CC BY
28УДК 624.072.31
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-3-7
A.А. ВАРЛАМОВ1, канд. техн. наук (mgrp@mgn.ru);
B.И. РИМШИН2, д-р техн. наук, член-корр. РААСН (v.rimshin@niisf.ru)
1 Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова (455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38)
2 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный проезд, 21)
О размере контрольных образцов бетона
Методы определения основных физико-механических характеристик бетона основаны на испытаниях стандартных бетонных образцов. Наименьший размер таких образцов определяется пятью размерами заполнителя. Извлечение таких образцов из готовых изделий затруднено. Ранее были получены зависимости, позволяющие определять модуль упругости образцов, зная соотношение раствора к заполнителю. Такое соотношение определяется по боковым поверхностям выпиленных образцов. Проведены испытания образцов бетона, полученных путем распиливания стандартных образцов. Приведены результаты комплексных сравнительных испытаний стандартных и малых образцов. В результате исследования выявлено, что прочность малых образцов не превышает прочности стандартных. Диаграммы поведения стандартных образцов практически совпадают с усредненными диаграммами работы образцов малых размеров. Результаты испытаний показывают возможность перейти с испытаний стандартных образцов бетона на образцы бетона малых размеров.
Ключевые слова: стандартные образцы бетона, малые образцы бетона, испытание на сжатие, прочность, деформативность, модуль упругости.
Для цитирования: Варламов А.А., Римшин В.И. О размере контрольных образцов бетона // Строительные материалы. 2019. № 6.
C. 3-7. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-3-7
A.A. VARLAMOV1, Candidate of Sciences (Engineering) (mgrp@mgn.ru);
V.I. RIMSHIN2, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of RAACS (v.rimshin@niisf.ru)
1 Nosov Magnitogorsk State Technical University (11, Uritskogo Street, Magnitogorsk, 455000, Russian Federation)
2 Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)
About the Size of Control Samples of Concrete
Methods for determining the basic physical and mechanical characteristics of concrete are based on tests of standard concrete samples. The smallest size of such samples is determined by five sizes of filler. Extraction of such samples from finished products is hindered. Previously, dependences making it possible to determine the modulus of elasticity of the samples, knowing the ratio of the solution to the filler were obtained. This ratio is determined by the side surfaces of the sawn samples. Concrete samples obtained by sawing standard samples were tested. The results of complex comparative tests of standard and small samples are presented. As a result of the study it is revealed that the strength of small samples does not exceed the strength of the standard. The behavior diagrams of the standard samples practically coincide with the averaged diagrams of the work of samples of small sizes. Test results show the opportunity to move from tests of standard samples of concrete to concrete samples of small sizes. Keywords: standard concrete samples, small concrete samples, compressive test, strength, deformability, elastic modulus.
For citation: Varlamov A.A., Rimshin V.I. About the size of control samples of concrete. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 6, pp. 3-7. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-3-7
Сложившиеся стандартные методы определения основных физико-механических характеристик бетона и каменных материалов базируются на испытаниях стандартных призматических образцов, минимальный размер которых нормируется размером зерна заполнителя, или неоднородностью соотношения размеров для образцов определяются исходным положением об однородности испытуемого образца и получаемых с помощью этого образца результатов. Если соотношение размер неоднородности — размер образца нарушается, образец считается неоднородным и результат его испытания не принимается. Нижеприведенные данные взяты из нормативных источников. Для горных пород минимальный размер образца 30 мм при соотношении неоднородности к минимальному размеру образца не менее 1:10 (зерно не более 3 мм). Для базы измерения минимальный размер принят 15 мм при соотношении зерна к базе 1:10 и менее.
Для бетона минимальное соотношение наибольшей крупности заполнителя к наименьшему размеру призмы (или диаметру цилиндра) — 1:5; для образцов, извлекаемых из конструкций, допускается соотношение 1:2 при минимальном размере сечения образца 44 мм.
Нормами прочность раствора допускается определять на кубах с минимальным размером ребра 2 см.
