Методические рекомендации по определению собственных напряжений в цементном камне и бетоне
Актуально на 11.11.2026.
Как цитировать: "Методические рекомендации по определению собственных напряжений в цементном камне и бетоне". https://bukva.ai/docs/metodicheskie-rekomendatsii-po-opredeleniyu-gosstroy-sssr-gosudarstvennyy-2
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ И БЕТОНЕ
Печатается по решению секции коррозии и спецбетонов НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 1 ноября 1984 г.
Методические рекомендации содержат основные положения по экспериментальному определению собственных напряжений в цементном камне и бетоне с помощью двух методов. В основе первого метода лежит механическая компенсация деформаций исследуемого материала, второй — основан на использовании магнитоупругого эффекта.
Дано описание измерительной аппаратуры и датчиков для измерения напряжений.
Предназначены для инженерно-технических работников научно-исследовательских институтов и строительных лабораторий.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Прочностные и деформационные свойства цементного камня и бетона в значительной степени связаны с возникновением и развитием в их структуре собственных (внутренних) напряжений. Собственными напряжениями принято называть напряжения, существующие в теле при отсутствии внешних воздействий.
Внешним проявлением таких напряжений являются наблюдающиеся в процессе твердения цементов сбросы прочности, появление трещин, объемные изменения цементного камня.
Необходимость экспериментального определения собственных напряжений в цементных материалах возникает при решении различных задач научного и практического характера. Количественная оценка этих напряжений дает представление об энергетических возможностях материалов и позволяет более правильно определить области их применения.
Следует отметить, что экспериментальное определение собственных напряжений в цементном камне и бетоне представляет значительные трудности, связанные с недостаточной разработкой методик и необходимых технических средств для их измерения.
Известны два способа измерения напряжений — косвенный и прямой. Косвенный метод основан на измерении деформаций и констант упругости материала среды. Напряжения рассчитываются по формулам теории упругости.
В последнее время все шире разрабатываются и применяются средства и методики прямого измерения напряжений в материале, не требующие определения его упругих свойств и деформаций.
В настоящих Методических рекомендациях приводится описание прямого определения собственных напряжений с помощью двух методов, разработанных в НИИЖБ. При составлении Методических рекомендаций использован значительный опыт применения указанных методов для определения собственных напряжений, сопровождающих процесс твердения расширяющихся и напрягающих цементов, полимербетона, арболита и других материалов.
Методические рекомендации составлены с учетом «Методических указаний по определению внутренних напряжений в цементном камне, растворе и бетоне с помощью кольцевых магнитоупругих датчиков ЦНИИСК» (Каунас, 1979).
Настоящие Методические рекомендации разработаны лабораторией физико-химических исследований бетонов НИИЖБ Госстроя СССР (канд. техн. наук Л.В. Никитина).
Все замечания и предложения по содержанию Методических рекомендаций просим направлять в НИИЖБ по адресу: 109389, Москва, 2-я Институтская ул., д. 6.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
1.1. Настоящие Методические рекомендации предназначены для контроля напряженного состояния цементного камня, раствора и бетона.
1.2 Рекомендации содержат два метода определения собственных напряжений в материалах:
метод, основанный на механической компенсации деформаций материала;
метод с использованием магнитоупругих датчиков.
1.3. Метод механической компенсации деформаций материала рекомендуется для определения собственных напряжений, возникающих при твердении расширяющихся и напрягающих цементов в условиях ограничения деформаций их расширения, а также для измерения расширяющих усилий, развивающихся при твердении невзрывчатого разрушающего вещества (НРВ). Метод может быть использован также для измерения напряжений в других материалах, твердение или эксплуатация которых сопровождается увеличением объема системы.
Диапазон измерения напряжений по данному методу — от 0 до 40 МПа. Метод обеспечивает относительную точность измерения 5 — 7%.
1.4. Метод магнитоупругих датчиков предназначен для длительных серийных измерений собственных напряжений в образцах цементного камня, цементно-песчаного раствора и бетона (в том числе в образцах полимербетона и арболита) при нормальных температурно-влажностных условиях, а также при изменении температуры (от +18 — 20 до 100 °C) и влажности среды.
Диапазон измерения напряжений по данному методу — от 0 до 15 МПа. Среднестатистический коэффициент вариации прибора при измерении напряжений составляет 0,7 — 0,8%.
1.5. Выбор того или иного метода измерения напряжений определяется в зависимости от вида исследуемого материала и поставленной задачи исследования.
2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПУТЕМ МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ МАТЕРИАЛА
2.1. При использовании данного метода в качестве характеристики собственных напряжений принято наименьшее давление, вызванное внешней нагрузкой, полностью подавляющее деформацию исследуемого материала. По величине нагрузки, необходимой для приведения объема исследуемого материала к первоначальной величине, определяют развивающееся в нем усилие (давление расширения).
