Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и состояние современных исследований 9
1.1. Влияние макроструктуры на механические характеристики бетона 9
1.2. Параметры взаимодействия «алмазный диск - каменный материал»..22
1.3. Энергетические законы разрушения твёрдых тел 35
1.4. Обзор патентов и технических решений по определению прочности материалов методом локального разрушения 41
1.5. Выводы по главе 49
1.6. Задачи диссертационной работы 51
ГЛАВА 2. Моделирование локального разрушения бетона 54
2.1. Модель взаимодействия режущего диска с бетоном 54
2.2. Вероятностная модель структуры бетона 58
2.3. Энергетическая модель бетона 72
2.4. Выводы по главе 81
ГЛАВА 3. Методика проведения испытаний 83
3.1. Описание образцов и инструментов, используемых в работе 85
3.2. Методика испытания лабораторных образцов 90
3.2.1. Испытания пилением 90
3.2.2. Испытание образцов на прочность 95
3.2.3. Определение деформационных характеристик бетона 95
3.2.4. Определение характеристик трещиностойкости бетона 96
3.3. Методика проведения испытаний на натурных конструкциях 98
ГЛАВА 4. Результаты испытаний и анализ исследований 101
4.1. Результаты испытания лабораторных образцов 101
4.2. Анализ результатов пиления бетона 106
4.2.1. Оценка погрешностей определения удельной энергии разрушения
4.2.2. Анализ структурной неоднородности бетона 107
4.2.3. Связь параметров вариационных рядов единичных пилений со структурою бетона 115
4.3. Анализ взаимосвязи результатов пилений с механическими характеристиками бетона 121
4.3.1. Оценка множественной корреляции методом канонического анализа 122
4.3.2. Регрессионная обработка результатов экспериментов 133
4.3.3. Анализ результатов статистической обработки 137
4.4. Оценка точности результатов предлагаемого метода 140
4.5. Выводы по главе 143
ГЛАВА 5. Практическое использование 144
5.1. Описание объектов исследования 144
5.2. Результаты натурных испытаний 145
5.3. Рекомендации (методика) по проведению испытаний бетона в конструкциях методом локального разрушения 148
5.4. Предложения по внедрению 152
5.5. Выводы по главе 154
Основные результаты и выводы по работе 154
Литература 156
- Влияние макроструктуры на механические характеристики бетона
- Модель взаимодействия режущего диска с бетоном
- Описание образцов и инструментов, используемых в работе
- Связь параметров вариационных рядов единичных пилений со структурою бетона
Введение к работе
Вопросы контроля прочности бетона, равно как и общей теории сопротивления бетона, на протяжении долгого времени остаются в стадии разработки. Многие десятки существующих способов контроля механических характеристик и гипотез прочности только подтверждают это положение.
Существующие на сегодняшний день способы определения прочности строительных каменных материалов, в частности бетона, позволяют производить контроль как по отобранным образцам, так и непосредственно в строительных конструкциях. Соответственно способы контроля прочности делятся на разрушающие и неразрушающие. Наиболее точный результат достигается при испытании на сжатие стандартных бетонных кубов и призм на гидравлических прессах. Однако, разрушающий метод испытания бетона конструкций, находящихся в эксплуатации, представляет собой очень трудоёмкую операцию. Кроме того, образцы в виде кубов можно взять только из массивных бетонных и железобетонных конструкций. Поэтому, в настоящее время, при обследовании зданий и сооружений для определения прочностных свойств бетона строительных конструкций широко используют неразрушающие методы, основанные на зависимости прочности от различных косвенных характеристик.
Наиболее надёжными из применяемых неразрушающих методов определения прочности бетона являются метод местного разрушения путём скалывания выступающего ребра испытываемого элемента и определение прочности бетона на растяжение испытанием на отрыв.
