Способ определения сопротивления сдвигу бетонного образца Российский патент 2023 года по МПК G01N3/24 

Изобретение относится к области строительства и может найти применение при испытании, в частности, ремонтных составов для оценки их сцепления с рабочей бетонной поверхностью, в частности, при выполнении работ при реконструкции зданий и сооружений.

Известен способ испытания грунтов на сдвиг в разрезной обойме по методике плоскопараллельного среза путем приложения вертикальной и сдвигающей нагрузок с замером максимального значения сдвигающей нагрузки с последующим расчетом сопротивления сдвига по известным формулам (например, ГОСТ 54476-2011, п. 5. Методы лабораторного определения характеристик сопротивляемости сдвигу грунтов в дорожном строительстве).

Однако способ характеризует сложность испытаний на сдвиг за счет приложения двух видов нагрузок: вертикальной и сдвигающей.

Известен способ испытания грунтов, реализуемый в приборе для испытания образцов грунта на сдвиг, в разрезной под углом гильзе с образцом одной части образца по другой путем приложения одной вертикальной сдвигающей нагрузки с замером максимального значения нижняя часть которой установлена на каретке (А.с. №97158, МКИ: Литвинов И.М. Опубликовано Бюллетень №2, 1954).

Однако способ испытаний за счет использования сложной конструкции и необходимости изготавливать разрезную гильзу с различными углами, особенно при испытании исследуемых составов, снижает эффективность испытаний.

Известен также способ испытания образцов, например, на растяжение путем приготовления образца с переменным сечением и с меньшим диаметром в середине, что позволяет четко зафиксировать площадь разрыва и повысить точность измерений. Например, прочность на осевое растяжение определяется величиной сопротивления растяжению по методике ГОСТ 10180-2012, для чего используются стандартные образцы в виде 8-ки (с галтелями) (ГОСТ 10180-2012 БЕТОНЫ. Методы определения прочности по контрольным образцам. Приложение К, п. К1, п. К2).

Однако применение такой технологии для испытаний на сдвиг образцов не обнаружено.

Известен способ подготовки и определения прочности сцепления раствора (бетона) с основанием по силе отрыва образца затвердевшего раствора (бетона) от основания, бетонной плиты, приложенной к образцу через металлический диск с анкером, приклеенный к поверхности образца (Прочность сцепления с основанием растворов сухих строительных смесей на цементном вяжущем - ГОСТ 31356-2007, п. 6).

Однако применение такой технологии для испытаний образцов на сдвиг отличается сложностью реализации.

Известен также способ определения сдвигу образцов горных пород путем выполнения трещины в образце с последующим проведением по ней многократного сдвига (Авт. свид. СССР №1037135, МПК: G01N 3/24. Способ определения сдвигу образцов горных пород. Опубликовано 1983).

Однако является сложность подготовки образцов и их испытание, что снижает эффективность реализации способа.

Наиболее близким является способ испытания грунтов на сдвиг при косом срезе в разрезной цилиндрической обойме одной части образца по другой путем приложения одной вертикальной сдвигающей нагрузки с замером максимального значения с последующим расчетом сопротивления сдвига по формуле: τ=Psinα/F, где α - угол наклона плоскости среза; F -площадь среза; Р - максимальная сдвигающая нагрузка. (Сидоров Н.Н., Сипидин В.П. Современные методы определения характеристик механических свойств грунтов. - Л-д: Стройиздат, 1972. - С. 56).

Недостатком является сложность приготовления образцов и обойм, а также сложность их испытания в обойме, что снижает эффективность способа испытаний.

Технической задачей изобретения является разработка более эффективного способа определения сопротивления сдвигу бетонных образцов за счет разработки более простого в реализации способа.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в упрощении способа определения сопротивления сдвигу бетонных образцов за счет сокращения количества технологических операций и отказа от необходимости использования дополнительного оборудования, повышении надежности и точности результатов испытаний по определению сдвиговых характеристик бетона, снижении материалоемкости и трудоемкости испытаний.

Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что в способе определения сопротивления сдвигу бетонных образцов подвергают испытанию комбинированный бетонный образец, состоящий из двух частей бетонных образцов в виде двух пирамид: эталонной и исследуемого состава, соединенные основаниями пирамид, для чего сначала изготавливают эталонный образец в виде половины куба, разрезанного по наклонной плоскости через противоположные ребра, путем установки формы куба на ребро под углом испытания α, загрузки эталонной смеси до уровня верха стенки формы, уплотнения и твердения, после чего формуют вторую пирамиду образец из исследуемого состава путем перевода формы в исходное положение, укладывают смесь из исследуемого состава на наклонной поверхности основании эталонной пирамиды, площадью контакта 40% - 70% с организацией технологического зазора в углу основания эталонной пирамиды, производят уплотнение с последующим твердением и распалубкой, извлечением комбинированного бетонного образца, после чего выполняют испытание образца из исследуемого состава на сдвиг путем приложения к нему вертикальной сдвигающей нагрузки с замером максимального значения и расчетом сопротивления сдвига. При этом, периметр опорной поверхности исследуемой пирамиды формуется с зазором относительно периметра основания эталонной пирамиды и образуют паз в виде шейки по периметру в основании пирамиды из исследуемого состава. Для образования паза в виде шейки по периметру в основании пирамиды из исследуемого состава укладывают разрезной шаблон с отверстием, сечение которого соответствует сечению сдвиговой части исследуемой пирамиды, на основание эталонной пирамиды, после чего производят формование пирамиды из исследуемого состава, ее твердение и извлечение разрезного шаблона.

Реализация способа позволяет, во-первых, упростить способ и снизить трудоемкость испытаний за счет отказа от заключения образцов в обоймы, как в аналогах и прототипе, во-вторых, повысить эффективность за счет возможности испытания образцов различного сечения; в-третьих, упростить технологию испытаний повысить эффективность за счет возможности использования одной стандартной формы - куба для изготовления образцов с различными углами сдвига, что также упрощает способ испытаний и, в целом, повысить эффективность сдвиговых испытаний. Для получения более надежных результатов испытаний и предотвращения возможных сколов эталонной пирамиды в процессе нагружения предлагается производить формование исследуемой пирамиды с организацией зазоров между периметрами оснований двух пирамид. Для повышения точности получаемых характеристик за счет более четко заданной площади и поверхности сдвига, в отличие от прежней, где могут образовываться зерна скола по периметру и, соответственно, изменяться площадь сдвига за счет рваного периметра, предлагается выполнять формование исследуемой пирамиды с образования паза в виде шейки, по аналогии с испытанием образцов на растяжение, где формируют шейку отрыва, диаметром меньше диаметра образца (ГОСТ 10180-2012 БЕТОНЫ. Методы определения прочности по контрольным образцам. Приложение К, п. К1, п. К2), по периметру основания исследуемой пирамиды, например, с использованием дисковой пилы по бетону. Для упрощения способа предлагается выполнять паз в виде шейки в процессе формования исследуемой пирамиды с образованием по периметру основания исследуемой пирамиды, для чего предлагается применять разрезной шаблон с отверстием, размером сечение которого соответствует сечению сдвиговой части исследуемой пирамиды, который укладывается на основание эталонной пирамиды, после чего производят формование исследуемой пирамиды. Разрезной шаблон позволяет четко зафиксировать площадь сдвига, при этом легко удаляется после распалубки сборного образца. Кроме этого, разрезной шаблон позволяет задавать форму сечения площадки сдвига, что повышает эффективность испытаний за счет возможности моделирования процесса сдвига для различных конструкций.

Принятие площади сдвига, задаваемой в пределах 40% предотвращает работу пирамиды из исследуемого состава на изгиб с проявлением деформаций отрыва, и 70% площади основания эталонной пирамиды, чтобы обеспечить развитие преимущественно касательных напряжений в плоскости среза, а не сжатия и предотвратить скол - захват части эталонной пирамиды, что позволяет повысить эффективность испытаний.

Организация технологического зазора h₁ в углу основания эталонной пирамиды задается для предотвращения возможного скола ее нижней части при нагружении исследуемой пирамиды, что может снизить надежность получаемых результатов сдвиговых испытаний.

Способ реализуется следующим образом.