Для определения физико-механических характеристик бетона используют два прямых метода [1]: метод параллельного изготовления конструкции и образцов-близнецов (опалубки для формования образцов при изготовлении изделия могут помещать в тело изделия) и метод извлечения образцов бетона из конструкции. Использование первого метода требует строгого соблюдения технологии, но даже при этом всегда сохраняются различия в масштабе, особенностях уплотнения и твердения образцов и основного тела бетона. Такой метод применим только при специально разработанной методике исследования т. е. при проектировании конструкции. Для обычных исследований эксплуатируемых конструкций, второй метод практически единственный. Однако и этот метод не позволяет полностью определить требуемые характеристики бетона [2]. Извлечение стандартных образцов из эксплуатируемой конструкции часто невозможно вследствие размера образца или же недостаточно вследствие разброса характеристик бетона.
j'^J ®
июнь 2019
3
а Яу/Я,
6 Я, 200
180
160
140
120
МПа
1 23456789 см 0123456789
Рис. 1. Соотношение между средним пределом прочности при сжатии кубов раствора (а) [9] и кернов горных пород (б) [10]
10 11
Таблица 1
Характеристики стандартных призм
Рис. 2. Поршневая установка для проведения испытаний малых образцов
Образец р, кг/м3 Eb.dyn.10-3, МПа р, кг/м3 Еь^уп.Ю-3, МПа | Rb, МПа | Еьж10-3, МПа
2 мес 6 мес
1/1 2,44 48,6 2,41 46,8 30,9 28,8
1/2 - - 2,41 46,1 33,6 29,2
1/3 - - 2,39 50,5 35,1 31,2
2/1 2,47 51 2,43 48,6 34,6 27,1
2/2 2,44 47 2,41 47,6 34 29,9
2/3 - - 2,4 48 32,2 26,6
3/1 2,45 49,1 2,41 45 32 29,6
3/2 2,49 50,2 2,4 47,1 36,3 28,6
3/3 - - 2,38 43,9 31,7 27,3
4/1 2,47 49,2 2,41 47,2 - -
4/2 - - 2,4 46,1 - -
4/3 - - 2,39 49,7 - -
Среднее 2,46 492 2,4 47,2 33,4 28,7
Разброс 2,6%
Таблица 2
Характеристики кубов
Образец р, кг/м3 R, МПа Еь^упЮ-3, МПа Образец р, кг/м3 R, МПа Еь^упЮ-3, МПа
1 2,44 48,5 52,1 7 2,31 43,4 53,9
2 2,45 50,1 54,3 8 2,32 46,5 55,2
3 2,35 48,7 50,5 9 2,35 42,5 51,2
4 2,36 47,1 48,9 10 2,33 39,7 49,2
5 2,33 40 50,8 11 2,42 46,1 51
6 2,44 52,2 49,6 12 2,33 - 50,1
Среднее по всем образцам 2,37 45,9 51,3
Для однородных материалов размер образца может быть достаточно мал [3]. Построенные модели бетона [4, 5] позволяют уменьшать размер извлекаемого образца до размера, сопоставимого с размером заполнителя, что значительно облегчит и ускорит процесс испытания. Образцы малых размеров используются в методиках определения напряженно-деформированного состояния бетона эксплуатируемых конструкций [6]; в методе определения прочности и структурных характеристик бетона способом пиления [7]; в методе определения критического коэффициента интенсивности напряжений бетона [8].
Отличие изгоотовленных в формах образцов от извлеченных из тела конструкции — в структуре поверхности, которая оказывает значительное влияние на результаты испытаний. Для малых образцов есть свои особенности. Для наглядности приведем результаты сравнительных испытаний растворных образцов разных размеров, изготовленных в опалубке [9], и каменных материалов, выбуренных из блоков [10]. Результаты испытаний приведены на рис. 1.