Однако, при проведении натурных обследований с применением неразрушаю щего контроля, задача определения прочности бетона существенно усложняется из-за отсутствия точных градуировочных зависимостей «косвенный параметр - прочность». Несмотря на простоту применения неразрушающего контроля точность измерений остаётся низкой, так как в большинстве случаев исследуется только поверхностный слой, не учитывается анизотропия и макро-
структура бетона, которые оказывают значительное влияние на его прочность [27].
С другой стороны и определение прочности бетона по отобранным образцам обладает рядом недостатков:
при отборе образцов в результате механического воздействия режущего инструмента происходит изменение физико-механических свойств бетона [17];
по результатам испытаний ограниченного количества образцов судят о прочности всей конструкции (известно, что при испытании образцов, изъятых из разных частей одной контролируемой конструкции различие в прочности может достигать 2^-2,5 раз);
3) сложность применения для густоармированных конструкций.
Выход из этого положения даёт комплексный метод определения механических характеристик бетона [76]. Однако использование двух градуировоч-ных зависимостей, улучшая точность получаемых результатов, приводит к значительному (как минимум двукратному) увеличению затрат. Более экономичны способы, основанные на измерении комплекса параметров в одном методе (например, диаметр и глубина отпечатка), но они не нашли широкого применения вследствие малой изученности.
В последнее время задача усложняется и тем, что простое определение прочностных характеристик бетона перестало удовлетворять разработчиков конструкций и для расчёта необходимо закладывать полную диаграмму поведения бетона под нагрузкой.
Наряду со стандартными методами как в России так и за рубежом разработаны и нашли применение методы, предусматривающие местное разрушение бетона алмазным инструментом и определение прочности по косвенным характеристикам, таким как: глубина погружения алмазного сверла, величина усилия на алмазный инструмент, число оборотов алмазного диска, и т.п. (об этом подробнее описано в разделе 1.4).
При определении механических характеристик на основе местного (локального) разрушения исключаются выпиливание из конструкций и изготовление большого числа бетонных образцов. Методы позволяют оценивать качество строительных материалов любой прочности не только в наружных слоях, но и на глубине от поверхности.
Основываясь на современных исследованиях и указанных выше недостатках других методов, целесообразно определять прочностные характеристики бетона методом локального разрушения алмазным инструментом. В данном случае последний характеризуется как эталон прочности.
В известных технических решениях удельная энергия процесса разрушения, как косвенная характеристика прочности бетона нигде не учитывается. Однако именно эта величина наиболее тесно связана с реальной энергией разрушения бетона в конструкциях, его прочностью и макроструктурой. Анализ результатов исследования различных составов бетона механическим разрушением алмазным инструментом и получение зависимостей механических и мак-роструктурных характеристик от удельных энергетических затрат при механическом разрушении (резании) является научной новизной данной диссертационной работы.
Энергоёмкость процесса разрушения каменных материалов хорошо изучена в горном деле. Но все экспериментальные исследования направлены на оценку разрушаемое пород с целью выбора оптимальных режимных параметров, механизмов и разрушающих инструментов для минимизации затрат и эффективной производительности.
Процессы резания и сверления бетона изучаются уже несколько десятилетий, выпущены целые серии оборудования и автоматизированные комплексы, однако связь прочностных характеристик с энергетическими затратами на разрушение остаётся неизученной, т.к. основное направление исследований ориентировано на обеспечение производства строительных и ремонтных работ.
Поэтому исследование эффективного способа оценки механических характеристик бетона на основе энергетических показателей разрушения с ис-
пользованием математического анализа экспериментальных данных является актуальной задачей.
Целью работы является разработка способа определения прочностных и макроструктурных характеристик бетона в эксплуатируемых железобетонных конструкциях на основе локального механического разрушения.
Объект исследования: бетон эксплуатируемых бетонных и железобетонных конструкций.
Предмет исследований: энергоёмкость разрушения локальных объёмов бетона и её связь с основными механическими характеристиками и макроструктурой бетона в конструкциях.
Научную новизну работы составляют:
экспериментальные зависимости механических характеристик бетона от удельной энергии, затрачиваемой на его разрушение;
энергетическая модель локального разрушения бетона строительных конструкций;
способ определения механических характеристик бетона в эксплуатируемых строительных конструкциях на основе метода локального разрушения алмазным инструментом.