Аппаратура
2.2. Для проведения измерений применяют специальную измерительную установку (рис. 1), представляющую собой уравновешенный рычаг, снабженный автоматической системой нагружения.
Рис. 1. Установка для измерения собственных напряжений (давления расширения) методом механической компенсации деформаций материала
2.3. Установка имеет следующее устройство: на основании (1) с помощью опорного шарнира (2) укреплен двуплечий рычаг (3). На рабочем плече рычага установлены релейные индикаторы (4, 5), шарнирно смонтирован шток (6) с пуансоном (7) и груз (8), который при вращении электродвигателем (9) винта (10) может перемещаться вдоль рычага, изменяя величину давления на шток. На компенсирующем плече рычага установлен противовес (11). На основании прибора смонтирован вращающийся с помощью винта подъемный столик (12), на котором устанавливается исследуемый образец (13).
2.4. Измерительная установка может работать от сети переменного тока с напряжением 127 и 220 В (в сеть с напряжением 220 В установка включается через ЛАТР). С правой стороны установки имеется ручной выключатель (тумблер). Кроме того, на рычаге прибора имеются конечные выключатели (15, 16), с помощью которых отключается электродвигатель при прохождении грузом всего рычага. Для отсчета перемещения груза вдоль рычага имеется шкала (см. рис. 1).
Подготовка установки к проведению измерений
2.5. Перед началом проведения измерений установка подключается к сети с напряжением 220 В с помощью вилки ЛАТРа (17) и ручного тумблера (14).
2.6 Проверяется работа релейных индикаторов (4 и 5).
2.7. Стрелка индикатора груза приводится в положение 13 мм по шкале рычага.
2.8. На грузовую платформу прибора устанавливается груз массой 10 — 11 кг, который уравновешивается относительно оси рычага с помощью противовеса.
Подготовка образца к проведению измерений
2.9. Измерение напряжений производят на образцах цементного камня, изготовленных из исследуемого материала.
2.10. Образцы изготавливают в цилиндрических формах из нержавеющей стали (размеры формы: высота 50 — 80 мм, внешний диаметр 30 — 50 мм, внутренний диаметр 20 — 40 мм), обеспечивающих двухосное ограничение деформаций.
Примечание. В случае необходимости измерение напряжений можно производить в формах для всестороннего обжатия (трехосное ограничение деформаций материала), имеющих в верхней части отверстие для пуансона.
2.11. Перед затворением материала внутреннюю поверхность формы тщательно очищают и смазывают маслом.
2.12. Цементное тесто, приготовленное из исследуемого материала (В/Ц = 0,25 — 0,3), помещают в форму, установленную на металлической подставке. Энергичным постукиванием удаляют пузырьки воздуха, поверхность образца выравнивают ножом.
2.13. После окончания схватывания образец вместе с формой и подставкой устанавливают на подъемном столике и с помощью винтового механизма подводят со слабым поджимом горизонтальной поверхностью точно к поверхности пуансона. При этом нужно следить за тем, чтобы шток пуансона находился строго в вертикальном положении.
Примечание. Установка снабжена сменными пуансонами диаметром 5, 10 и 20 мм. Выбор пуансона и размера формы образца определяется в зависимости от диапазона измерения.
Проведение измерений
2.14. В процессе твердения и расширения цементный камень оказывает давление на пуансон, что вызывает замыкание контакта релейного индикатора (4) и включение электродвигателя. Последний приводит в движение груз и передвигает его вдоль рычага до тех пор, пока увеличившаяся нагрузка не приведет пуансон в прежнее «0»-положение (соответствующее нулевой деформации образца), после чего контакт реле переключателя разомкнется.
По величине внешней нагрузки, необходимой для подавления деформации образца, судят о возникающем в материале усилии (давлении расширения).
Примечание. Контрольные перемещения пуансона, вызывающие замыкание контакта, весьма незначительны, они не превышают 0,005 мм.
2.15. Величина напряжения (давления расширения) \sigma , МПа, развивающегося в цементном камне при ограничении его деформации, определяется по формуле
\sigma = \frac{F \cdot \Delta l}{l_{0} \cdot S} = K \cdot \Delta l ,
где F — нагрузка на пуансон, МПа; \Delta l — перемещение груза, фиксируемое по шкале, см; l0 — расстояние пуансона от оси рычага, см; S — площадь пуансона, см2; K — константа установки.
2.16. При проведении экспериментов на различных материалах, а также на образцах одной серии (с целью получения сравнимых результатов) измерения напряжений следует проводить в одинаковых условиях твердения и нагружения, а также при одинаковых размерах пуансона и формы образца.
