Государственный стандарт СССР ГОСТ 29167-91 "Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении" (утв. постановлением Госстроя СССР от 25 ноября 1991 г. n 13)


Concretes. Methods for determination of fracture toughness characteristics


Дата ведения 1 июля 1992 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 F-V; при неравновесных испытаниях фиксируют значение F_с.

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

     1.3. По результатам испытаний определяют следующие основные  силовые

- в терминах коэффициентов интенсивности  напряжений (К),  энергетические

-  в  терминах   удельных   энергозатрат  (G)   и   джей-интеграла   (J),

                                       *

характеристики трещиностойкости: К_c,  K_с,  K_i,  G_F,  G_i,  G_ce, J_i,

 c

X_F

Значения R_bt, R_btf, E_в определяют 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 d_am.

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 d_am 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.


"Черт. 1."


"Черт. 2."


"Черт. 3."


"Черт. 4."


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


мм

------------------T-----------------------------------------------------¬

¦   Максимальный  ¦                  Размеры образцов                   ¦

¦   размер зерна  +------------T-----------T-------------T--------------+

¦   заполнителя   ¦    Тип 1   ¦   Тип 2   ¦    Тип 3    ¦     Тип 4    ¦

¦      d_am       ¦            ¦           ¦             ¦              ¦

+-----------------+------------+-----------+-------------+-------T------+

¦   Менее 1,25    ¦ 40    10/5 ¦  40   15  ¦   40    10  ¦  100  ¦  30  ¦

¦   1,25-5,0      ¦ 70    25/5 ¦  70   25  ¦   70    15  ¦  100  ¦  30  ¦

¦    5,0-10,0     ¦100    35/5 ¦ 100   45  ¦  100    25  ¦  100  ¦  30  ¦

¦   10,0-20,0     ¦150    50/10¦ 150   60  ¦  150    35  ¦  200  ¦  60  ¦

¦   20,0-40,0     ¦200    70/10¦ 200   80  ¦  200    50  ¦  200  ¦  60  ¦

¦   40,0-60,0     ¦300   100/15¦ 300  120  ¦  300    75  ¦  400  ¦ 120  ¦

¦   60,0-80,0     ¦400   140/20¦ 400  160  ¦   -      -  ¦  400  ¦ 120  ¦

L-----------------+------------+-----------+-------------+-------+-------


Примечание. При неравновесных испытаниях образца типа 1 допускается не образовывать верхний надрез (a_0t = 0).


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 F-V 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 F-V (черт. 5, кривая OTCDE).

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

При равновесных испытаниях образцов типа 1 с b >= 200 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 F_c.


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 D, где выполняется условие (dF/dV) ~ const, проводят отрезок DK, перпендикулярный оси OV;

б) фиксируют расчетную диаграмму OTCDK;

в) из точки С опускают перпендикуляр СН к оси OV и линию СА, параллельную упругой линии ОТ;

г) определяют величину отрезка ОМ из выражения (1):


"Формула (1)"


                                                      с

     д) из точки М  восстанавливают  перпендикуляр  МС_u  к  оси  OV  до

                       с

пересечения с линией СС_u, параллельной оси  OV.  Точку  О  соединяют  с

        с             с

точкой С_u отрезком ОС_u;

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

     5.1.2.   Расчетным   путем   или    планиметрированием    определяют

энергозатраты на отдельные этапы деформирования и разрушения  образца,  а

                           с

именно: W_m,  W_e,  W_i,  W_ui,  W_ce,  соответственно,  численно  равные

                                  с

площадям фигур ОТСА, ACH, HCDK, ОС_u  М на черт. 5 и ОТС"Х"О на черт. 6.

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


"Формулы (2)-(8)


                                                 *

     5.2.   Характеристики   трещиностойкости   К_с     по    результатам

неравновесных испытаний образцов типов  1-4  определяют  по  зависимостям

(9-12):


"Формулы (9)-(12)


"Черт. 5"


"Черт. 6"


Приложение 1

Обязательное


Обозначения величин


К                       - коэффициент      интенсивности      напряжений,

                          МПа х м(0,5).