Практическое значение и реализация результатов работы:
разработан новый способ определения комплекса механических и структурных характеристик бетона в существующих железобетонных конструкциях;
предлагаемая методика оценки механических и структурных характеристик бетона была применена при обследовании объектов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Магнитогорский калибровочный завод», ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод», ОАО «Комбинат магнезит» г. Сатка;
разработанная методика передана для внедрения в НПП «Карат», г. Челябинск.
На защиту выносятся:
способ оценки механических и макроструктуриых характеристик бетона;
энергетическая модель пиления бетона;
результаты экспериментальных исследований энергоёмкости разрушения разных составов бетона при различных режимах резания;
результаты статистического анализа взаимосвязи энергоёмкости разрушения локальных объёмов бетона с его основными механическими характеристиками и макроструктурой.
методика определения механических и структурных характеристик бетона в существующих железобетонных конструкциях;
сопоставление результатов натурных исследований железобетонных конструкций стандартным и предлагаемым способами.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на:
- 2-ой Международной научно-технической конференции «Архитектура и
строительство», Томск, 2002.
- 60-ой, 61-ой и 62-ой научно-технической конференции МТТУ-ММК по ито-
гам научно-исследовательских работ за 2001 - 2003 гг., Магнитогорск: МГТУ, 2003.
- Международной научно-технической конференции «Итоги строительной
науки», Владимир, 2003.
- Региональной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы
развития железнодорожного транспорта», Екатеринбург, 2003. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ в научных журналах, сборниках статей и материалах конференций.
Влияние макроструктуры на механические характеристики бетона
Качество бетона и его работа в конструкциях и сооружениях определяется его свойствами, важнейшим из которых является прочность,-так как с ней очень тесно взаимосвязаны остальные механические характеристики.
Под прочностными свойствами бетона принято принимать нормативные и расчётные характеристики бетона при сжатии и растяжении. Производственный опыт и результаты многолетних исследований свидетельствуют о том, что технические свойства бетона зависят более чем от 50 факторов [24], большинство которых влияет на его прочность при сжатии. Прочность бетона является интегральной характеристикой, которая зависит от свойств компонентов бетона, его состава, условий приготовления, твердения, эксплуатации и испытания, В свою очередь, с прочностью бетона связан и ряд других его свойств. Создать математическую модель прочности с учётом всех факторов из-за сложности проблемы невозможно. Более целесообразен сложившийся в практике исследований путь объединения всех факторов в отдельные группы, характеризующиеся общими признаками. Такими группами факторов для бетонов могут быть: 1. Структурные факторы - количественное соотношение основных компонентов, их взаимное расположение в пространстве, комплекс их физико-механических свойств, характер связей между ними (прочность сцепления) и объёмное содержание компонентов. 2. Технологические факторы, включающие в себя условия приготовления бетонной смеси, степень уплотнения бетона, условия и продолжительность твердения, а также характер предварительной обработки исходных материалов. 3. Напряжённо-деформированное состояние, определяемое характером действия внешних сил. 4. Режим нагружения. 5. Форма и размеры образцов для контроля прочности. 6. Условия эксплуатации. Влияние этих групп на прочность материалов можно изучать независимо. Прочностные и деформационные характеристики бетона в зависимости от его структуры устанавливаются по образцам экспериментальным путём [16]. Бетон представляет собой искусственный конгломерат, в котором отдельные зёрна заполнителя скреплены в монолит цементным камнем. К структурным элементам бетона относятся поры, образующиеся за счёт излишка воды за-творения (при приготовлении бетонной смеси) и пузырьков воздуха, не удалённых во время уплотнения смеси. В данной работе исследуется мелкозернистый и тяжёлый бетоны, для которых характерна плотная макроструктура. Такая структура может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зёрна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня; и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зёрна находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твёрдого материала (цементного камня), в которую вкраплены зёрна другого твёрдого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Большое влияние на свойства бетона оказывает размер зёрен, пор и других структурных элементов. И.