ГОСТ 29167-91
Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении

ГОСТ 29167-91

БЕТОНЫ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ
(ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ)
ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ
Москва

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Дата введения 01.07.92

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 .

Допускается проведение равновесных испытаний с фиксацией текущих размером 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_i, G_F, G_j, G_ce, J_i, .

Значения R_bt, R_btf, Е_b 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.

Тип 1

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

Черт. 1

Тип 2

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

Черт. 2

Тип 3

Образец - куб для испытаний на внецентренное сжатие силой F.

Черт. 3

Тип 4

Образец - цилиндр дли испытаний на растяжение при раскалывании.

Черт. 4

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

В миллиметрах

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

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.

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 - 0,20 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).

Черт. 5

Черт. 6

Для определения значений К_c, 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 ОТСХDЕ).

При равновесных испытаниях образцов типа 1 с b ³ 200 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 .

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 ОТСDK;

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

г) определяют величину отрезка OM из выражения:

    (1)

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

е) для определения величин К_c, G_ce из расчетной полной диаграммы построением выделяют полную упругую диаграмму OТС¢Х¢O (черт. 6), для чего используют направления линий разгрузок, например, точку разгрузки Х переносят по линии, параллельной оси ОV, 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 именно: W_m, W_e, W_l, W_ui, W_ce, соответственно численно равные площадям фигур ОТСА, АСН, НСDK, О М на черт. 5 и OТС¢Х¢O 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)

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Обязательное

ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН

K - коэффициент интенсивности напряжений, МПа×м^0,5.

K_с - критический коэффициент интенсивности напряжений при максимальной нагрузке, МПа×м^0,5.

K_i - статический критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа×м^0,5.

 - условный критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа×м^0,5.

K_ij - текущие значения коэффициентов интенсивности напряжений при поэтапном равновесном нагружении образцов, МПа×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.

 - 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.

 - расчетные энергозатраты на упругое деформирование сплошного образца, МДж.

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

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

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

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

F_s - 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_е - перемещения, соответствующие упругим деформациям образца, м.

V_m - перемещения, соответствующие необратимым деформациям образца, м.

V_i - 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.

a₀, a_0t - длина начального надреза, м.

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

е₀ - начальный эксцентриситет приложения нагрузки, м.

b, t, L₀, L, D - размеры образцов, м.

j = b/L₀ - относительная высота образца.

l = (a₀ + a_0t)/b - относительная длина начального надреза.

d_am - максимальный размер заполнителя, м.

m₁, m₂ - масса образца и дополнительного оборудования, кг.

g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с².

tga - тангенс угла наклона восходящего упругого участка диаграммы.

E_l - 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

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 а_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 нагружения образцов приведены на черт. 7, 8.

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.

Минимальные размеры образцов: типа 5 - b ³ 12 d_am; типа 6 - b ³ 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. Дли каждого этапа нагружения определяют значение K_ij 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 K_ij - a_ij; 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

                                                  (18)

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

.  (19)

3. Значение E_b определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 с l ~ 0,1 - 0,5 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 b ³ 200 мм перед определением характеристик трещиностойкости производят поправку на массу образца и распределительную балку.

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

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

                                            (21)

- проводят оси ОF и ОV, параллельные соответственно SF и SV¢;

- с начала прямолинейного нисходящего участка диаграммы, т. е. из точки D, где выполняется условие (dF/dV) ~ const проводят отрезок DK, перпендикулярный оси ОV;

- фиксируют расчетную диаграмму OSТСDK.

Черт. 11

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

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. Декабрь 2003 г.