СПОСОБ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРМАТУРНОЙ СТАЛИ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к области испытания строительных материалов, в частности к способам оценки механических свойств арматурных сталей железобетонных конструкций, подвергавшихся термохимическому воздействию газовой среды при пожаре и других подобных ему условиях.

Известен способ оценки характеристик механических свойств арматурной стали, заключающийся в том, что для испытания на растяжение применяют образы арматуры гладкие или периодического профиля с необработанной поверхностью. Испытания горячекатанной стержневой арматуры номинальным диаметром d≥28 мм производят на обточенных образцах диаметром d₀≥10 мм. При номинальном диаметре до 40 мм продольные оси испытуемого стержня и точеного образца могут совпадать, а при 45≅d≅60 мм и 70≅d≅90 мм расстояние от оси стержня до оси образца составляет соответственно 0,25 и 0,5 радиуса сечения арматурного стержня. Вытачивают образцы таким способом, чтобы продольные оси стержня и образца были параллельны. Выточенные образцы испытывают на растяжение и определяют характеристики механических свойств арматурной стали [1.с.3. черт. 1]
Недостатком этого способа является невозможность достоверной оценки изменения механических свойств арматурной стали, ранее подвергавшейся воздействию газовой среды, в том числе получившей термо-химические повреждения поверхностного слоя. Результаты испытания образцов, вырезанных на расстоянии (0,25-0,5)•R от продольной оси арматурного стержня, не характеризуют сравнительные и фактические механические свойства арматурной стали, подвергшейся, например, термическому воздействию газовой среды в условиях пожара.

Известен способ определения физико-механических свойств материалов путем циклического нагрева, нагружения образца и измерения величины деформации от нагрузки, по которым судят о характеристике упругости материала [2] Однако и этим способом нельзя определить влияние образовавшегося поверхностного слоя металла на прочностные свойства арматурной стали, неравномерно отожженной в условиях пожара.

Ближайшим техническим решением является способ оценки чувствительности металла к надрезам, предложенный Н.Н.Давиденковым и С.Е.Беляевым. В этом способе применяется "комбинированный" образец с надрезом. Особенность этого способа заключается в осуществлении в пределах рабочей части одновременно "гладкого" образца 10-ти кратной длины диаметром 7 мм и надрезанного образца с тем же сечением в надрезе.

При указанных размерах опытного образца происходит разрыв, как правило, "гладкого" образца. Углубляя постепенно надрез, путем серии испытания образцов, определяют равнопрочные сечения "гладкой" и надрезанной части образцов. Получаемая с помощью этого способа оценка влияния надреза, как указывают сами авторы, является в значительной мере условной [3, с. 213-220]
Недостатком прототипа является невозможность применения его для оценки влияния поверхностного анизотропного слоя металла на изменение механических свойств стальной арматуры. Испытание комбинированного образца по способу оценки влияния надреза дает только определение положительного или отрицательного влияния надреза на прочность металла.

Недостатком конструкции комбинированного образца при испытании на растяжение является то, что он состоит из гладкой части и части образца с надрезом. При разрыве образца в начале испытаний в месте надреза происходит упрочнение арматурной стали вытяжкой. Последующее испытание на разрыв только гладкой части образца дают искаженные результаты характеристик механических свойств стали.

В большинстве же случае надрез определяет изменение (снижение) пластичности и вязкости и не оценивает достоверно изменение прочности стали.

Опытные комбинированные образцы имеют только постоянные размеры: диаметр гладкой части образца принимают 7 мм, глубину надреза принимают угловой формы (45^o-60^o) не менее 1,5 мм, для подготовки комбинированного образца используют гладкий стальной стержень постоянного диаметра (d= 16 мм). Вследствие этого испытание арматурных сталей основного сортамента диаметром от 9 до 90 мм этим способом невозможно без существенных искажений их результатов. Кроме того, форма комбинированных образцов весьма сложная и не принята ГОСТом на испытание.

В процессе испытания на растяжение необходимы дополнительные приспособления для выполнения тщательной центровки комбинированного образца. Заготовка образцов с надрезом требует большого их числа (серия образцов 7 10 шт. ). Это объясняется значительным разбросом единичных результатов испытаний (до ±30%).

Кроме этого, образцы с надрезами требуют обточки и специального дополнительного режима их обработки перед испытанием (см. стр. 216 [3]).

При испытании комбинированных образцов используют основные и дополнительные измерительные приборы для тщательной проверки радиуса, глубины и ширины надрезов (например, микроскопа). Это увеличивает трудоемкость испытаний и повышает их сложность.