На рис. 1 видна гладкая кривая для мелкозернистого бетона, происходит снижение прочности образцов с увеличением их размера. В работе [10] отмечается
научно-технический и производственный журнал
июнь 2019
а ,МПа
20 -16 -12 8 -4 - Л
Таблица 3
Характеристики малых призм
20 40
80 100 120
Рис. 3. График измерения деформации на ступенях 4, 9, 14, 19 МПа
4 8 12 16
3 7 11 15
2 6 10 14
1 5 9 13
Образец р, кг/м3 Скорость ультразвука, m/s Eb,dyn10-3, МПа Eb,n10-3, МПа Rb, МПа
1 2,37 4608 51,3 41 32,5
2 2,37 4521 49,4 26 27,5
3 2,29 4226 41,7 26 29,5
4 2,35 4492 48,4 38 37
5 2,36 4698 53,1 20 27,7
6 2,31 4892 56,4 19 28,6
7 2,43 4525 50,7 30 30.3
8 2,18 4436 43,7 45 28,5
9 2,4 4730 54,7 24 26,5
10 2,39 4699 53,8 22 28,2
11 2,43 4579 51,9 22 27,5
12 2,19 4464 44,5 28 33
13 2,45 4730 55,9 17 28,5
14 2,27 4653 50,1 30 29,5
15 2,28 4668 50,64 25 26,8
16 2,2 4105 37,8 44 33
Среднее 2,33 --- 49,6 28,8 29,6
Среднее для стандартных призм 47,2 28,7 33,4
Рис. 4. Схема резки куба на мелкие призмы
0
снижение прочности горных пород всего на 9—14% от средних значений. Отмечается снижение прочности у образцов размером 1—2 см. Показанные на рисунках кривые похожи на статистические кривые изменения прочности образцов с изменением их размеров, однако чисто статистические модели не всегда точно описывают результаты натурных испытаний [11].
Материалы и методы исследований
Для приготовления бетонной смеси использовали состав цемент:песок:щебень = 1:0,7:3:0,46. Размер щебня 10—20 мм. Всего было произведено 14 кубов размером 100x100 мм и 12 призм размером 100x100x400 мм. Призмы делили на серии в соответствии с методикой испытания. Возраст образцов при испытании составлял 8 мес.
Процедура тестирования предполагала использование неразрушающих и разрушающих методов контроля [12—14]. Для неразрушающего метода использовали ультразвуковой тестер материалов «Пульсар». Для измерения продольных деформаций использовали индикаторы со шкалой деления 0,001 мм и устройство автоматического измерения деформаций АИД-1М совместно с тензодатчиками базой 50 мм. Поперечные деформации измеряли тензодатчиками Гугенберга и системы Aistova и тензорезисторами базой 20 мм.
Образцы стандартных размеров 100x100x400 были испытаны на центральное сжатие. Для испытаний малых образцов применяли поршневые установки (рис. 2). Характеристики призм приведены в табл. 1.
МПа
Рис. 5. Графики испытаний малых призм (пунктирная линия - диаграмма испытания стандартных призм)
Результаты испытаний кубов представлены в табл. 2.
На боковую поверхность куба № 12 наклеивали тензодатчики с базой 20 мм (6 шт.) и 50 мм (6 шт.) по три датчика на каждой стороне. На этот куб с помощью гипса были приклеены с двух сторон другие кубики прочностью В25. Образовавшаяся призма была загружена до 20 МПа; деформации призмы измеряли на шаге 4, 9, 14, 19 МПа. Центрирование проводили только по рискам. Результаты измерений показаны на рис. 3. Ранее частично эти данные приведены в работе [15]. Далее призмы в соответствии со схемой? показанной на рис. 4, вырезали из куба. Размеры поперечного сечения вырезанных малых призм были в диапазоне от 23,1 до 23,3 мм, высота 100 мм. На боковых поверхностях призм в средней части были приклеены датчики базой 50 мм. Малые призмы были
ÜJ ® июнь 2019
5
испытаны в поршневой установке с центрированием по рискам. Торцевые поверхности малых призм при установке были покрыты гипсовой штукатуркой. Призмы помещали в установку, центрировали, выставляли вертикально по шаблону и прижимали собственным весом поршня вместе с гипсом. Испытания были проведены через сутки после схватывания гипса.
Результаты испытаний малых призм приведены в табл. 3 и на диаграмме на рис. 5 [15]. На рис. 5 толстой пунктирной линией показан усредненный график поведения стандартных призм.
По результатам испытаний получены данные с большим разбросом прочности. Прочность кубов изменялась в пределах 31,7—36,3 МПа (±13%), для малых призм прочность находилась в диапазоне 26,5— 37 МПа и относительный разброс 35,5%. С другой стороны, средние значения прочности малых призм и стандартных призмы отличаются только на 11%, несоответствие модуля упругости составляет менее 1%.
Выводы
1. Ультразвуковое испытание не выявило существенных различий в характеристиках как стандартных бетонных образцов, так выпиленных.
