ГОСТ 29167-91 от 1992-07-01. Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения)

БЕТОНЫ

Методы определения характеристик трещиностойкости

(вязкости разрушения) при статическом нагружении

Concretes. Methods for determination of fracture

toughness characteristics

ОКСТУ 5870

     Дата введения 1992-07-01

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона (НИИЖБ) Госстроя СССР, Министерством энергетики и электрификации СССР, Министерством высшего и среднего специального образования СССР    

РАЗРАБОТЧИКИ

Е. А. Гузеев, д-р техн. наук; В. В. Жуков, д-р техн. наук; Л. А. Сейланов, канд. техн. наук; В. И. Шевченко, д-р техн. наук; Ю. В. Зайцев, д-р техн. наук; Л. П. Трапезников, д-р техн. наук, Р. Л. Серых, д-р техн. наук, М. И. Бруссер, канд. техн. наук; И. М. Дробященко, канд. техн. наук, Л. Н. Зикеев, канд. техн. наук, К. Л. Ковлер, канд. техн. наук; В. Ю. Ляпин; А. П. Пак, канд. техн. наук; А. М. Юдилевич; X. М. Виркус, канд. техн. наук, Э. X. Варес; Л. П. Орентлихер, д-р техн. наук; А. В. Лужин, д-р техн. наук; Г. М. Первушин, канд. техн. наук; А. А. Ашбаров, канд. теxн. наук, А. Б. Пирадов, д-р техн. наук; К. А. Пирадов, канд. техн.  наук; Е. Н. Пересыпкин, д-р техн. наук; В. П. Крамской, канд. техн. наук; Б. Ф. Турукалов, канд. техн. наук; В. В. Панасюк, акад. АН УССР, С. Я. Ерема, канд. техн. наук; Л. Т. Бережницкий, канд. техн. наук, И. И. Лучко, канд. техн. наук; В. М. Чубриков, канд. техн. наук; В. И. Ягуст,   канд. техн. наук; А. И. Марков, канд. техн. наук, Р. О. Красновский, канд. техн. наук; В. В. Арончик,   канд. техн. наук; Т. С. Петцольд, д-р техн. наук; С. Н. Леонович, канд. техн. наук; С. Т. Андросов, канд. техн. наук; И. С. Кроль; А. К. Торгачев; А. М. Поплавский; В. И. Воробьев; С. А. Шейнин; С. П. Абрамова; И. Н. Нагорняк

2. ВНЕСЕН Министерством энергетики и электрификации СССР

3. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета по строительству и инвестициям от 25.11.91 № 13

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ. Январь 1995 г.

Настоящий стандарт распространяется на бетоны всех видов (кроме ячеистых), применяемых в строительстве, и устанавливает методы их испытаний для определения силовых и энергетических характеристик трещиностойкости при статическом кратковременном нагружении.

Требования настоящего стандарта являются рекомендуемыми.

Обозначения, применяемые в настоящем стандарте, приведены в приложении 1. Пояснения к терминам приведены в приложении 2.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Характеристики трещиностойкости определяют при равновесных и неравновесных механических испытаниях.

Равновесные испытания на стадии локального деформирования образца характеризуются обеспечением адекватности изменения внешних сил внутренним усилиям сопротивляемости материала с соответствующим статическим развитием магистральной трещины.

Неравновесные испытания характеризуются потерей устойчивости процесса деформирования образца в момент локализации деформации по достижении максимальной нагрузки, с соответствующим динамическим развитием магистральной трещины.

1.2. Для определения характеристик трещиностойкости испытывают образцы с начальным надрезом. При равновесных испытаниях записывают диаграмму ; при неравновесных испытаниях фиксируют значение .

Допускается проведение равновесных испытаний с фиксацией текущих размеров развивающейся магистральной трещины ( ) и соответствующих значений прилагаемой нагрузки () согласно приложению 3.

1.3. По результатам испытаний определяют следующие основные силовые - в терминах коэффициентов интенсивности напряжений (), энергетические - в терминах удельных энергозатрат () и джей-интеграла (), характеристики трещиностойкости: , , , , , , , .

Значения , ,  определяются по приложению 4.

1.4. Определяемые по настоящему стандарту характеристики трещиностойкости (наряду с другими характеристиками механических свойств) используют для:

- сравнения различных вариантов состава, технологических процессов изготовления и контроля качества бетонов;

- сопоставления бетонов при обосновании их выбора для конструкций;

- расчетов конструкций с учетом их дефектности и условий эксплуатации;

- анализа причин разрушений конструкций.