А.Рыбьев и А.В.Нехорошев разработали классификацию по степени сложности структуры [73]. Они предлагают использовать 5 масштабных уровней: - субмикрокристаллический (атомно-молекулярный), характеризуемый химическими превращениями; - микроскопический, отражающий состояние надмолекулярных, коллоидных частиц и микропор; - мезоскопический, на котором описывается часть вяжущего конгламерата, где содержатся наполнитель и мезопоры; - макроскопический, на котором проявляются особенности размещения мелкого заполнителя, например песка, и макропор в вяжущей части конгломерата; и - мегаскопический, отражающий распределение крупного заполнителя, например, щебня, и мегапор. Этим уровням соответствует пять классов комплексов методов научных познаний, не зависящих друг от друга. Возможно использовать более простое деление на уровни [8]: рассматривать макроструктуру (мезоскопический и мегаскопический уровень) и микроструктуру (микроскопический и мезоскопический уровни). В качестве структурных элементов в макроструктуре различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Наиболее часто для анализа и расчётов тяжёлого бетона условно принимают макроструктуру, состоящую из двух элементов: крупного заполнителя и раствора, в котором объединяют цементный камень и песок.
Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Сам по себе цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зёрен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобулами, состоящей из различных новообразований, а также включает поры, неплотности и дефекты структуры. Поры цементного камня имеют случайную форму и часто близки по форме к дефектам в виде остроконечных отверстий, приводящим к сильной концентрации напряжений. Известно, что на контуре этих пор ещё до приложения нагрузки могут возникать начальные трещины [49],
Вблизи зёрен заполнителя в результате влияния его поверхностных сил и ряда других причин микроструктура цементного камня может несколько изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому часто рассматривают особо микроструктуру и свойства контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, выделяя её в виде отдельного структурного элемента.
Контактная зона между заполнителем и цементным камнем для обычных тяжёлых бетонов имеет толщину 20..,40 мкм. В этом малом объёме наблюдается изменение свойств цементного камня, а в ряде случаев и заполнителя [8]. На рис 1.1. приведены данные опытов, показывающие изменение свойств материала в контактной зоне при двух различных заполнителях, отличающихся своей микроструктурой. Ю.В. Зайцев выделяет основной начальный дефект структуры бетона на уровне макроструктуры - трещины в контактном слое, имеющие седиментационное происхождение или возникающее в процессе усадки [49].
Модель взаимодействия режущего диска с бетоном
Для теоретического обоснования пропорциональной зависимости между Wp и Рк бетона (формула 2.4) использовались результаты анализа исследований резания крепких горных пород единичными алмазами [1]. Из анализа следует, что при наличии в массиве слабых участков, разрушение вблизи них происходит с выламыванием, скалыванием сравнительно больших кусочков материала, т.к. это энергетически выгодно.
Очевидно, что при внедрении режущих алмазов в зёрна мелкого заполнителя, вначале происходит стабильное разрушение, а затем неразрешенная часть теряет связь с массивом бетона из-за динамического воздействия режущего инструмента. Эта часть зерна заполнителя раскапывается на сравнительно большие кусочки, частично переизмельчаясь при выносе из забоя. Подобный процесс оказывает значительное влияние на энергоёмкость разрушения, уменьшая её величину, в том случае, если диаметр зерна заполнителя превышает ширину диска не более чем в 1,5+2,0 раза. После этой границы зёрна заполнителя практически целиком разрушаются на одинаковые частички (в пределах ширины распила). Эти выводы были сделаны на основе экспериментальных данных, которые приведены в разделе 4.2.2.