Список литературы
1. Neville A. Core tests: easy to perform, not easy to interpret // Concrete International. 2001. November, pp. 59—68. https://sefindia.org/forum/files/ ci2311neville_186.pdf
2. Bazhenov Y.M., Erofeev V.T., Rimshin V.I., Markov S.V., Kurbatov V.L. Changes in the topology of a concrete porous space in interactions with the external medium. Engineering Solid Mechanics. Vol. 4 (4), pp. 219-225.
3. Oller S., Onate E., Miquel J., Botello S. A plastic damage constitutive model for composite materials. International Journal of Solids and Structures. 1996. Vol. 33. Iss. 17, pp. 2501-2518
4. Варламов А.А. Модели упругого поведения бетона // Известия КГАСУ. 2014. № 3 (29). С. 19-26.
5. Римшин В.И., Варламов А.А. Объемные модели упругого поведения композита // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2018. № 3 (375). С. 63-68.
6. Варламов А.А., Гаврилов В.Б. Сагадатов А.И. Комплексный метод оценки напряженно-деформированного состояния и долговечности железобетонных конструкций // БСТ. 2017. № 11. С. 29-37.
7. Римшин В.И., Гаврилов В.Б., Варламов А.А. Оценка механических и макроструктурных характеристик бетона методом локального разрушения // БСТ. 2018. № 12 (1012). С. 24-26.
8. Круциляк Ю.М., Круциляк М.М., Варламов А.А. Способ определения характеристик трещино-стойкости бетона // Бетон и железобетон. 2008. № 1. С. 20.
9. Пангаев В.В. Онина М.М., Сердюк В.М., Молоков Д.В. Исследование масштабных коэффици-
2. Извлечение небольших образцов из тела бетона выявляет разброс характеристик в соответствии со структурой бетона. Использование усредненных свойств бетона при оценке его напряженного состояния может привести к большим погрешностям в определении напряжений. Для каждой точки исследования необходимо получить свои характеристики.
3. Процесс резки и извлечения образцов из массива влияет на их прочностные и деформативные характеристики. Прочность всех малых образцов была меньше на 10% прочности стандартных образцов. Деформационные характеристики малых образцов различались только в начальных стадиях нагру-жения.
4. Деформационные характеристики образцов малых размеров, за исключением начальной стадии нагружения, не отличаются от деформации стандартных образцов.
5. Использование малых образцов из бетона при оценке напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций производится с высокой точностью в пределах 0,1—0,8 от предельной несущей способности.
References
1. Neville A. Core tests: easy to perform, not easy to interpret. Concrete International. 2001. November, pp. 59—68. https://sefindia.org/forum/files/ci2311n-eville_186.pdf
2. Bazhenov Y.M., Erofeev V.T., Rimshin V.I., Markov S.V., Kurbatov V.L. Changes in the topology of a concrete porous space in interactions with the external medium. Engineering Solid Mechanics. Vol. 4 (4), pp. 219-225.
3. Oller S., Onate E., Miquel J., Botello S. A plastic damage constitutive model for composite materials. International Journal of Solids and Structures. 1996. Vol. 33. Iss. 17, pp. 2501-2518.
4. Varlamov A.A. Model the elastic behavior of the concrete. Izvestiya KGASU. 2014. No. 3 (29), pp. 19-26. (In Russian).
5. Rimshin, V.I., Varlamov, A.A. Three-dimensional model of elastic behavior of the composite. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Seriya Teknologiya Tekstil'noi Promyshlennosti. 2018. No. 3 (375), pp. 63-68. (In Russian).
6. Varlamov A.A., Gavrilov V.B., Sagadatov A.I. Comprehensive evaluation method of stress-strain state and durability of reinforced concrete structures. Byulleten' stroitel 'noj tehniki. 2017. No. 11, pp. 29-37. (In Russian).
7. Rimshin V.I., Gavrilov V.B., Varlamov A.A. Evaluation of mechanical and macrostructural properties of concrete by method of local destruction. Byulleten'stroitel'noj tehniki. 2018. No. 12 (1012), pp. 24-26. (In Russian).
8. Krucilyak Yu.M., Krucilyak M.M., Varlamov A.A. The method of determining the characteristics of crack resistance of concrete. Beton i zhelezobeton. 2008. No. 1, pp. 20. (In Russian).