Сначала выполняют операции по изготовлению комбинированного образца из двух пирамид - эталонной и исследуемой. Для этого берут стандартную форму 1 для изготовления бетонных образцов кубов, устанавливают ее на ребро под заданным углом испытания на сдвиг α, фиксируют ее в этом положении, например, двумя деревянными уголками 2 и укладывают эталонную смесь 3 до уровня - края формы (фиг. 1), производят последовательно формование - уплотнение, например, на виброплощадке и тепловую обработку с получением образца в виде эталонной пирамиды 4 (фиг. 2). После этого формуют второй образец из исследуемого состава в виде второй пирамиды путем перевода формы 1 в исходное положение (фиг. 2), укладывают смесь из исследуемого состава 5 на наклонной поверхности - основании эталонной пирамиды 4. При этом площадь контакта должна быть задана 40-70% площади основания эталонной пирамиды с организацией технологического зазора h₁ от основания эталонной пирамиды 4 и получения заданного размера второй пирамиды путем установки вставки (ограничителя) 6. Затем производят уплотнение смеси 5 исследуемого состава, например, на виброплощадке, с последующим выполнением тепловой обработки и получением второго образца из исследуемого состава в виде второй исследуемой пирамиды 7. Далее выполняют распалубку - извлечение комбинированного бетонного образца, состоящего из двух образцов в виде пирамид: эталонной 4 и исследуемой 7.

После изготовления комбинированного образца в виде двух пирамид 4, 7 выполняют его испытание на сдвиг, для чего сборный образец устанавливают на опорную плиту 8 с возможностью восприятия вертикального усилия гранью исследуемой пирамиды 7 через штамп 9 (фиг. 3). В таком положении комбинированного пирамида на опорной плите 8 переносится на пресс и для снижения трения при испытании устанавливается на подвижную каретку, состоящую из валиков 10, заключенные в сепаратор 11 (фиг. 3).

При приложении к образцу из исследуемого состава в виде пирамиды 7 вертикальной сдвигающей нагрузки Р через штамп 8 происходит сдвиг по поверхности основания эталонной пирамиды 4, которая, при этом, перемещается в сторону на валиках 10.

Зная вертикальную сдвигающую нагрузку Р, размеры основания исследуемой пирамиды (площадь сдвига) 7, угол наклона плоскости сдвига α, производят расчет сопротивления сдвига τ по известной формуле: τ=Psinα/F, где α - угол наклона плоскости сдвига; F - площадь сдвига; Р - максимальная сдвигающая нагрузка (фиг. 4).

Для получения более надежных результатов производят формование исследуемой пирамиды 7 с организацией зазоров: t₁, h₁, h₃ между периметрами оснований двух пирамид (фиг. 2, фиг. 5). Порядок испытаний остается прежним.

Для повышения точности получаемых характеристик производят формование исследуемой пирамиды 7 с образования паза в виде «шейки» толщиной δ по периметру основания исследуемой пирамиды 7, для чего укладывают разрезной шаблон 12 толщиной δ с отверстием размером b₁×b₂ (фиг. 6, фиг. 7), сечение которого соответствует сечению сдвиговой части исследуемой пирамиды 7, на основание эталонной пирамиды 4, после чего производят формование исследуемой пирамиды 7, ее твердение и извлечение разрезного шаблона 12 (фиг. 7).

Способ определения сопротивления сдвигу бетонных образцов поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема формования эталонного образца (эталонной пирамиды); на фиг. 2 - схема формования исследуемого образца (исследуемой пирамиды); на фиг. 3 - схема испытаний на сдвиг; на фиг. 4 - расчетная схема; на фиг. 5 - вид сборного образца с уменьшенной площадью основания исследуемой пирамиды; на фиг. 6 - схема подготовки эталонного образца для образования паза в виде шейки с использованием разрезного шаблона; на фиг. 7 - вид сборного образца с пазом в виде шейкой.

На фиг. 1 - фиг. 7 обозначено: 1 - форма; 2 - уголки; 3 - эталонная смесь; 4 - эталонный образец (эталонная пирамида); 5 - смесь исследуемого состава; 6 - вставка; 7 - исследуемой образец (исследуемая пирамида); 8 - опорная плита; 9 - штамп; 10 - валики; 11 - сепаратор; 12 - разрезной шаблон.

Проверка способа была выполнена с применением стандартной формы куба 150×150×150 мм, потландцемента М500, кварцевого песка с модулем крупности М_к=2,0.

Для испытаний готовился комбинированный образец, состоящий из двух образцов в виде двух пирамид: эталонной и исследуемой.