2.17. Результаты измерений оформляются в виде графиков в координатах: по оси абсцисс — длительность твердения исследуемого материала \tau , ч (сут), по оси ординат — полученные значения собственных напряжений \sigma , МПа. Примеры построения таких графиков показаны на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Кинетика развития собственных напряжений (давления расширения) при твердении расширяющегося цемента
Рис. 3. Кинетика развития расширяющего усилия при твердении невзрывчатого разрушающего вещества (НРВ)
3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТОУПРУГИХ ДАТЧИКОВ
3.1. Метод основан на магнитоупругом эффекте, который проявляется у некоторых ферромагнитных материалов и заключается в изменении магнитных свойств этих материалов в результате механического воздействия.
Аппаратура
3.2. Для измерения напряжений по данному методу применяют кольцевые магнитоупругие датчики конструкции И.Н. Гельфера <*> и вторичную измерительную аппаратуру.
<*> А.с. 306338 (СССР). Магнитоупругий датчик/И.Н. Гельфер. — Б.И., 1971, № 19.
3.3. Основным элементом магнитоупругих датчиков типа К-10 и К-20 является жесткое кольцо диаметром 10 и 20 мм, изготовленное из ферромагнитного материала — фехрали ОХ 23-1-05 — с модулем упругости 1 — 2 x 105 МПа. Высота кольца составляет 5 мм.
3.4. Рабочей поверхностью датчиков является внешняя цилиндрическая поверхность, которая тщательно отполирована для снятия касательных напряжений и уменьшения адгезии цементного камня к ней. С торцов датчик защищен от механических воздействий пористыми прокладками из пенопласта ПХВ-1 и покрыт парафином.
3.5. На кольце датчика имеются возбуждающая и индикаторная обмотки. Концы обмоток являются выводами датчика, они закреплены на бирке — катушке, на которую наносят номер датчика (рис. 4).
Рис. 4. Магнитоупругие датчики типа К-20
3.6. Каждый датчик снабжен градуировочным графиком (рис. 5), который представляет собой зависимость \sigma = f(J) , где \sigma — механические напряжения, МПа, действующие на датчик, а J — сила тока, мА, намагничивающего датчик до постоянного значения магнитной индукции в его сечении.
Рис. 5. Вид градуировочного графика для магнитоупругого датчика типа К-20
3.7. Намагничивающий ток измеряется в двух режимах, соответствующих двум значениям выходного напряжения v1 и v2, мВ, найденным предварительно по графикам основных кривых намагничивания данного датчика.
3.8 В состав измерительной аппаратуры входят следующие стандартные серийно выпускаемые приборы:
вольтметр электронный типа Ф564 — служит для контроля опорного напряжения на индикаторной обмотке датчика;
амперметр типа Э514 — служит для измерения величины тока питания датчика;
регулятор напряжения типа РНО 250-2 — служит для регулирования тока питания датчика в пределах 0,1 — 1 А с целью возможно более точной установки по шкале вольтметра Ф564 необходимого опорного напряжения;
понижающий трансформатор типа ТБС-2-0-0,16 — является источником питания датчика и обеспечивает необходимую развязку от электросети. Применение трансформатора обеспечивает безопасность работы с данной измерительной системой.
На трансформаторе под кожухом размещено регулируемое балластное сопротивление типа ПЭВР 20 — 15 Ом, которое включается последовательно с обмоткой питания датчика. Величина этого сопротивления устанавливается такой, чтобы при включенном датчике, когда рукоятка регулятора РНО 250-2 находится на отметке 220 В, протекающий через амперметр Э514 ток не превышал значения 1 А. Электрическая схема измерения собственных напряжений представлена на рис. 6.
Рис. 6. Электрическая схема установки для измерения собственных напряжений с помощью магнитоупругих датчиков
Кроме указанных выше приборов, в состав измерительной аппаратуры входят переключатель и колодки с соединительным кабелем для подключения датчиков к переключателю.
3.10. Указанные в пп. 3.8 и 3.9 настоящих Методических рекомендаций приборы объединены в единую измерительную систему в виде комплекта аппаратуры, предназначенной для измерения выходного параметра датчика (рис. 7).
Рис. 7. Вторичная измерительная аппаратура для экспериментального определения собственных напряжений с помощью магнитоупругих датчиков
Подготовка измерительных средств к проведению измерений
3.11. Вольтметр Ф564 включают в сеть и прогревают в течение 15 — 20 мин.
3.12. Производят калибровку вольтметра в соответствии с инструкцией по эксплуатации и устанавливают необходимый диапазон измерений.
3.13 Включают в сеть регулятор напряжения РНО-250-2.
Примечание. До включения в сеть все приборы должны быть заземлены.
3.14. Датчик помещают в форму для изготовления образца и устанавливают в ее центральной части.
3.15. Для ориентации датчика в центре формы используют специальные подставки с впаянными в днище стальными штырями или расчалки из стальной проволоки, натягиваемой с помощью специальных приспособлений.
