Метрология стандартизация и сертификация в строительном материалове

где ni – значение максимальной разности деформаций бетонного и стандартного образцов при замерзании воды в бетоне, см; c – постоянная дилатометра, см3/см (принимают по паспорту на прибор); V0 – начальный объем бетонного образца, см3.

Максимальную относительную разность объемных деформаций Θ бетонных и стандартного образцов при замораживании определяют как среднеарифметическое значение серии из трех бетонных образцов.

Марку бетона по морозостойкости F определяют по максимальной относительной разности объемной деформации бетонных и стандартных образцов (табл. 4.1) с учетом вида бетона, формы и размера образцов. Марку бетона по морозостойкости F, выраженную в циклах переменного замораживания и оттаивания в воде, определяют по графику на рис. 4.7 или по табл. 4.1.

Рис. 4.7. График зависимости морозостойкости бетона от максимального относительного увеличения разности объемных

деформаций Θ бетонного и стандартного образцов при замораживании: 1 – для тяжелого бетона,

2 – для легкого бетона

211

Марку бетона по морозостойкости F принимают как соответствующую требуемой, если среднеарифметическое значение Θср серии бетонных образцов меньше максимального относительного увеличения разности объемной деформации Θ бетонных и стандартного образцов, указанного в табл. 4.1. При совпадении среднеарифметического значения Θ серии бетонных образцов с граничными значениями диапазона назначают меньшую по значению марку бетона по морозостойкости.

4.6.НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

ИПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

При определении механических свойств строительных материалов используют законы сопротивления материалов – науки о прочности и деформативности материалов и конструкций.

Напряжение. Внешние силы, действующие на материальное тело, стремятся деформировать его. В ответ на их действие в материале возникают внутренние силы, препятствующие деформации материала, в результате чего вся система остается в равновесии. Мерой этих внутренних сил служит напряжение – сила, приходящаяся на единицу поверхности сечения материала (Н/м2).

Обычно напряжение р в точке М (рис. 4.8) представляют в виде двух составляющих: нормального σ (перпендикулярного плоскости сечения) и касательного τ напряжений, являющихся основными характеристиками напряженного состояния тела. В зависимости от соотношения и направления этих напряжений различают несколько ви-

213

дов напряженного состояния: сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и кручение.

Рис. 4.8. Определение нормальных σ и касательных τ напряжений в точке М

Деформация. Деформация – изменение относительного расположения частиц тела, вызванное их перемещениями под действием внешних сил. Деформация является результатом изменения межатомных расстояний (упругие деформации) и перегруппировки блоков атомов и молекул (пластические деформации). Упругие деформации после снятия нагрузки исчезают, т.е. тело принимает свои исходные размеры и форму. Пластические деформации сохраняются после снятия нагрузки– это необратимые деформации. Реальные тела в той или иной степени проявляют и упругие, и пластические деформации.

Основные виды деформаций тела в целом: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, кручение и другие. Все многообразие деформаций представляет собой сочетание простейших деформаций: растяжения (или сжатия) и сдвига.

За характеристику деформации принимают относительное удлинение (или укорочение) некоторого элемента тела:

214

ε = (l1 – l)/l,

где l – первоначальная длина элемента, мм; l1 – длина элемента после деформации, мм.

Модуль упругости. Между напряжением и деформацией упругих материалов существует прямая пропорциональная зависимость σ = Еε, известная под названием закона Гука. Коэффициент пропорциональности Е, характеризующий способность материала сопротивляться деформациям, называют модулем упругости (или модулем Юнга). Для различных материалов модуль упругости различен. Чем ниже модуль упругости, тем легче деформируется материал (например, модуль упругости стали 2·105, бетона 3·104, а резины около 10 МПа).

Основной конструктивный элемент, рассматриваемый в сопротивлении материалов, – брус – тело, длина которого значительно больше, чем высота и ширина. В зависимости от направления сил, действующих на брус, его называют стержнем или балкой.

Сжатие и растяжение. Если действующие силы направлены вдоль оси стержня (осевое сжатие или растяжение), то в нем возникают нормальные напряжения, одинаковые по всему поперечному сечению стержня. Значение напряжений σ (МПа) в этом случае рассчитывают по формуле

где Р – сила, приложенная к стержню, Н; F – площадь поперечного сечения стержня, см2.