В бетоноведении, на основании многолетних исследований, за условную границу между размером зёрен мелкого и крупного заполнителя в бетоне принята величина 5,0 мм. При подборе зернового состава песка остаток на сите с отверстиями в 5,0 мм, согласно [32, 33, 68], не должно превышать 5 %, причём оптимальное содержание фракции 2,5+5,0 мм не превышает 20 %. Учитывая выполненный в разделе 4,2.2 анализ экспериментальных результатов, можно сделать вывод, что использование алмазного диска шириной 2,0+3,0 мм обеспечивает различное разрушение матрицы и крупного заполнителя. Соответственно удельная энергия разрушения мелкозернистого бетона всегда будет ниже, чем тяжёлого (при равной кубиковой прочности). Последний в свою очередь правомерно представить как двухкомпонентный материал.
Таким образом, взаимодействие алмазного диска с бетоном (рис. 2.1) отличается от взаимодействия с каменным материалом. Неоднородность каменного материала принимается не существенной, в то время как неоднородность бетона характеризуется значительным различием механических характеристик матрицы и заполнителя. Пиление бетона можно представить как разрушение материала заполнителя в нормальном режиме и разрушение матрицы в режиме, зависимом от контактной прочности заполнителя и его объёмной концентрации. Такое взаимодействие основано на том, что основная часть разрушающего усилия воспринимается заполнителем [17].
Сформированная при твердении бетона зона слабой сопротивляемости резанию способствует отделению крупной фракции стружки как материала заполнителя так и цементного камня. Трещина отрыва в последнем преимущественно проходит от поры к поре, отделяя песчинки мелкого заполнителя.
Прочная контактная зона наоборот препятствует отламыванию крупных частиц и приближает величину удельной энергии к близкой для материала за 58 полнителя, который является наиболее прочной составляющей в структуре тяжёлого бетона. Цементный камень с порами разрушается примерно с одинаковой энергией на разных участках бетона, так как поры различной величины относительно равномерно распределены по всему объёму.
Матрица близ контактной зоны делится на большие кусочки при любом положении режущих алмазов в распиливаемой щели, а заполнитель только на участке выхода алмазов из забоя, либо когда грань зерна крупного заполнителя параллельна режущей дуге диска в нижней части забоя.
Исходя из вышеизложенного, с увеличением объёмной концентрации заполнителя удельная энергия разрушения бетона увеличивается, так как заполнитель всегда более прочен и энергоёмок. По результатам экспериментов прирост энергии разрушения пропорционален приросту прочности бетона в целом. Обе эти величины (Wp и RK) тесно зависят от прочности и характеристик структурных составляющих бетона. Согласно результатам микроскопического анализа стружки (таблица 4.1 и 4.2) и закону диспергирования хрупких тел (1.16) решающее влияние на W оказывает количество и размер крупных частиц в стружке. Следовательно, удельная поверхность продуктов разрушения также характеризует величину энергии, идущей на разрушение бетона.
При пилении бетона образуется порошок, размеры частиц которого в основном зависят от условий взаимодействия алмазного режущего инструмента с бетоном. Микроскопический анализ порошка (см. главу 4.1) показал, что средний размер частичек стружки составляет 0,01 мм и более. Далее будем считать, что все частицы одинакового размера и принимают форму правильной фигуры - шар или куб. Следовательно, бетон можно представить в виде массива, состоящего из мелких частиц, которые в процессе пиления отрываются одна за другой. При этом энергия отрыва каждой частички в бетоне зависит от величины связи с соседней частицей. Энергия связи между частицами неодинакова. Для построения модели необходимо определить количество частиц, принадлежащих каждому структурному составляющему материалу, и энергию их отрыва.
Бетон преимущественно состоит из цементного камня, мелкого и крупного заполнителей, Если оба заполнителя изготовлены из одного материала, т.е. имеют одинаковые механические свойства (микропрочность), а различие заключается только в крупности зёрен, то деление заполнителя на крупный и мелкий рассматривается как условное. Принимаем макроструктуру цементно-песчаного раствора двухкомпонентной. Тяжёлый бетон условно принимается также двухкомпонснтным, так как сопротивляемость резанию материала крупного и мелкого заполнителя, согласно фактическим пилениям, отличается не боле чем на 15%.