6
июнь 2019
ентов для определения прочности цементных растворов при сжатии // Известия вузов. Строительство. 2012. № 2. С. 102-108.
10. Ильницкая Е.И., Протодьяконов М.М. Влияние масштабного фактора при определении крепости горных пород на образцах неправильной формы // Сопротивляемость горных пород разрушению при добывании. М.: Изд. Акад. Наук СССР, 1962. С. 214-224.
11. Лермит Р. Проблемы технологии бетона / Пер с фр. М.: Издательство ЛКИ, 2007. 296 с.
12. Шейнин А.М. Эккель С.В. Оценка качества монолитного бетона в дорожном и аэродромном строительстве при испытании кернов // Строительные материалы. 2009. № 5. С. 17-20.
13. Соколов Б.С., Загидуллин М.Р. Определение прочности бетона по результатам испытания цилиндрических образцов, размеры которых отличаются от регламентируемых нормами // Строительные материалы. 2010. № 8. С. 70-73.
14. Панферов А.А., Сивакова О.А., Гусарь О.А., Балакирева В.В. Выбор оптимальных методов определения прочности бетона при обследовании зданий // Строительные материалы. 2019. № 1-2. С. 60-63.
15. Varlamov A.A., Tverskoi S.Y., Gavrilov V.B. Samples of concrete of small sizes // Topical Problems of Architecture, Civil Engineering and Environmental Economics (TPACEE 2018). Moscow. E3S Web of Conferences. Vol. 91. Doi.org/10.1051/e3sconf/20199102043
9. Pangaev V.V. Onina M.M., Serdyuk V.M., Molo-kov D.V. The study of scale factors to determine proch-nosti cement mortars under compression. Izvestiya vu-zov. Stroitel'stvo. 2012. No. 2, pp. 102-108. (In Russian).
10. Il'nickaya E.I., Protod'yakonov M.M. The influence of the scale effect in determining the fortress of rocks on irregular shapes. Resistance of rocks to breaking when procuring. Moscow: Izd. Akad. Nauk SSSR. 1962, pp. 214-224. (In Russian).
11. Lermit R. Problemy tekhnologii betona [Problems of concrete technology]. Moscow: Izdatel'stvo LKI. 2007. 296 p.
12. Shejnin A.M. Ekkel' S.V. Quality assessment of in-situ concrete in road and airfield construction, when testing of the cores. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 5, pp. 17-20. (In Russian).
13. Sokolov B.S., Zagidullin M.R. Determination of concrete strength on the test results of cylindrical specimens whose dimensions differ from those regulated by standards. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. № 8, pp. 70-73. (In Russian).
14. Parfenov A.A., Sivakova O.A., Gusar'O.A., Balakire-va V.V. Selection of optimal methods for determining the strength of concrete when inspecting buildings and structures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 1-2, pp. 60-63. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-767-1-2-60-63 (In Russian)
15. Varlamov A.A., Tverskoi S.Y., Gavrilov V.B. Samples of concrete of small sizes. Topical Problems of Architecture, Civil Engineering and Environmental Economics (TPACEE 2018). Moscow. E3S Web of Conferences. Vol. 91. Doi.org/10.1051/e3sconf/20199102043
Институт строительных материалов им. Ф.А. Фингера (FIB) Университета Bauhaus-Universität г. Веймар (Германия)
организует IV Веймарскую конференцию по гипсу
F I B
, и не только
Гипсовая конференция проводится в Веймаре в четвертый раз и за это время стала площадкой для широкого научного обмена идеями в области вяжущих на основе сульфата кальция и их применения учеными и инженерами стран востока и запада
г. Веймар (Германия)
1-2 апреля 2020 г.
Основные темы конференции:
Вяжущие вещества на основе сульфата кальция
■ Вяжущие вещества, содержащие сульфат кальция
■ Гидратация и переработка
■ Добавки и их эффект
■ Стройматериалы и изделия на основе сульфата кальция
1 Сульфаты кальция и сохранение исторического наследия
1 Изделия на основе сульфата кальция и их безотказное длительное использование 1 Другие виды применения сульфата кальция
Заявки на участие в конференции с докладами принимаются до 15 октября 2019 г. Планируется синхронный перевод: немецкий, английский, русский.
www.weimarer-gipstagung.de
gipstagung@uni-weimar.de
Л] ®
июнь 2019
7
12722180