Разрыв комбинированного образца происходит как по гладкой части, так и в месте надреза. Разрушение образца в месте надреза происходит неожиданно, хрупко. Это отрицательно влияет на эксплуатацию испытательной машины и точность испытания, а получаемые результаты являются в значительной мере условными (см. стр. 220 [3]
Использование надреза при испытаниях, как правило, повышает величины исследуемых характеристик стали в местах надреза. Эта погрешность при испытании происходит вследствие концентрации осевых напряжений, перехода от линейного к объемному напряженному состоянию и снижения коэффициента мягкости его (см. стр. 208 [3]
Следующим недостатком прототипа является то, что наличие обезуглероженного слоя стали в надрезе существенно (на 25-35%) повышает временное сопротивление в месте надреза и искажает результаты испытания (см. стр. 216[3]
Целью настоящего изобретения является достоверная оценка степени изменения механических свойств отожженной арматурной стали, а также упрощения изготовления и испытания образцов арматуры, имеющей свойства металла по сечению стержня.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе оценки механических свойств стали, включающем использование заготовки из испытуемой арматурной стали, вырезание из нее образца, испытание его на растяжение до разрушения и определение параметра, по которому оценивают механические свойства арматурной стали, используют заготовку в виде арматурного стержня, подвергают его отжигу в газовой среде, определяют толщину анизотропного слоя; в качестве образцов используют две части стержня; с поверхности одной части снимают слой стали толщиной не менее толщины анизотропного слоя; растяжению подвергают два образца; параметр, по которому оценивают механические свойства арматурной стали, определяют для каждого образца, а по отношению этих параметров дополнительно судят об изменении механических свойств арматурной стали.

Образец арматуры, с необработанной поверхностью, называют основным, с обработанной поверхностью контрольным.

Основное отличие предложенного способа заключается в возможности применения его для оценки влияния поверхностного анизотропного слоя стали на изменение механических свойств арматуры железобетонных конструкций, подвергшихся термохимическому воздействию в условиях агрессивной среды.

Принципиальное отличие предложенной операции по подготовке контрольных образцов к испытанию заключается в том, что глубину обточки рабочей длины образца принимают не менее толщины поврежденного (анизотропного) слоя металла.

Глубину обточки контрольного пропорционального образца при этом принимают в пределах от 0,3 до 0,6 номинального диаметра арматуры. Это объясняется тем, что в условиях огневого воздействия с жестким температурным режимом стальная арматура железобетонной конструкции, как правило, обнажается от бетона и подвергается непосредственному газопламенному воздействию и последующим различным режимам охлаждения (неконтролируемому отжигу). При высокой температуре происходит химическое взаимодействие поверхности металла с газовой средой. При этом особое значение имеют процессы изменений содержания углерода (науглероживание, обезуглероживание) и окисление поверхности арматурной стали.

Толщина науглероженного слоя после (6-8) ч. воздействия газовой среды, содержащей окись углерода и газообразные углеводороды, при температурах (900-1050)^oC, составляет порядка (1,5-3) мм.

Обезуглероживание поверхностного слоя наиболее интенсивно происходит при нагреве стали до высоких температур (св. 700^oC) в газовой среде, содержащей кислород, углекислый газ и водород; толщина обезуглероженного слоя составляет (0,1-0,3)мм. Определение обезуглероженного слоя проводят по ГОСТ 1763-68^* "Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя", 1992 г.

Окисление стали при высоких температурах приводит к образованию окислов железа на поверхности арматурного стержня; толщина окалины составляет (0,5-1,5) мм.

Полная толщина поврежденного слоя включает перечисленные выше дефекты поверхностного слоя стали: пленку окислов, науглероженные или обезуглероженные слои. Следовательно, требуемая условиями испытания глубина обточки образца при 9≅d≅90 мм составляет 0,03-0,3 номинального диаметра.

Другое отличие состоит в том, что вместо сложных по форме и трудоемких по выполнению комбинированных образцов гладкого образца и образца с надрезом, в предложенном способе принимают простую форму испытываемых образцов в виде пропорциональных цилиндрических образцов.

Глубину обточки контрольных образцов принимают в пределах от 0,3 до 0,6 номинального диаметра. Это обеспечивает возможность сопоставления результатов испытания, получаемых на пропорциональных образцах по ГОСТ 1497-84^* "Металлы. Методы испытания на растяжение", 1993 г.

