов до и после термоциклирования в виде цилиндров или призм с опорными поверхностями отформованными [ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам], шлифованными [Малышкин Ю.И., Иш В.Ч. // Завод, лаб., 1972, 38, № 5, с.606-608] или подмазанными цементным тестом "под стекло" [ГОСТ 7025-91 Кирпич и камни керамические. Методы определения водопоглощения, плотности и морозостойкости] для обеспечения их плоскостности. Однако миграция влаги внутри образца при замораживании приводит к локальным разрушениям отслаиванием поверхностей образцов [Г.И.Горчаков, М.М.Капкин, Б.Г.Скраматаев. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях. - М.: Изд. лит. по строительству, 1965, 194 с.], в том числе опорных, и их короблению [Барабанщиков Ю.Г. Роль миграции воды при морозном разрушении бетона // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Укладка и уход за бетоном при строительстве гидротехнических сооружений. - Ленинград: Энергия, 1979, 183 с.]. Судя по экспериментальным результатам [Барабанщиков Ю.Г. Роль миграции воды при морозном разрушении бетона // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Укладка и уход за бетоном при строительстве гидротехнических сооружений. - Ленинград: Энергия, 1979, 183 с.], уже после первого размораживания остаточные деформации внешнего слоя достигают 3·10^-4 и минимум в 2 раза превышают остаточные деформации на оси образца. Указанные отклонения опорных торцов от плоскости вызывают локальные зазоры между торцом образца и рабочей плоскостью пресса, неравномерное сжатие по сечению образца и, как следствие, снижают разрушающую нагрузку по сравнению с разрушающей нагрузкой для таких же образцов со шлифованными опорными торцами после размораживания. Например, для образцов мелкозернистого бетона это снижение составляет 2 3%. Отмеченная методическая погрешность может занизить марку по морозостойкости в несколько раз. А устранение этой погрешности, например, шлифованием опорных поверхностей образцов после размораживания заметно повышает трудоемкость испытаний.

Наиболее близок к предлагаемому образец [Конструкционная прочность стекол и ситаллов / Писаренко Г.С., Амельянович К.К., Козуб Ю.И. и др. - Киев: Наук. думка, 1979, 284 с.] для сжатия хрупкого материала, состоящий из стержня исследуемого материала, составных металлических опор с углублениями постоянной площади по высоте, в которые входят концы стержня, и расположенного между опорами и концами стержня фиксирующего клеющего состава.

Недостаток прототипа состоит в том, что его конструкция также не исключает разрушение опорных поверхностей стержня отслаиванием и коробления при его замораживании, а следовательно, и отмеченных выше методических погрешностей при оценке морозостойкости.

Задача изобретения - повысить точность определения марки по морозостойкости.

Поставленная задача достигается тем, что в образце, состоящем, как и прототип, из стержня исследуемого материала, составных металлических опор, в углубления которых входят концы стержня, и расположенного между опорами и концами стержня фиксирующего состава, в отличие от прототипа фиксирующий состав выполнен на основе расширяющегося при твердении цемента [Строительные материалы. Учебник для студентов вузов / Под ред. Г.И. Горчакова. - М.: Высш. школа, 1982, 352 с.], а углубления в обоймах имеют наименьшую площадь сечения (перпендикулярно оси образца) на входе стержня в опору. При твердении теста или цементно-песчанной смеси на основе расширяющегося цемента образующийся камень надежно фиксирует конец стержня в обойме и обеспечивает равномерное распределение сжимающей нагрузки по сечению стержня. Такой камень имеет значительную пористость [Г.И.Горчаков, М.М.Капкин, Б.Г.Скраматаев. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях. - М.: Изд. лит. по строительству, 1965, 194 с.] и при замораживании в водонасыщенном свободном состоянии увеличивается в объеме на 0,3% как упруго, так и необратимо [Г.И.Горчаков, М.М.Капкин, Б.Г.Скраматаев. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях. - М.: Изд. лит. по строительству, 1965, 194 с.]. Отмеченная особенность углублений в опоре стесняет упругую деформацию и направляет необратимую деформацию камня вдоль оси стержня. Это исключает возникновение зазоров между камнем и днищем опоры и обеспечивает равномерное сжатие по сечению образца, а следовательно, устраняет недостаток прототипа.