К_с                     - критический     коэффициент       интенсивности

                          напряжений    при      максимальной   нагрузке,

                          МПа х м(0,5).

K_i                     - статический       критический       коэффициент

                          интенсивности напряжений, МПа х м(0,5).

 *

K_с                     - условный  критический коэффициент интенсивности

                          напряжений, МПа х м(0,5).

K_ij                    - текущие  значения  коэффициентов  интенсивности

                          напряжений при поэтапном равновесном нагружении

                          образцов, МПа х м(0,5).

G                       - удельные энергозатраты, МДж/м2.

G_i                     - удельные    энергозатраты     на    статическое

                          разрушение   до   момента    начала    движения

                          магистральной трещины, МДж/м2.

G_F                     - удельные    эффективные     энергозатраты    на

                          статическое разрушение, МДж/м2.

G_ce                    - полные   удельные    упругие  энергозатраты  на

                          статическое деформирование образцов до  деления

                          на части, МДж/м2

J                       - джей-интеграл, МДж/м2.

J_i                     - статический джей-интеграл, МДж/м2.

 с

X_F                     - критерий хрупкости, м.

W                       - энергозатраты, МДж.

W_m                     - энергозатраты  на  процессы развития и  слияния

                          микротрещин  до  формирования     магистральной

                          трещины  статического разрушения, МДж.

W_e                     - энергозатраты  на  упругое   деформирование  до

                          начала    движения     магистральной    трещины

                          статического разрушения, МДж.

W_i                     - энергозатраты     на    локальное   статическое

                          деформирование  в  зоне  магистральной трещины,

                          МДж.

 с

W_ui                    - расчетные      энергозатраты     на     упругое

                          деформирование сплошного образца, МДж.

W_ce                    - полные   упругие  энергозатраты  на статическое

                          деформирование  до деления на части, МДж.

F_g                      - нагрузка,  действующая  на  образец  в процессе

                          испытания, МН.

F_C                     - нагрузка,  соответствующая  статическому началу

                          движения  магистральной трещины при равновесных

                          испытаниях, МН.

 *

F_c                     - нагрузка,  соответствующая динамическому началу

                          движения    магистральной      трещины      при

                          неравновесных испытаниях, МН.

F                       - нагрузка,  соответствующая   массе   образца  и

                          дополнительного оборудования, МН.

F_IJ                    - текущие  значения   действующей    на   образец

                          нагрузки   при   его   поэтапном    равновесном

                          нагружении, МН.

V                       - перемещения образца, м.

V_e                     - перемещения,       соответствующие      упругим

                          деформациям образца, м

V_m                     - перемещения,     соответствующие    необратимым

                          деформациям  образца, м.

V_l                     - перемещения,      соответствующие     локальным

                          деформациям    образца   в  зоне  магистральной

                          трещины, м.

 с

V_ui                    - расчетное    значение   перемещений   сплошного

                          образца,  соответствующее    моменту     начала

                          движения магистральной  трещины  в  образце   с

                          начальным надрезом, м.

a_0, a_0t               - длина начального надреза, м.

a_ij                    - текущие  значения  длины магистральной  трещины

                          при  по этапном равновесном нагружении образца,

                          м.

e_0                     - начальный  эксцентриситет  приложения нагрузки,

                          м.

b, t, L_0, L, D         - размеры образцов, м.

фи = b/L_0              - относительная высота образца.

лямбда = (a_0 + a_0t)/b - относительная длина начального надреза.

d_am                    - максимальный размер заполнителя, м.

m_1, m_2                - масса  образца и дополнительного  оборудования,

                          кг.

g = 9,81                - ускорение свободного падения, м/с(2).

tg_aльфа                - тангенс  угла  наклона   восходящего   упругого

                          участка диаграммы.

E_i                     - единичный модуль упругости, МПа.