На фиг. 1 показан арматурный стержень, места вырезки основного и контрольного образцов, форма и размеры этих образцов; на фиг. 2 и 3 - поперечные сечения испытываемых арматурных стрежней гладкого и периодического профиля и схемы вырезки контрольных образцов при различных величинах номинального диаметра арматурного стержня.

Изобретение осуществляется следующим образом. Из подготовленной к исследованию арматурной стали вырезают два образца 1 и 2, ориентированные вдоль продольной оси арматурного стержня 3. При этом основной образец 1 вырезают в форме арматурного стержня гладкого или периодического профиля с необработанной поверхностью. Полную длину основного образца арматуры L₁ выбирают с таким расчетом, чтобы рабочая длина образца составляла не менее 200 мм (при d≅20 мм) и не менее 10d (при d>20 мм). Контрольный образец 2 вытачивают, удаляя поврежденный слой 4 металла, в форме пропорционального цилиндрического образца, расположенного так же вдоль продольной оси арматурного стержня 3. При этом продольные оси основного 1 и контрольного 2 образца совпадают при любых диаметрах арматуры любого вида, т.е. гладкой (фиг. 2) или периодического профиля (фиг. 3). Использование пропорциональных цилиндрических образцов в качестве контрольных при испытании гарантирует удаление толщины инородного слоя 4 металла.

Для испытания принята арматурная сталь периодического профиля диаметром 16 мм класса А-У, отобранная из железобетонной плиты сооружения после неконтролируемого отжига ее в результате огневого воздействия, длительностью 45 минут с жестким температурным режимом. Газовая среда пожара содержала в избытке окись углерода и пары воды. Толщина анизотропного слоя металла составляет около 2 мм. В качестве основного образца использован необточенный арматурный стержень диаметром 16 мм. Контрольный образец выточен диаметром 11 мм, глубина обточки 5 мм. Данные обработки образцов и результаты последующего испытания на растяжение приведены в табл. 1.

При величине характеристик временного сопротивления основного 600 МПа (60 кгс/кв.мм) и контрольного образца 700 МПа (70 кгс/мм²).

Степень изменения прочности отожженной арматурной стали по сечению равна
k_s= σ_b1/σ_b2= 600/700 = 0,86..

Следовательно, использование предлагаемого способа позволяет определить влияние поверхностного анизотропного слоя металла на изменение основных характеристик механических свойств арматурной стали.

Кроме этого, использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества:
а) возможность определения влияния поверхностного анизотропного слоя металла на характеристики механических свойств арматурных сталей на простых образцах, при небольшом их количестве, без дополнительного режима обработки перед испытанием;
б) снижение трудоемкости подготовки и испытания основных и контрольных образцов;
в) обеспечение высокой точности результатов испытания вследствие отсутствия надрезов, простоты центровки образцов, плавного их разрушения при растяжении и незначительного разброса единичных результатов испытаний.

Подготовленные к испытанию пропорциональные образцы позволяют относительно просто определять характеристики механических свойств арматурной стали, используя основные положения ГОСТ 12004-81.

Достоверная оценка степени изменения механических свойств неравномерно отожженной арматурной стали позволяет предусматривать оптимальный вариант восстановления поврежденных железобетонных конструкций. Это приводит к существенной экономии строительных материалов, и в первую очередь, уменьшает расход дополнительно укладываемой арматурной стали. Прямые убытки от пожара по строительным конструкциям снижаются в 20-25 раз.

Сущность изобретения: отожженный арматурный стержень используют в качестве заготовки для испытываемых образцов, делят его на две части, определяют толщину анизотропного слоя. Из этих частей стержня изготавливают два образца. Из одной части заготовки изготавливают образец без обработанной поверхности, с поверхности другой части арматурного стержня снимают слой толщиной не менее толщины анизотропного слоя. Затем оба образца испытывают на растяжение до разрушения. По соотношению параметров, определяющих характеристики механических свойств отожженной стали, судят о величине их изменения. 1 табл., 3 ил.

Способ оценки механических свойств арматурной стали, заключающийся в том, что использует заготовку из испытуемой арматурной стали, вырезают из нее образец, подвергают его растяжению до разрушения и определяют параметр, по которому оценивают механические свойства арматурной стали, отличающийся тем, что используют заготовку в виде арматурного стержня, подвергают его отжигу в газовой среде, определяют толщину анизотропного слоя, в качестве образцов используют две части стержня, с поверхности одной части снимают слой стали толщиной не менее толщины анизотропного слоя, растяжению подвергают два образца, параметр, по которому оценивают механические свойства арматурной стали, определяют для каждого образца, а по отношению этих параметров дополнительно судят об изменении механических свойств арматурной стали.