На чертеже показан предложенный образец (поз.1 8) с необходимой для его изготовления оснасткой (поз.9 16) и приняты следующие обозначения: 1 - стержень; 2 - корпус верхней опоры с внутренней поверхностью в виде конуса; 3 - корпус нижней опоры; 4 - крышка верхней опоры; 5 - крышка нижней опоры; 6 - винт верхней опоры; 7 - винт нижней опоры; 8 - втулка с резьбой; 9 - фиксирующий состав; 10, 11 - половинки разъемного по образующим цилиндра; 12 - разъемный хомут; 13 - ось хомута; 14 - стяжной винт хомута; 15 - шестигранные стяжки с резьбой на концах; 16 - гайка стяжки.

Образец для сжатия камня при оценке его морозостойкости включает стержень 1 из исследуемого материала в виде цилиндра или призмы (на чертеже поз.1 предполагается цилиндрической). Концы этого стержня входят в конические полости корпусов 2 и 3. Эти полости закрыты соответственно крышкой 4 верхней опоры и крышкой 5 нижней опоры. Корпус 3, крышка 5 с поз.7 и 8 образуют нижнюю опору, а корпус 2 с крышкой 4 и болтами 6 - верхнюю опору. Между каждым концом стержня, корпусом и крышкой размещен фиксирующий состав 9 на основе расширяющегося при твердении цемента. Для изготовления образца собирают нижнюю опору, помещают в нее цементное тесто или цементно-песчаную смесь и вдавливают туда нижний торец стержня 1, насыщенного водой. После этого на стержень 1 устанавливают половинки 10 и 11 разъемного по образующим цилиндра и стягивают их разъемным хомутом 12, имеющим ось 13 и стяжной винт 14. Затем на верхний конец стержня устанавливают корпус 2, укладывают в него цементное тесто или цементно-песчаную смесь, срезают ножом избыток, устанавливают на корпус 2 крышку 4 и стягивают их болтами 6. После чего стягивают верхнюю и нижнюю опоры стержня стяжками 15, ввинтив сначала эти стяжки в резьбу нижнего корпуса и навинтив затем гайки 6 на верхние концы стяжек 15, выходящие из фланца верхней крышки 4. Всю эту сборку помещают в воду на период твердения фиксирующего состава (7 10 дней, в зависимости от вида цемента и температуры воды). Позиции 7, 8, 10 16 перед испытанием образца с него снимают. Описанную оснастку можно использовать для изготовления бетонного образца, укладывая бетонную смесь непосредственно в сборку из нижней опоры с фиксирующим составом, цилиндра, стянутого хомутом 12, и конуса верхней опоры.

Для испытаний насыщенный водой образец (поз.1 7) устанавливают в пресс, прикладывают к нему сжимающую нагрузку и определяют предел прочности на сжатие неразрушающим способом, например [Авт. св. SU 1620930 А1 Способ поределения предела длительной прочности изделия из хрупкого материала / С.Г.Никольский // Бюл. № 2, 15.01.91]. Увеличивая число термоциклов, повторяют эти операции, и определяют снижение предельной нагрузки и марку по морозостойкости. При замораживании насыщенного водой образца концы стержня оказываются обжатыми, и снижение предела прочности происходит в средней (рабочей) части образца. Отсутствие перебазировки стержня относительно опор при термоциклировании и установке в пресс исключает соответствующие методические ошибки в определении предельной нагрузки, снижения предела прочности и в оценке морозостойкости. При выборе соотношений между диаметром стержня, высотой его рабочей части, глубиной заделки в опоры и диаметром опор можно руководствоваться известными рекомендациями, например [Конструкционная прочность стекол и ситаллов / Писаренко Г.С., Амельянович К.К., Козуб Ю.И. и др. - Киев: Наук. думка, 1979, 284 с.]. Для определения угла внутренней конусности корпуса запишем одно из условий равновесия части образца, находящейся в опоре, как F₀ =Fsin +F_mpcos , где F₀ - проекция на ось образца сил, действующих на рассматриваемую его часть со стороны крышки и стремящихся выдавить эту часть; F - проекция на ось образца сил, действующих на рассматриваемую часть образца со стороны корпуса нормально к его конической поверхности и удерживающих эту часть в углублении опоры; F_mp=fF - проекция сил трения, действующих вдоль конической поверхности и способствующих удержанию конической части образца в углублении обоймы; f - коэффициент трения между металлом корпуса и водонасыщенным фиксирующим составом при замораживании (экспериментально получено f=1,5±0,5). Тогда F=F₀ (sin +fcos ), F^I=-F₀(cos -fsin )/(sin² +fcos² )² и равна 0 при cos =fsin или tg =1/f. При этом F^II>0, то есть условие tg =1/f отвечает минимуму F, а следовательно и минимальному обжатию конической части; к чему и надо стремиться, ибо увеличение обжатия грозит "перекусыванием" стержня 1 при замораживании образца. Полость корпуса не обязательно должна быть конической, она может быть, например, ступенчатой цилиндрической, но обязательно сужающейся от крышки опоры к входу в нее стержня для обеспечения обжатия его концов, что и отраженно в формуле изобретения. Коническая же форма полости корпуса технологичнее и снижает концентрацию напряжений в стержне 1 в условиях сжатия в зоне перехода от его опорной части к цилиндрической (рабочей).