Относительная деформация ε стержня при данном значении напряжения определяется как

215

где Е – модуль упругости материала стержня, МПа.

При испытаниях строительных материалов на сжатие вместо стержня обычно применяют образцы-кубы и реже цилиндры. Расчетные формулы для куба такие же, как и для стержня.

Изгиб. При изгибе ось балки (рис. 4.9, a), которая была до воздействия нагрузки прямолинейной, под действием этой нагрузки искривляется. Причина искривления балки – изгибающий момент, действующий на нее. Чтобы определить момент, действующий на балку в любой ее точке, нужно мысленно рассечь балку в этой точке, отбросить одну ее половину и сосчитать сумму моментов всех внешних сил относительно этой точки (включая и реакцию опор). Сумма моментов даст значение момента внутренних сил в балке в рассматриваемой точке.

На рис. 4.9, б показана эпюра (график изменения) изгибающего момента по длине балки для случая с одной сосредоточенной силой в центре. Максимальный изгибающий момент МИ (Н·м) в центре балки определяется как

где Р – сила, приложенная к балке, Н; l – расстояние между опорами, м.

Для других случаев нагружения и опирания балки изгибающий момент рассчитывают по другим формулам.

Изгибающий момент вызывает прогиб балки, причем при рассматриваемой схеме нагружения балка со стороны нагрузки будет вогнутой, а с противоположной стороны – выпуклой (рис. 4.9, в). В этом случае напряжения, связанные с деформациями законом Гука (4.12), неодинаковы по

216

Максимальные напряжения, возникающие в крайних (верхнем и нижнем) волокнах для рассматриваемого случая нагружения балки прямоугольного сечения, определяется как

σ = Mизг / W = 3PL / (2bh2 ) .

Наиболее выгодными при изгибе оказываются балки с поперечным сечением, при котором основная масса материала расположена по краям элемента (например, двутаврового сечения).

Сдвиг. Сдвиг (срез) можно наблюдать, когда, например, материал режут ножницами. В этом случае к двум смежным сечениям приложены противоположные по направлению силы. В области действия этих сил возникает напряженное состояние сдвига, характеризуемое касательными напряжениями τ, которые вычисляют по формуле

где F – сечение бруса вдоль линии действия силы, м2.

Предел прочности материала. При определении прочности строительных материалов образец материала доводят до разрушения. На рис. 4.10, а, б представлены диаграммы испытания на растяжение хрупкого и пластичного материалов до стадии их разрушения. Задача таких испытаний – определение напряжения, ниже которого материал существует неограниченно долго, а выше которого – разрушается мгновенно. Это предельное напряжение называется пределом прочности материала и обозначается R. Предел прочности рассчитывают по тем же формулам, что и напряжения, но вместо действующей силы берут силу разрушающую Pp.

218

Устройство прессов. Станина 7 прессов (рис. 4.11)

вместе с траверсой 3 и двумя стойками 2 служит основанием для всего механизма и опорой для неподвижной плиты 4. Нагружающий механизм, который создает требуемое усилие, состоит из электродвигателя 9, преобразующего устройства (масляного насоса 8 у гидравлического пресса или редуктора 11, с фрикционной муфтой у винтового пресса) и опорных плит 4 и 5.

Рис. 4.11. Схемы прессов: а – гидравлического, б–с винтовым приводом; 1 – станина, 2 – стойка, 3 – траверса, 4, 5 – плиты, 6 – поршень, 7 – силоизмерительное устройство, 8 – насос, 9 – электродвигатель, 10 – винт, 11 – редуктор, 12 – червячная передача

В прессах с гидравлическим приводом (см. рис. 4.11, а)

для передачи усилия на подвижную опорную плиту 5 используется рабочая жидкость, обычно минеральное масло. Масло из бака насосом 8 высокого давления подается

вгидроцилиндр, вмонтированный в станину пресса. Масло

вгидроцилиндре передает давление на поршень 6, на котором помещается нижняя подвижная плита 5 пресса.

220