2. ОБРАЗЦЫ

2.1. Для определения характеристик трещиностойкости при равновесных испытаниях применяют образцы типа 1 - для испытаний на изгиб (черт. 1).

2.2. Для определения характеристик трещиностойкости при неравновесных испытаниях применяют образцы типов 1 - для испытаний на изгиб (черт. 1), 2 - для испытаний на осевое растяжение (черт. 2), 3 - для испытаний на внецентренное сжатие (черт. 3), 4 - для испытаний на растяжение при раскалывании (черт. 4).

2.3. Соотношение размеров и схемы нагружения образцов приведены на черт. 1-4.

Минимальные размеры образцов и размеры начальных надрезов принимают по таблице в зависимости от размера зерна заполнителя .    

Тип 1

Образец - призма квадратного поперечного сечения для испытания на изгиб силой в середине пролета.    

Черт. 1

Тип 2

Образец - призма квадратного поперечного сечения для испытания на осевое растяжение силой .

Черт. 2

Тип 3

Образец - куб для испытаний на внецентренное сжатие силой F.    

Черт. 3

Тип 4

Образец - цилиндр для испытания на растяжение при раскалывании.    

Черт. 4

Примечание к черт. 1-4. Обозначения приведены в приложении 1, размеры образцов - в таблице.    

Примечание. При неравновесных испытаниях образца типа 1 допускается не образовывать верхний надрез ().    

2.4. Начальные надрезы наносят при помощи режущего инструмента или при формовании образцов путем закладывания фольги либо латунной (или стальной) пластины.

Ширина начального надреза не должна превышать 0,5  и быть не более 2 мм.

2.5. Образцы для испытаний изготавливают по ГОСТ 10180 сериями не менее чем из четырех образцов-близнецов каждая, либо выбуривают (выпиливают) из изделий, конструкций, сооружений по ГОСТ 28570.

2.6. Для изготовления образцов используют оборудование по ГОСТ 10180 и ГОСТ 28570.

2.7. Условия твердения образцов после изготовления принимают по ГОСТ 18105.

3. ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Перечень оборудования и его характеристики для изготовления образцов всех типов и их испытаний для определения характеристик трещиностойкости при неравновесных испытаниях принимают по ГОСТ 10180 и ГОСТ 28570.

3.2. Для определения характеристик трещиностойкости при равновесных испытаниях образцов типа 1 используют испытательное оборудование согласно приложению 5; при этом средства измерения должны обеспечивать непрерывную двухкоординатную запись диаграммы  в соответствии со схемой коммутации аппаратуры согласно приложению 6.

3.3. Допускается использование других средств измерения, оборудования и приспособлений, если их технические характеристики удовлетворяют требованиям ГОСТ 10180 или ГОСТ 28570 и приложению 5 настоящего стандарта.

3.4. Правила поверки и аттестации средств измерения и испытательного оборудования принимают по ГОСТ 10180.

4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

4.1. При проведении испытаний температура окружающей среды должна составлять (20±5)°С, а относительная влажность - не менее 50%.

4.2. Линейные размеры образцов измеряют с погрешностью не выше 1 мм, их перемещения - 0,01 мм, а усилия, действующие на образец, - не более 1% измеряемого максимального усилия.

4.3. Перед началом испытаний следует провести два цикла нагружения - разгружения до нагрузки, составляющей 10% ожидаемой максимальной нагрузки.

4.4. Скорость нагружения образцов устанавливают по скорости перемещения нагружающей плиты пресса в пределах 0,02-0,2 мм/с; при этом время испытаний должно составлять не менее 1 мин.

4.5. При равновесных испытаниях образцы типа 1 нагружают непрерывно до их разделения на части с фиксацией полной диаграммы состояния материала  (черт. 5, кривая ).

Для определения значений ,  на стадии локального деформирования производят 5-7 кратковременных разгружений образцов для определения направлений линий разгрузок (например, линия  на черт. 6) с фиксацией полной диаграммы состояния материала  (черт. 6, кривая ).

При равновесных испытаниях образцов типа 1 с  мм производят поправку на массу образца и дополнительного оборудования согласно приложению 7.

4.6. При неравновесных испытаниях образцы типов 1-4 нагружают непрерывно вплоть до их разделения на части с фиксацией значения .

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. Определение характеристик трещиностойкости по результатам равновесных испытаний образцов типа 1.

