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

        ГОСТ 29167-91

Группа Ж19

 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

 Бетоны

 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ (ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ) ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

 Concretes. Methods for determination of fracture toughness characteristics

МКС 91.100.30

ОКСТУ 5870

Дата введения 1992-07-01

 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 N 13

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ. Декабрь 2003 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

; при неравновесных испытаниях фиксируют значение  

.

Допускается проведение равновесных испытаний с фиксацией текущих размеров развивающейся магистральной трещины (

) и соответствующих значений прилагаемой нагрузки (

) согласно приложению 3.

1.3. По результатам испытаний определяют следующие основные силовые - в терминах коэффициентов интенсивности напряжений (

), энергетические - в терминах удельных энергозатрат (

) и джей-интеграла (

) характеристики трещиностойкости:

,

,

,

,

,

,

,

.

Значения

,

,

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

.     

Тип 1

Образец - призма квадратного поперечного сечения для испытания на изгиб силой

в середине пролета.     

Черт.1

Тип 2

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

.

Черт.2

Тип 3

Образец - куб для испытаний на внецентренное сжатие силой

.

Черт.3

Тип 4

Образец - цилиндр для испытаний на растяжение при раскалывании.     

Черт.4

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

В миллиметрах

Максимальный размер зерна заполнителя	Размеры образцов
	Тип 1		Тип 2		Тип 3		Тип 4
Менее 1,25	40	10/5	40	15	40	10	100	30
1,25-5,0	70	25/5	70	25	70	15
5,0-10,0	100	35/5	100	45	100	25
10,0-20,0	150	50/10	150	60	150	35	200	60
20,0-40,0	200	70/10	200	80	200	50
40,0-60,0	300	100/15	300	120	300	75	400	120
60,0-80,0	400	140/20	400	160	-	-

Примечание. При неравновесных испытаниях образца типа 1 допускается не образовывать верхний надрез (

).     

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

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

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

(черт.5, кривая

).

Для определения значений

,

на стадии локального деформирования производят пять-семь кратковременных разгружений образцов для определения направлений линий разгрузок (например, линия

на черт.6) с фиксацией полной диаграммы состояния материала

(черт.6, кривая

).

При равновесных испытаниях образцов типа 1 с

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

, где выполняется условие

, проводят отрезок

, перпендикулярный оси

;

б) фиксируют расчетную диаграмму

;

в) из точки

опускают перпендикуляр

к оси

и линию

, параллельную упругой линии

;

г) определяют величину отрезка

из выражения (1):

;       (1)

д) из точки

восстанавливают перпендикуляр

к оси

до пересечения с линией

, параллельной оси

. Точку

соединяют с точкой

отрезком

;

е) для определения величин

,

из расчетной полной диаграммы построением выделяют полную упругую диаграмму

(черт.6), для чего используют направления линий разгрузок, например точку разгрузки

переносят по линии, параллельной оси

, в положение

на величину, равную

.

5.1.2. Расчетным путем или планиметрированием определяют энергозатраты на отдельные этапы деформирования и разрушения образца, а именно:

,

,

,

,

соответственно, численно равные площадям фигур

,

,

,

на черт.5 и

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)

Черт.5

Черт.6

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Обязательное

 ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН

- коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м

.

- критический коэффициент интенсивности напряжений при максимальному* нагрузке, МПа·м

.

- статический критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м

.

- условный критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м

.

- текущие значения коэффициентов интенсивности напряжений при поэтапном равновесном нагружении образцов, МПа·м

.

- удельные энергозатраты, МДж/м

.

- удельные энергозатраты на статическое разрушение до момента начала движения магистральной трещины, МДж/м

.

- удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение, МДж/м

.

- полные удельные упругие энергозатраты на статическое деформирование образцов до деления на части, МДж/м

.

- джей-интеграл, МДж/м

.

- статический джей-интеграл, МДж/м

.

- критерий хрупкости, м.

- энергозатраты, МДж.

- энергозатраты на процессы развития и слияния микротрещин до формирования магистральной трещины статического разрушения, МДж.

- энергозатраты на упругое деформирование до начала движения магистральной трещины статического разрушения, МДж.

- энергозатраты на локальное статическое деформирование в зоне магистральной трещины, МДж.

- расчетные энергозатраты на упругое деформирование сплошного образца, МДж.

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

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

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

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

- нагрузка, соответствующая массе образца и дополнительного оборудования, МН.