Для теоретического анализа разрушения двухкомпонентной структуры бетона, в качестве исходных данных, были приняты результаты фактических пилений. Исследуемые бетонные образцы в данной работе приняты размером 100x100x100 мм. Таким образом один образец состоит из К = 10 частиц размером 0,01 мм:
Описание образцов и инструментов, используемых в работе
Суть экспериментов заключалась в определении удельной энергии, идущей на разрушение бетона пилением, и сопоставлении её значений с механическими характеристиками бетона, определёнными по стандартным методикам. При резании бетона вся энергия расходуется на работу электроинструмента на холостом ходу, непосредственно на резание бетона и часть энергии идёт на трение, преобразуясь во внутреннюю и повышая температуру в зоне контакта алмазов с материалом. Энергия, идущая на трение, в итоге тоже расходуется на разрушение материала, снижая прочность сцепления структурных элементов на уровне микроструктуры и способствуя созданию зоны пред разрушения в виде сети микротрещин [2].
На основании полученной величины энергии резания W в кг-см и величины разрушенного объёма V в см3 вычисляется удельная энергия: В данной работе за базовый бетонный образец для всех испытаний был принят куб с ребром 100 мм. Наибольший размер заполнителя в экспериментальных составах принимался 20 мм (размер ребра контрольного образца бетона, согласно [8], должен быть примерно в 3 раза больше самого крупного заполнителя). Принятый размер куба является оптимальным для лабораторных и натурных образцов, извлекаемых из эксплуатируемых конструкций. Кроме того, этот размер наиболее близок к стандартному для испытания растворов -70,7x70,7x70,7 мм [36].
Использование одного базового размера позволило установить обобщённые зависимости для бетонов, изготовленных как в заводских условиях, так и на стройплощадке (монолитный бетон), а также для «старого» бетона в строительных конструкциях, свойства которого изменились в процессе длительной эксплуатации.
Основной эксперимент проводился в лабораторных условиях на бетонных образцах, изготовленных из тяжёлого и мелкозернистого бетона. Эксперименты выполнялись в два этапа. Для оценки влияния на результаты пиления различных составляющих бетона, на I этапе испыты вались образцы, в которых заполнитель в каждой серии принимался только одной фракции. Пилению подвергались образцы из тяжёлого и мелкозернистого бетонов, цементный камень, камни крупного и мелкого заполнителей. На II этапе испытывались образцы специально подобранного состава с заданным классом прочности на осевое сжатие.
Для определения деформативных свойств и характеристик трещиностой-кости для каждого состава тяжёлого бетона были изготовлены призмы размером 400x100x100 мм. В таблице 3.1 приведено количество испытанных по каждой методике образцов. Результаты экспериментов обрабатывались математическими методами многофакторного анализа с применением ЭВМ. Обработка и анализ результатов представлены в главе 4. Образцы для I этапа эксперимента; Образцы изготовлялись в лаборатории кафедры строительных конструкций МГТУ. Для изготовления использовался шлакопортландцемент М400, речной песок Агаповского карьера и пор-фиритовый щебень гранитного карьера ОАО «Мапштострой». Образцы изготовлялись партиями. Компонентный состав всех образцов приведён в таблице 3.2 и 3.3. Каждому составу соответствует серия из 6 кубов базового размера. Образцы с 1 по 20 были изготовлены из мелкозернистого бетона (цемент-но-песчаного раствора). В партиях, состоящих из 4 серий, изменялся модуль крупности мелкого заполнителя. Для этого песок просеивался через стандартные и дополнительные сита, с получением фракций 1,0-1,25 (Мкр = 1); 1,25-2,0 (Мкр = 1,5); 2,0-2,5 (МКР = 2); 2,5-3,0 (МКР = 2,9) и 4,0-5,0 (МКР = 4). В каждой партии варьировалось объёмное содержание заполнителя по истинному объёму: щ - 0,3; 0,4; 0,5 и 0,6. В/Ц для всех мелкозернистых составов бетона принималось 0,28 по массе, как