5.1.1. Полную диаграмму состояния трансформируют в расчетную и производят дополнительные построения (черт. 5):

а) с начала прямолинейного нисходящего участка диаграммы, то есть из точки , где выполняется условие , проводят отрезок , перпендикулярный оси ;

б) фиксируют расчетную диаграмму;

в) из точки  опускают перпендикуляр  к оси  и линию , параллельную упругой линии ;

г) определяют величину отрезка  из выражения (1):

,           (1)

д) из точки  восстанавливают перпендикуляр  к оси  до пересечения с линией , параллельной оси . Точку  соединяют с точкой  отрезком ;

е) для определения величин , из расчетной полной диаграммы построением выделяют полную упругую диаграмму  (черт. 6), для чего используют направления линий разгрузок, например, точку разгрузки  переносят по линии, параллельной оси , в положение  на величину, равную .

5.1.2. Расчетным путем или планиметрированием определяют энергозатраты на отдельные этапы деформирования и разрушения образца, а именно:, . , ,  соответственно, численно равные площадям фигур , , ,  на черт. 5 и  на черт. 6.

5.1.3. Расчетным путем определяют значения силовых и энергетических характеристик трещиностойкости по зависимостям:

;                              (2)

;                              (3)

;                              (4)

;                              (5)

;                                   (6)

;                                   (7)

.                                   (8)

5.2. Характеристики трещиностойкости  по результатам неравновесных испытаний образцов типов 1-4 определяют по зависимостям (9-12):

- для образца типа 1

,          (9)

- для образца типа 2

,                              (10)

- для образца типа 3

,     (11)

- для образца типа 4

.                         (12)

Черт. 5

Черт. 6

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Обязательное

ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН

 - коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м.

 - критический коэффициент интенсивности напряжений при максимальной нагрузке, МПа·м.

 - статический критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м.

 - условный критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м.

 - текущие значения коэффициентов интенсивности напряжений при поэтапном равновесном нагружении образцов, МПа·м .

 - удельные энергозатраты, МДж/м.

 - удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, МДж/м.

 - удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение, МДж/м.

 - полные удельные упругие энергозатраты на статическое деформирование образцов до деления на части, МДж/м.

 - джей-интеграл, МДж/м.

 - статический джей-интеграл, МДж/м.

 - критерий хрупкости, м.

 - энергозатраты, МДж.

 - энергозатраты на процессы развития и слияния микротрещин до формирования магистральной трещины статического разрушения, МДж.

 - энергозатраты на упругое деформирование до начала движения магистральной трещины статического разрушения, МДж.

 - энергозатраты на локальное статическое деформирование в зоне магистральной трещины, МДж.

 - расчетные энергозатраты на упругое деформирование сплошного образца, МДж.

 - полные упругие энергозатраты на статическое деформирование до деления на части, МДж.

 - нагрузка, действующая на образец в процессе испытания, МН.

 - нагрузка, соответствующая статическому началу движения магистральной трещины при равновесных испытаниях, МН.

 - нагрузка, соответствующая динамическому началу движения магистральной трещины при неравновесных испытаниях, МН.

 - нагрузка, соответствующая массе образца и дополнительного оборудования, МН.

 - текущие значения действующей на образец нагрузки при его поэтапном равновесном нагружении, МН.

 - перемещения образца, м.

 - перемещения, соответствующие упругим деформациям образца, м.

 - перемещения, соответствующие необратимым деформациям образца, м.

 - перемещения, соответствующие локальным деформациям образца в зоне магистральной трещины, м.

 - расчетное значение перемещений сплошного образца, соответствующее моменту начала движения магистральной трещины в образце с начальным надрезом, м.

,  - длина начального надреза, м.

 - текущие значения длины магистральной трещины при поэтапном равновесном нагружении образца, м.

 - начальный эксцентриситет приложения нагрузки, м.

 - размеры образцов, м.

 - относительная высота образца.

 - относительная длина начального надреза.

 - максимальный размер заполнителя, м.

 - масса образца и дополнительного оборудования, кг.

 - ускорение свободного падения, м/с.

 - тангенс угла наклона восходящего упругого участка диаграммы.

 - единичный модуль упругости, МПа.

 - модуль упругости, МПа.

 - прочность на осевое растяжение, МПа.

 - прочность на растяжение при изгибе, МПа.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Справочное

ТЕРМИНЫ И ПОЯСНЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рекомендуемое

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПРИ РАВНОВЕСНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ОБРАЗЦОВ С ФИКСАЦИЕЙ РАЗМЕРОВ РАЗВИВАЮЩЕЙСЯ МАГИСТРАЛЬНОЙ ТРЕЩИНЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИХ ЗНАЧЕНИЙ ПРИЛАГАЕМОЙ НАГРУЗКИ

1. Для определения характеристик трещиностойкости производят поэтапное нагружение (с выдержками продолжительностью 60-120 с и фиксацией текущих значений  и ) образцов типов: 5 - для испытаний на осевое сжатие (черт. 7); 6 - для испытаний на растяжение при внецентренном сжатии (черт. 8).