Примечание. В случае необходимости, с целью получения информации о распределении напряжений внутри образца рекомендуется закладывать несколько датчиков по высоте и сечению формы.
3.16. После установки датчиков в формах их выходные контакты через распаячные колодки присоединяют к измерительной аппаратуре.
3.17. После завершения операций по коммутации датчиков, прогрева и калибровки вольтметра производят снятие начальных показателей датчика (до формования образцов).
3.18. Для этого записывают показания амперметра при двух заданных значениях напряжения v1 и v2 в соответствии с данными предварительной градуировки датчика.
3.19. Начальные показания датчика рекомендуется снимать не менее чем 3 раза в течение 1 ч. При нормальной работе измерительной аппаратуры отклонения показаний датчиков не должны превышать 3 мА. За начальное показание датчика принимают среднее арифметическое трех измерений.
3.20. Контроль за работой измерительных средств осуществляется с помощью контрольного (ненагруженного) датчика. Показания контрольного датчика рекомендуется снимать дважды — перед началом измерений и после их окончания. Отклонения показаний контрольного датчика свыше 2 — 3 мА свидетельствуют о ненормальной работе измерительной аппаратуры.
3.21. Результаты измерения начальных показаний записывают в журнал по форме, приведенной в Прил. 1.
Подготовка образцов к проведению измерений
3.22. Определения напряжений рекомендуется производить на образцах цементного камня, цементно-песчаного раствора и бетона с размером зерен крупного заполнителя не более 10 мм.
3.23. Для изготовления образцов используют формы-цилиндры (высота — 60 мм, внешний диаметр — 55 мм, внутренний диаметр — 45 мм) и формы-кубы с размером ребра 70 или 100 мм, обеспечивающие двухосное ограничение деформаций исследуемого материала.
Примечание. В случае необходимости могут быть использованы формы другого размера, а также формы для всестороннего обжатия, имеющие в крышке отверстие для выводов датчика.
3.24. Формование образцов производят после установки и закрепления датчиков внутри формы. Во время формования необходимо следить за правильной укладкой материала внутри формы для того, чтобы обеспечить плотное соприкосновение датчика с исследуемым материалом.
3.25. После окончания формования образцов производят запись показаний датчика.
Проведение измерений
3.26. Измерения напряжений в исследуемых материалах можно проводить с момента затворения образцов. Длительность измерений определяется задачей исследования.
3.27. В основу измерения собственных напряжений с помощью закладных магнитоупругих датчиков положен магнито-компенсационный метод, при котором обмотка датчика питается регулируемым током промышленной частоты (50 Гц). Возникающая в результате этого в сердечнике датчика магнитная индукция поддерживается постоянной путем изменения напряженности магнитного поля.
3.28. Процесс твердения цементных материалов сопровождается объемными изменениями (расширением или усадкой цементного камня). При усадке цементного камня, а также при его расширении (при наличии внешней ограничивавшей связи — кольцевой формы, препятствующей деформации образцов) датчик, находящийся внутри исследуемого материала, воспринимает радиальные сжимающие усилия. Под действием этих усилий в датчике возникает анизотропия магнитоупругой энергии, которая компенсируется изменением напряженности магнитного поля, определяемой силой намагничивающего тока. Последняя и является выходным параметром, по которому определяют величину возникающих в материале собственных напряжений.
3.29. Через определенные промежутки времени (в зависимости от задачи исследования) снимают показания амперметра J1 и J2 при двух значениях выходного напряжения v1 и v2 в соответствии с градуировочным графиком для данного датчика. Эти показания записывают в журнал по форме, приведенной в Прил. 1.
Обработка результатов измерений
3.30. Собственные напряжения, возникающие в исследуемом материале, определяют с помощью градуировочного графика. Полученные значения напряжений \sigma_{1} и \sigma_{2} , МПа, а также среднюю величину \sigma_{\text{ср}} , МПа, заносят в журнал (Прил. 1).
3.31. Результаты измерений оформляют в виде графиков в координатах: по оси абсцисс — длительность твердения исследуемого материала \tau , ч (сут), по оси ординат — полученные значения собственных напряжений, \sigma , МПа.
3.32. В качестве примера на рис. 8 и 9 представлены кривые, характеризующие кинетику развития собственных напряжений при твердении образцов напрягающих цементов различного состава и образцов полимербетона.
Рис. 8. Кинетика развития собственных напряжений при твердении напрягающих цементов различного состава
Рис. 9. Кинетика развития собственных напряжений при твердении полимербетона
ФОРМА ДЛЯ ЗАПИСИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАТЕРИАЛЕ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТОУПРУГИХ ДАТЧИКОВ ТИПА К-20
1. Маркировка образца ...............
2. Состав образца ...................
3. Условия твердения ................