минимальное, обеспечивающее удобоукладывае-мость. Образцы с 21 по 40 были изготовлены из тяжёлого бетона с варьированием В/Ц и объёмной концентрации крупного заполнителя (р, которая принимала значения 0,25, 0,35, 0,45 и 0,55. Серии образцов 21, 26, 31 и 36 были приняты с Ф = 0 и предназначались для выявления характеристик матрицы в бетонных образцах. Диаметр крупного заполнителя был принят единым для всех образцов и соответствовал остатку на сите с размером ячеек 8 мм, пройдя через сито с ячейками 10 мм. Матрицу бетона составлял цемснтно-песчаный раствор с соотношением Ц:П = 1:2 по объёму в насыпном состоянии и различным В/Ц в зависимости от исследуемой партии образцов. Состав № 41 состоял из 12 образцов, изготовленных из чистого цемента, при В/Ц=0,28. Шесть образцов испытывались аналогично бетонным. Остальные шесть были контрольными для определения снижения режущей способности (заштыбовки) алмазного диска через каждые 30 пилений. Образцы серий № 42 и 43 представляли собой крупные куски соответственно материала песка и материала щебня. Из бетона серий 22 - 25, 27 - 30, 32 - 35 и 37-40 были изготовлены призмы размером 100 100x400 мм в количестве 6 штук для каждого состава. Все образцы испытывали в возрасте 60 - 80 сут.
Связь параметров вариационных рядов единичных пилений со структурою бетона
Данная методика позволяет определить прочностные характеристики тяжёлого и мелкозернистого бетона, а также цементно-песчаного раствора непосредственно в эксплуатируемых конструкциях. В одной конструкции возможно исследовать несколько зон, например, в верхней части конструкции, в середине и т.д.
Выбор продольного направления пилений, относительно поверхности бетона, обусловлен тем, что длина дуги контакта с материалом незначительна по сравнению с направлением резания вглубь (перпендикулярно поверхности). Это позволяет не учитывать потери энергии на трение и обеспечивает одинаковые параметры при каждом резании. Кроме того, при данном способе пиления алмазный диск интенсивнее охлаждается в процессе работы.
В процессе абразивного разрушения материалов возникают высокие контактные температуры, в результате которых существенно меняются физико-механические свойства разрушаемого материала и инструмента (графитизация алмазов). Для уменьшения этой температуры в процессе работы инструмента зона разрушения требует интенсивного охлаждения. Наличие прерывистой режущей рабочей поверхности позволяет уменьшить площадь трения и температуру в зоне пиления [13]. Для сегментного алмазного диска кратковременное пиление до 15-4-20 сек (время указывается в паспорте инструмента) в нормальном режиме не вызывает повышение контактной температуры до критического значения. Дополнительным преимуществом сегментной рабочей поверхности алмазного диска является улучшенное удаления стружки. Подача инструмента осуществляется как правило мышечным усилием рук (в пределах 10 до 30 Н при мощности привода 750 Вт) таким образом, чтобы исключить зштыбовыва-ние режущего диска.
При заштыбовки алмазного диска резко возрастают энергетические затраты на разрушения. Для контроля режущей способности диска необходимо периодически (в лабораторных условиях) выполнять пиление однородного каменного материала (эталона). Если при этом отклонения средней энергоемкости разрушения превышают результаты предыдущего контроля этого же диска более чем на 15 %, то делается вывод о частичной или полной заштыбовке режущего слоя. В этом случае необходимо выполнить «вскрытие» алмазов, согласно инструкции по применению данного диска.
Основные механические характеристики бетона, при использовании однотипного алмазного инструмента (как в данной работе) определяются по полученным в данной работе зависимостям: 4.14 - 4.16 и 4.18 - 4.22. Структурные характеристики: средневзвешенный диаметр крупного заполнителя определяется по формуле (2.23) с учетом зависимости (2.24); объёмная концентрация крупного заполнителя по формуле (4.6), (4.7) или (4.23).