Для проверки достижения цели из бетонной смеси на основе пуццоланового цемента [Строительные материалы. Учебник для студентов вузов / Под ред. Г.И.Горчакова. - М.: Высш. школа, 1982, 352 с.] с водоцементным отношением 0,6, с наибольшим диаметром гравия 15 мм и с долей песка в заполнителе 0,4 изготовили 108 стержней диаметром 60 мм и высотой 120 мм. Эти стержни в возрасте 90 дней высушили до постоянной массы. Затем их отторцевали алмазным кругом; определили для каждого стержня предел длительной прочности по методу [Авт. св. SU 1620930 А1 Способ поределения предела длительной прочности изделия из хрупкого материала / С.Г.Никольский // Бюл. № 2, 15.01.91]; разделили на 3 группы так, чтобы средние значения отличались не более чем на 2%. Первую выборку вклеили эпоксидным клеем в опоры с цилиндрическими углублениями (прототип), причем при полимеризации эпоксидного клея [Конструкционная прочность стекол и ситаллов/ Писаренко Г.С., Амельянович К.К., Козуб Ю.И. и др. - Киев: Наук. думка, 1979, 284 с.] остальные 72 стержня находились в том же термостате. Стержни II выборки вцементировали в конические опоры со смесью (см. чертеж). Сборные образцы (72 штуки) и оставшиеся 36 стержней выдерживали под водой 10 дней, затем для каждого из них снова определили по методу [Авт. св. SU 1620930 А1 Способ поределения предела длительной прочности изделия из хрупкого материала / С.Г.Никольский // Бюл. № 2, 15.01.91]. После этого все образцы термоциклировали (от +20 до -20°С), определяя через 50, 100 и 150 термоциклов для каждого из стержней. Причем для стержней без металлических опор определяли как без торцовки после размораживания так и с торцовкой алмазным кругом. Результаты испытаний приведены в таблице, где z - отношение образца после термоциклирования к до термоциклирования; - среднее по 36 значениям z; - выборочная дисперсия z. Как видно из таблицы, результаты, полученные при использовании предложенного образца (II выборка), близки к результатам испытаний стержней, торцуемых алмазным кругом для удаления неплоскостности после размораживания. Результаты, полученные на образцах I выборки (прототип), близки к результатам, полученным на неторцованных стержнях. Причем такие образцы занижают марку по морозостойкости в 2 раза, если исходить из допускаемого снижения предела прочности 5%, и в 1,5 раза, если исходить из 15%.

Изготовление предложенного образца не сложнее изготовления стержня со шлифованными торцами. Однако, судя по значениям S_z в таблице, использование

предложенного образца позволяет при одной и той же точности оценки отношения сократить количество испытаний по крайней мере в 1,5 раза, то есть снизить их трудоемкость.

Таблица
Число термоциклов	I выборка	II выборка	III без торцовки	III с торцовкой
50	0,940	51	0,979	16	0,948	42	0,983	30
100	0,846	46	0,958	12	0,837	42	0,951	38
150	0,799	44	0,865	20	0,790	51	0,861	39
Среднее	S	47	-	16	-	45	-	37
Sz	6,86	-	4	-	6,7	-	6,1