Сначала изготавливалась эталонная пирамида. Для этого готовилась мелкозернистая бетонная смесь из кварцевого песка с модулем крупности М_к=2,0 и потландцемента при соотношении цемент : песок, как 1:3. Водоцементное отношение задавалось 0,6. Мелкозернистая бетонная смесь приготавливалась с использованием ручного миксера. Для формования исследуемой пирамиды использовался потландцемента М500, карьерный песок с модулем крупности М_к=1,5 при соотношении цемент : песок, как 1:4. Водоцементное отношение задавалось 0,6.

Сначала изготавливалась эталонная пирамида. Для этого станадартную форму устанавливали на ребро под углом α=45° - углом испытания на сдвиг и фиксировали ее в этом положении двумя деревянными уголками, после чего укладывали эталонную мелкозернистую смесь до уровня - края формы. После этого производили последовательно формование и уплотнение на виброплощадке с круговыми колебаниями и тепловую обработку с получением образца в виде эталонной пирамиды. После этого формовали вторую пирамиду из исследуемого состава путем перевода формы с готовой эталонной пирамидой в исходное положение. Укладывали исследуемую смесь на наклонной поверхности и основании эталонной пирамиды. При этом для организации технологического зазора в основания эталонной пирамиды и получения заданного размера второй исследуемой пирамиды устанавливали вставку (ограничитель) в основании эталонной пирамиды. Площадь основания исследуемой пирамиды и площадь сдвига задавалась: 150×60 мм. Затем производили уплотнение смеси исследуемого состава на виброплощадке с круговыми колебаниями, с последующим выполнением тепловой обработки и получением второго образца из исследуемого состава в виде второй исследуемой пирамиды. Далее выполняли распалубку и извлечение комбинированного бетонного образца, состоящего из двух образцов в виде пирамид: эталонной и исследуемой.

После изготовления комбинированного образца в виде двух пирамид производили его испытание на сдвиг, для чего комбинированный образец устанавливали на опорную плиту, а на исследуемую пирамиду штамп. В таком положении комбинированный образец на опорной плите переносился на пресс и устанавливался на подвижную каретку.

При приложении нагрузки через штамп к образцу из исследуемого состава в виде пирамиды происходил сдвиг исследуемой пирамиды по поверхности основания эталонной пирамиды, которая, при этом, перемещалась в сторону на подвижной каретке. Максимальная сдвигающая нагрузка составила Р=9100 кгс, по которой, используя расчетную формулу: τ=Psinα/F, было рассчитано предельное сопротивление сдвигу τ=71 кгс/см² (7,1 МПа).

Испытания показали, что на поверхности сдвига двух пирамид сколов не было, при этом не наблюдалось разрушения самой эталонной пирамиды, что доказывает возможность реализации заявленного способа определения сопротивления сдвигу бетонных образцов в лабораторных условиях с использованием стандартных форм кубов.

Эффективность реализации способа определения сопротивления сдвигу бетонных образцов во многом зависит от рационального выполнения основных операций по подготовке комбинированного образца и непосредственно испытаний, оптимального количества этих операций с учетом характера процесса сдвига.

Поэтому способ определения сопротивления сдвигу бетонных образцов на основе использования комбинированного образца, формуемого в стандартной форме куба, может быть использован более эффективно с экономической точки зрения, т.е. реализовываться более эффективно, чем в известных способах испытаний на сдвиг, так как вся новая операционная цепочка обеспечивает возможность более качественно и проще выполнять испытания.

Таким образом, разработан способ определения сопротивления сдвигу бетонных образцов, эффективность которого складывается из следующих факторов:

- упрощения способа подготовки и испытаний за счет отказа от выполнения операции по изготовлению форм - обойм с различными углами сдвига, соответственно, отказа и от дополнительного оборудования;

- возможность использования более простой технологии изготовления за счет возможности использования одной стандартной формы - куба;

- возможность достижения более высокой надежности получаемых показателей сопротивления сдвига за счет возможности испытания образцов различного сечения;

- возможность достижения более высокой точности определения показателя сопротивления сдвига за счет возможности испытания образцов с четко заданным сечением площадки сдвига при организации паза в виде шейки;

- снижения трудоемкости испытаний образцов за счет испытаний без заключения их в обоймы

- возможность применения данной методики при испытании мерзлых грунтов.