E_b                     - модуль упругости, МПа.

R_bt                    - прочность на осевое растяжение, МПа.

R_btf                   - прочность на растяжение при изгибе, МПа.


Приложение 2

Справочное


Термины и пояснения


----------------------------------T-------------------------------------¬

¦         Термин                  ¦            Пояснение                ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦1.  Трещиностойкость    (вязкость¦Способность   бетона   сопротивляться¦

¦    разрушения) бетона           ¦началу движения к развитию трещин при¦

¦                                 ¦механических и других воздействиях   ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦2.  Трещина                      ¦Полость,  образованная  без  удаления¦

¦                                 ¦материала двумя  соединенными  внутри¦

¦                                 ¦тела   поверхностями,   которые   при¦

¦                                 ¦отсутствии в нем  напряжений  удалены¦

¦                                 ¦друг от друга па расстояния, во много¦

¦                                 ¦раз   меньше   протяженности    самой¦

¦                                 ¦полости                              ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦3.  Магистральная трещина        ¦Трещина,    протяженность     которой¦

¦                                 ¦превосходит    размеры    структурных¦

¦                                 ¦составляющих  материалов  и  областей¦

¦                                 ¦самоуравновешенных  напряжений  и  по¦

¦                                 ¦поверхностям    которой    произойдет¦

¦                                 ¦деление образца на части             ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦4.  Коэффициент                  ¦Величина,                определяющая¦

¦    интенсивности напряжений К.  ¦напряженно-деформированное  состояние¦

¦                                 ¦и смещения  вблизи  вершины  трещины,¦

¦                                 ¦независимо от схемы нагружения, формы¦

¦                                 ¦и размеров тела и трещины            ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦5.  Условный          коэффициент¦Значение   К,    вычисленное    через¦

¦                              *  ¦действующую  на  образец  нагрузку  и¦

¦    интенсивности напряжений К   ¦исходную   длину   трещины   а_0   по¦

¦                                 ¦формулам для упругого тела           ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦6.  Удельные энергозатраты G     ¦Величина,  характеризующая   удельные¦

¦                                 ¦(относительно   эффективной   рабочей¦

¦                                 ¦площади поперечного сечения  образца)¦

¦                                 ¦энергозатраты  на   различные   этапы¦

¦                                 ¦деформирования и разрушения          ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦7.  J-интеграл                   ¦Величина,   характеризующая    работу¦

¦                                 ¦пластической деформации и разрушения,¦

¦                                 ¦а также поле напряжений и  деформаций¦

¦                                 ¦при упругопластическом деформировании¦

¦                                 ¦вблизи  вершины  трещины  (аналогично¦

¦                                 ¦коэффициенту интенсивности напряжений¦

¦                                 ¦К)                                   ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦                                 ¦            *                        ¦

¦8.  Условный          критический¦Значение   К,     определяемое    при¦

¦    коэффициент     интенсивности¦неравновесных   испытаниях   образцов¦

¦                *                ¦типов 1-4 по нагрузке,  равной  F_ с,¦

¦    напряжений К_с               ¦и  начального  надреза  образца  а_0,¦

¦                                 ¦условно  характеризующее  критическое¦

¦                                 ¦состояние материала при  динамическом¦

¦                                 ¦начале движения магистральной трещины¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦9.  Статический критический      ¦Значение    К,    определяемое    при¦

¦    коэффициент     интенсивности¦равновесных испытаниях образцов типов¦

¦    напряжений K_i               ¦1, 5, 6 по g_i и Е_b, характеризующее¦

¦                                 ¦критическое состояние  материала  при¦

¦                                 ¦статическом      начале      движения¦

¦                                 ¦магистральной трещины                ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦10. Критический       коэффициент¦Значение    К,    определяемое    при¦

¦    интенсивности напряжений K_c ¦равновесных испытаниях образцов  типа¦

¦                                 ¦1   по   G_ce   и  Е_b,   инвариантно¦

¦                                 ¦характеризующее  состояние  материала¦

¦                                 ¦при  динамическом   начале   движения¦

¦                                 ¦магистральной трещины                ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦11. Удельные  энергозатраты    на¦Значение    G,    определяемое    при¦