- текущие значения действующей на образец нагрузки при его поэтапном равновесном нагружении, МН.

- перемещения образца, м.

- перемещения, соответствующие упругим деформациям образца, м.

- перемещения, соответствующие необратимым деформациям образца, м.

- 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.

,

- длина начального надреза, м.

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

- начальный эксцентриситет приложения нагрузки, м.

- размеры образца, м.

- относительная высота образца.

- относительная длина начального надреза.

- максимальный размер заполнителя, м.

- масса образца и дополнительного оборудования, кг.

- ускорение свободного падения, м/с

.

- тангенс угла наклона восходящего упругого участка диаграммы.

- единичный модуль упругости, МПа.

- модуль упругости, МПа.

- прочность на осевое растяжение, МПа.

- прочность на растяжение при изгибе, МПа.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Справочное

 ТЕРМИНЫ И ПОЯСНЕНИЯ

Термин	Пояснение
1. Трещиностойкость (вязкость разрушения) бетона	Способность бетона сопротивляться началу движения и 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 на 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 интенсивности напряжений	Величина, определяющая напряженно-деформированное состояние и смещения вблизи вершины трещины, независимо от схемы нагружения, формы и размеров тела и трещины
5. Условный коэффициент интенсивности напряжений	Значение , вычисленное через действующую на образец нагрузку и исходную длину трещины по формулам для упругого тела
6. Удельные энергозатраты	Величина, характеризующая удельные (относительно эффективной рабочей площади поперечного сечения образца) энергозатраты на различные этапы деформирования и разрушения
7. -интеграл	Величина, характеризующая работу пластической деформации и разрушения, а также поле напряжений и деформаций при упругопластическом деформировании вблизи вершины трещины (аналогично коэффициенту интенсивности напряжений )
8. Условный критический коэффициент интенсивности напряжений	Значение , определяемое при неравновесных испытаниях образцов типов 1-4 по нагрузке, равной , и начального надреза образца , условно характеризующее критическое состояние материала при динамическом начале движения магистральной трещины
9. Статический критический коэффициент интенсивности напряжений	Значение , определяемое при равновесных испытаниях образцов типов 1, 5, 6 по и , характеризующее критическое состояние материала при статическом начале движения магистральной трещины
10. Критический коэффициент интенсивности напряжений	Значение , определяемое при равновесных испытаниях образцов типа 1 по и , инвариантно характеризующее состояние материала при динамическом начале движения магистральной трещины
11. Удельные энергозатраты на начало статического разрушения	Значение , определяемое при равновесных испытаниях образцов типа 1 по диаграмме , характеризующее удельные энергозатраты на начало статического разрушения
12. Удельные эффективные энергозатраты на статическое разрушение	Значение , определяемое при равновесных испытаниях образцов типа 1 по диаграмме , характеризующее удельные энергозатраты на статическое разрушение
13. Полные удельные упругие энергозатраты на статическое деформирование до деления на части	Значение , определяемое при равновесных испытаниях образцов типа 1 по диаграмме , характеризующее удельные энергозатраты на разрушение
14. Статический джей-интеграл	Значение , определяемое при равновесных испытаниях образцов типа 1 по диаграмме , характеризующее поле напряжений и деформаций вблизи вершины магистральной трещины при начале ее движения
15. Критерий хрупкости	Характеристика хрупкости материала

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

и

) 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.

Минимальные размеры образцов: типа 5. . .

12

;      типа 6. . .

15

.

3. Для определения значений величин

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.

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.

4. Определение характеристик трещиностойкости

4.1. Для каждого этапа нагружения определяют значение

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

; за величину

принимают среднее значение

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

определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 и типов 5, 6 (согласно приложению 3) по зависимости

.                                                 (18)

2. Значение

определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 по зависимости

.         (19)

3. Значение

определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 с

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

мм перед определением характеристик трещиностойкости производят поправку на массу образца и распределительную балку.

Для этого полную диаграмму состояния материала (кривая

на черт.11) трансформируют в расчетную (кривая

) следующим образом:

- точку

по упругой линии

переносят в положение точки

на величину

, откладываемую на оси

, равную

,                                              (21)

- проводят оси

и

, параллельные соответственно

и

;

- с начала прямолинейного нисходящего участка диаграммы, т.е. из точки

, где выполняется условие

, проводят отрезок

, перпендикулярный оси

;

- фиксируют расчетную диаграмму

.     

Черт.11