Способ подготовки и испытания бетонных образцов на сдвиг был опробован в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ, показал свою работоспособность, что говорит о возможности эффективной реализации заявленного технического решения в реальных условиях обычной лаборатории с получением надежных результатов. Наиболее эффективно предлагаемый способ может быть применен для испытания бетонных и ремонтных составов при выполнении работ, связанных с реконструкцией и ремонтом зданий и сооружений.

Изобретение может найти применение при испытании, в частности, ремонтных составов для оценки их сцепления с рабочей бетонной поверхностью. В способе определения сопротивления сдвигу бетонных образцов подвергают испытанию комбинированный бетонный образец, состоящий из двух частей бетонных образцов в виде двух пирамид: эталонной и исследуемого состава, соединенных основаниями пирамид. Вначале изготавливают эталонный образец в виде половины куба, разрезанного по наклонной плоскости через противоположные ребра, путем установки формы куба на ребро под углом испытания, загрузки эталонной смеси до уровня верха стенки формы, уплотнения и твердения, после чего формуют вторую пирамиду образец из исследуемого состава путем перевода формы в исходное положение, укладывают смесь из исследуемого состава на наклонной поверхности - основании эталонной пирамиды, с организацией технологического зазора в углу основания эталонной пирамиды. Затем производят уплотнение с последующим твердением и распалубкой, извлечением комбинированного бетонного образца, после чего выполняют испытание образца из исследуемого состава на сдвиг путем приложения к нему вертикальной сдвигающей нагрузки с замером максимального значения и расчетом сопротивления сдвига. При этом периметр опорной поверхности исследуемой пирамиды формуется с зазором относительно периметра основания эталонной пирамиды и образуют паз в виде шейки по периметру в основании пирамиды из исследуемого состава. Для образования паза в виде шейки по периметру в основании пирамиды из исследуемого состава укладывают разрезной шаблон с отверстием, сечение которого соответствует сечению сдвиговой части исследуемой пирамиды, на основание эталонной пирамиды, после чего производят формование пирамиды из исследуемого состава, ее твердение и извлечение разрезного шаблона. Технический результат заключается в упрощении способа определения сопротивления сдвигу бетонных образцов, повышении надежности и точности результатов испытаний по определению сдвиговых характеристик бетона, снижении материалоемкости и трудоемкости испытаний. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ определения сопротивления сдвигу бетонного образца путем изготовления бетонных образцов с последующим их испытанием сдвига одной части образца по другой при приложении вертикальной сдвигающей нагрузки с замером максимального значения и последующим расчетом сопротивления сдвига по формуле τ=Psinα/F, где α - угол наклона плоскости сдвига; F - площадь сдвига; Р - максимальная сдвигающая нагрузка, отличающийся тем, что испытанию подвергают комбинированный бетонный образец, состоящий из двух частей бетонных образцов в виде двух пирамид: эталонной и исследуемого состава, соединенных основаниями пирамид, для чего сначала изготавливают эталонный образец в виде половины куба, разрезанного по наклонной плоскости через противоположные ребра, путем установки формы куба на ребро под углом испытания α, загрузки эталонной смеси до уровня верха стенки формы, уплотнения и твердения, после чего формуют вторую пирамиду образец из исследуемого состава путем перевода формы в исходное положение, укладывают смесь из исследуемого состава на наклонной поверхности - основании эталонной пирамиды, площадью контакта 40-70% с организацией технологического зазора в углу основания эталонной пирамиды, производят уплотнение с последующим твердением и распалубкой, извлечением комбинированного бетонного образца, после чего выполняют испытание образца из исследуемого состава на сдвиг путем приложения к нему вертикальной сдвигающей нагрузки с замером максимального значения и расчетом сопротивления сдвига.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периметр опорной поверхности исследуемой пирамиды формуется с зазором относительно периметра основания эталонной пирамиды.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образуют паз в виде шейки по периметру в основании пирамиды из исследуемого состава.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что для образования паза в виде шейки по периметру в основании пирамиды из исследуемого состава укладывают разрезной шаблон с отверстием, сечение которого соответствует сечению сдвиговой части исследуемой пирамиды, на основание эталонной пирамиды, после чего производят формование пирамиды из исследуемого состава, ее твердение и извлечение разрезного шаблона.