¦    начало           статического¦равновесных испытаниях образцов  типа¦

¦    разрушения G_i               ¦1 по диаграмме  F-V,  характеризующее¦

¦                                 ¦удельные  энергозатраты   на   начало¦

¦                                 ¦статического разрушения              ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦12. Удельные          эффективные¦Значение    G,    определяемое    при¦

¦    энергозатраты              на¦равновесных испытаниях образцов  типа¦

¦    статическое разрушение G_F   ¦1 по  диаграмме  F-V, характеризующее¦

¦                                 ¦удельные энергозатраты на статическое¦

¦                                 ¦разрушение                           ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦13. Полные     удельные   упругие¦Значение    G,    определяемое    при¦

¦    энергозатраты              на¦равновесных испытаниях образцов  типа¦

¦    статическое    деформирование¦1 по диаграмме F - V, характеризующее¦

¦    до деления на части G_ce     ¦удельные энергозатраты на разрушение ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦14. Статический джей-интеграл J_i¦Значение    J,    определяемое    при¦

¦                                 ¦равновесных испытаниях образцов  типа¦

¦                                 ¦1 по диаграмме  F-V,  характеризующее¦

¦                                 ¦поле напряжений и  деформаций  вблизи¦

¦                                 ¦вершины  магистральной  трещины   при¦

¦                                 ¦начале ее движения                   ¦

+---------------------------------+-------------------------------------+

¦                        с        ¦                                     ¦

¦15. Критерий хрупкости X_F       ¦Характеристика хрупкости материала   ¦

L---------------------------------+--------------------------------------


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 F_ij и a_ij) 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 иагружения образцов приведены на черт. 7, 8.

Минимальные размеры образцов: типа 5-b >= 12 d_am;

типа 6-b >= 15 d_am

3. Для определения значений величин а_ij 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.

4. Определение характеристик трещиностойкости

4.1. Для каждого этапа нагружения определяют значение K_ij по зависимостям:


"Черт. 7"


"Черт. 8"


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

- для образца типа 5.


"Формула (13)"


- для образца типа 6.


"Формулы (14)-(17)"


4.2. По результатам п. 4.1 строят зависимость Kij-aij; за величину K_i принимают среднее значение K_ij 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 R_bt определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 и типов 5, 6 (согласно приложению 3) по зависимости


"Формула (18)"


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


"Формула (19)"


3. Значение E_b определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 с лямбда ~ 0,1-0,5 по зависимости


"Формула (20)"


Приложение 5

Обязательное


Испытательное оборудование для определения характеристик трещиностойкости при равновесных испытаниях образцов типа 1


Для определения характеристик трещнностойкости 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.


"Черт. 9"


"Черт. 10"


Приложение 6

Обязательное


Поправка на массу образца и дополнительного оборудования


При равновесных испытаниях образцов типа 1 с b >= 200 мм перед определением характеристик трещиностойкости производят поправку на массу образца и распределительную балку.

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

точку S по упругой линии ST переносят в положение точки О на величину F_s, откладываемую на оси F, равную


                      F_s = [m_1(L_0/L) + m_2]g,                      (21)


проводят оси OF и OV, параллельные соответственно SF и SV";

с начала прямолинейного нисходящего участка диаграммы, то есть из точки D, где выполняется условие (dF/dV) ~ const проводят отрезок DK, перпендикулярный оси OV;

фиксируют расчетную диаграмму OSTCDK.


"Черт. 11"

Государственный стандарт СССР ГОСТ 3.1102-81 (СТ СЭВ 1799-79) "Единая система технологической документации. Стадии разработки и виды документов" (утв. и введен в действие постановлением Госстандарта СССР от 31 декабря 1981 г. n 5944) (с изменениями от 1 сентября 1987 г.)  »
ГОСТы и правила »
Читайте также