Прочность матрицы при известной энергоёмкости материала крупного заполнителя определяется по формуле (4.4). Для контроля удельной энергии разрушения заполнителя необходимо извлечь наиболее крупные зёрна и испытать их на стационарной установке. Если в данном регионе используется одна горная порода, из которой получают крупный заполнитель, то с целью повышения точности испытание проводится на больших камнях (размером около 10 см) из соответствующего месторождения (карьера).
При выборе участка конструкции (изделия) для контроля свойств бетона следует определять места, где отсутствует армирование. Для этих целей целесообразно применять магнитный неразрушающий метод. Полосы пилений следует намечать таким образом, чтобы исключить снижение прочности, жёсткости и трещиностойкости конструкции. Борозды в конструкциях, оставшиеся после пилений необходимо пломбировать жестким мелкозернистым бетоном. В процессе 2-х летней практики изучения и применения способа локального разрушения были выделены следующие условия, несоблюдение которых значительно снижает его точность: 1. Для осуществления контроля механических характеристик по параметрам пиления необходимо применять один типоразмер электропривода и алмазного инструмента. Если возникает необходимость в применении другого инструмента необходимо выполнить корректировку эмпирических коэффициентов в формулах. Для этого проводятся испытания по стандартным методикам и методом пиления образцов, изготовленных из нескольких последовательных классов бетона с использованием наиболее распространённых в данном регионе материалов. 2. Привод должен обеспечивать скорость резания не менее 40 м/с при ручной подаче инструмента до 5 см/с. 3. Испытания следует производить на сухом бетоне. Если бетон увлажнён, то следует вводить дополнительный коэффициент, согласно формулам 4.28 и 4.29, путём интерполяции в зависимости от фактической влажности. 4. Используемый алмазный диск должен обеспечивать толщину распила 2-:-3,0 мм. Для избежания дополнительных потерь энергии на трение о боковую стенку распилов, применяемый алмазный диск должен иметь алмазоносный слой на боковой поверхности режущей части. Таким образом, фактическая борозда пиления всегда шире чем толщина диска. 5. Новый, либо вновь используемый алмазный диск должен приработаться, т.е. предварительно разрушить объём порядка 200 см3 (для диска диаметром до 250 мм). 6. Предварительно должна быть намечена полоса и длина пилений в местах где отсутствует арматура. По краям будущих пилений необходимо выполнить вертикальное внедрение алмазного диска до максимально возможной глубины для данного инструмента. Этим обеспечивается стабильность параметров последующих контрольных резаний, схема которых представлена на рис. 5.2. 7. Глубина последовательных пилений должна быть стабильной - 2,5 мм. Разрушенный объём контролируется штангенциркулем после каждого пиления. 8. Оптимальное число единичных пилений для мелкозернистого бетона (цементно-песчаного раствора) составляет 10, для тяжёлого - 15. 9. Количество резаний по одной линии пиления должно соответствовать предельной глубине для данного инструмента. Каждый следующий участок выбирается с таким расчетом, чтобы соседние борозды были на расстоянии не менее 5,0 см. 10. При пилении конструкции необходимо использовать направляющие рейки, которые должны обеспечивать прямолинейность, постоянство глубины единичных пилений и перпендикулярное заглубление диска вглубь бетона относительно его поверхности. Рейка должна быть надёжно закреплена, например, при помощи обхватывающих конструкцию хомутов или пристреливанием дюбелями. 11. Длина пропила должна превышать максимальный размер крупного заполнителя не менее чем в 4 раза. Как правило, оптимальная длина составляет 10 - 20 см для тяжёлого бетона и 8 - 10 см для мелкозернистого бетона и цемент-но-песчаного раствора. 12. Если при единичном пилении произошло нарушение нормальной работы инструмента (заметные скачки напряжения, смещение направляющей рейки, биение диска и т.п.) полученный результат исключается из дальнейшей математической обработки, за исключением определения средневзвешенного диаметра, где необходимо учесть только смещение последующего пиления относительно поверхности бетона. Дальнейшие пиления целесообразно производить только после устранения причин неисправностей или отклонений.