2. Соотношение размеров и схемы нагружения образцов приведены на черт. 7, 8.

Минимальные размеры образцов: типа 5-12 ;

типа 6-15 .

3. Для определения значений величин  применяют капиллярный и оптический способы.

Капиллярный способ основан на эффекте капиллярной адсорбции подкрашенных, люминесцирующих или быстроиспаряющихся жидкостей в трещины. На поверхность образца наносят кистью ацетон, который испаряется с поверхности быстрее, чем из трещины, что позволяет идентифицировать длину развивающейся магистральной трещины.

Оптический способ основан на использовании средств оптической микроскопии; следует применять микроскопы с не менее чем 20-кратным увеличением по ГОСТ 8074.

Тип 5

Образец - призма прямоугольного поперечного сечения для испытаний на осевое сжатие.

Черт. 7

Тип 6

Образец - призма прямоугольного поперечного сечения для испытаний на растяжение при внецентренном сжатии.

Черт. 8

Примечание к черт. 7 и 8. Обозначения приведены в приложении 1, размеры образцов - в приложении 3.

4. Определение характеристик трещиностойкости

4.1. Для каждого этапа нагружения определяют значение  по зависимостям:

- для образца типа 5

;               (13)

- для образца типа 6

,                         (14)

где ;                    (15)

;               (16)

.                                   (17)

4.2. По результатам п. 4.1 строят зависимость ; за величину  принимают среднее значение  на участке зависимости, где тангенс угла ее наклона отличается от нуля не более чем на 8%.    

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Рекомендуемое

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ НА РАСТЯЖЕНИЕ

И НАЧАЛЬНОГО МОДУЛЯ УПРУГОСТИ

1. Значение  определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 и типов 5, 6 (согласно приложению 3) по зависимости

.                         (18)

2. Значение  определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 по зависимости

.     (19)

3. Значение  определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 с  по зависимости

.     (20)

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Обязательное

ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ПРИ РАВНОВЕСНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ОБРАЗЦОВ ТИПА 1

Для определения характеристик трещиностойкости при равновесных испытаниях образцов типа 1 используют специальные испытательные машины со следящей системой и быстродействующей обратной связью или испытательные машины, обладающие высокой жесткостью (не менее чем в два раза превышающей начальную жесткость образца (черт. 9), или стандартные испытательные машины по п. 3.1, оборудованные дополнительным перераспределяющим устройством (черт. 10) типа "кольцо", включающим в себя: силовой элемент - кольцо; нагружающий силоизмеритель - шток; датчик перемещения; опорную плиту с шарнирной и роликовой опорами. Испытания рекомендуется проводить на установке ПРДД-3 экспериментального объединения "Реконструкция", которое распространяет чертежи, методики аттестации и поставляет оборудование.

1 - образец; 2 - загружающее устройство; 3 - нагружающий винтовой силоизмерительный шток; 4 - распределительная балка; 5 - роликовая опора; 6 - шарнирная опора

Черт. 9

1 - образец; 2 - дополнительное перераспределяющее устройство типа: "кольцо" (2.1), "кольцо в кольце" (2.2), "скоба" (2.3); 3 - нагружающий силоизмерительный шток; 4 - датчик перемещений; 5 - станина; 6 - роликовая опора; 7 - шарнирная опора; 8 - распределительная балка; 9 - фиксирующие накладки; 10 - фиксатор нагружающего силоизмерительного штока

Черт. 10

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Обязательное

ПОПРАВКА НА МАССУ ОБРАЗЦА И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

При равновесных испытаниях образцов типа 1 с  мм перед определением характеристик трещиностойкости производят поправку на массу образца и распределительную балку.

Для этого полную диаграмму состояния материала (кривая  на черт. 11) трансформируют в расчетную (кривая ) следующим образом:

- точку  по упругой линии  переносят в положение точки  на величину , откладываемую на оси , равную

,                         (21)

- проводят оси  и , параллельные соответственно  и ;

- с начала прямолинейного нисходящего участка диаграммы, т.е. из точки , где выполняется условие , проводят отрезок , перпендикулярный оси ;

- фиксируют расчетную диаграмму .    

Черт. 11