Государственный стандарт СССР ГОСТ 29167-91"Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении"(утв. постановлением Госстроя СССР от 25 ноября 1991 г. N 13)

Concretes. Methods for determination of fracture toughness characteristics

Дата ведения 1 июля 1992 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 F-V; при неравновесных испытаниях фиксируют значение F_с.

Допускается проведение равновесных испытаний с фиксацией текущих размеров развивающейся магистральной трещины (а_ij) и соответствующих значений прилагаемой нагрузки (F_ij) согласно приложению 3.

1.3. По результатам испытаний определяют следующие основные силовые

- в терминах коэффициентов интенсивности напряжений (К), энергетические

- в терминах удельных энергозатрат (G) и джей-интеграла (J),

*

характеристики трещиностойкости: К_c, K_с, K_i, G_F, G_i, G_ce, J_i,

c

X_F

Значения R_bt, R_btf, E_в 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 d_am.

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 d_am 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.

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

мм

┌─────────────────┬─────────────────────────────────────────────────────┐
│ Максимальный │ Размеры образцов │
│ размер зерна ├────────────┬───────────┬─────────────┬──────────────┤
│ заполнителя │ Тип 1 │ Тип 2 │ Тип 3 │ Тип 4 │
│ d_am │ │ │ │ │
├─────────────────┼────────────┼───────────┼─────────────┼───────┬──────┤
│ Менее 1,25 │ 40 10/5 │ 40 15 │ 40 10 │ 100 │ 30 │
│ 1,25-5,0 │ 70 25/5 │ 70 25 │ 70 15 │ 100 │ 30 │
│ 5,0-10,0 │100 35/5 │ 100 45 │ 100 25 │ 100 │ 30 │
│ 10,0-20,0 │150 50/10│ 150 60 │ 150 35 │ 200 │ 60 │
│ 20,0-40,0 │200 70/10│ 200 80 │ 200 50 │ 200 │ 60 │
│ 40,0-60,0 │300 100/15│ 300 120 │ 300 75 │ 400 │ 120 │
│ 60,0-80,0 │400 140/20│ 400 160 │ - - │ 400 │ 120 │
└─────────────────┴────────────┴───────────┴─────────────┴───────┴──────┘

Примечание. При неравновесных испытаниях образца типа 1 допускается не образовывать верхний надрез (a_0t = 0).

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 F-V 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 F-V (черт. 5, кривая OTCDE).

Для определения значений К_с, G_ce на стадии локального деформирования производят 5-7 кратковременных разгружений образцов для определения направлений линий разгрузок (например, линия XX" на черт. 6) с фиксацией полной диаграммы состояния материала F-V (черт. 6, кривая OTCXDE).

При равновесных испытаниях образцов типа 1 с b >= 200 мм производят поправку на массу образца и дополнительного оборудования согласно приложению 7.

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца допущена опечатка. Вероятно, имеется в виду приложение 6 ГОСТа 29167-91, утвержденное постановлением Госстроя СССР от 25 ноября 1991 г. N 13

4.6. При неравновесных испытаниях образцы типов 1-4 нагружают

*

непрерывно вплоть до их разделения на части с фиксацией значения F_c.

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 D, где выполняется условие (dF/dV) ~ const, проводят отрезок DK, перпендикулярный оси OV;

б) фиксируют расчетную диаграмму OTCDK;

в) из точки С опускают перпендикуляр СН к оси OV и линию СА, параллельную упругой линии ОТ;

г) определяют величину отрезка ОМ из выражения (1):

с

д) из точки М восстанавливают перпендикуляр МС_u к оси OV до

с

пересечения с линией СС_u, параллельной оси OV. Точку О соединяют с

с с

точкой С_u отрезком ОС_u;

е) для определения величин К_с, G_ce из расчетной полной диаграммы построением выделяют полную упругую диаграмму ОТС'Х'О (черт. 6), для чего используют направления линий разгрузок, например, точку разгрузки X переносят по линии, параллельной оси OV, в положение X' на величину, равную V_x.

5.1.2. Расчетным путем или планиметрированием определяют

энергозатраты на отдельные этапы деформирования и разрушения образца, а

с

именно: W_m, W_e, W_i, W_ui, W_ce, соответственно, численно равные

с

площадям фигур ОТСА, ACH, HCDK, ОС_u М на черт. 5 и ОТС'Х'О на черт. 6.

5.1.3. Расчетным путем определяют значения силовых и энергетических характеристик трещиностойкости по зависимостям:

*

5.2. Характеристики трещиностойкости К_с по результатам

неравновесных испытаний образцов типов 1-4 определяют по зависимостям

(9-12):

Приложение 1

Обязательное

Обозначения величин

К - коэффициент интенсивности напряжений,

МПа х м(0,5).

К_с - критический коэффициент интенсивности

напряжений при максимальной нагрузке,

МПа х м(0,5).

K_i - статический критический коэффициент

интенсивности напряжений, МПа х м(0,5).

*

K_с - условный критический коэффициент интенсивности

напряжений, МПа х м(0,5).

K_ij - текущие значения коэффициентов интенсивности

напряжений при поэтапном равновесном нагружении

образцов, МПа х м(0,5).

G - удельные энергозатраты, МДж/м2.

G_i - удельные энергозатраты на статическое

разрушение до момента начала движения

магистральной трещины, МДж/м2.

G_F - удельные эффективные энергозатраты на

статическое разрушение, МДж/м2.

G_ce - полные удельные упругие энергозатраты на

статическое деформирование образцов до деления

на части, МДж/м2

J - джей-интеграл, МДж/м2.

J_i - статический джей-интеграл, МДж/м2.

с

X_F - критерий хрупкости, м.

W - энергозатраты, МДж.

W_m - энергозатраты на процессы развития и слияния

микротрещин до формирования магистральной

трещины статического разрушения, МДж.

W_e - энергозатраты на упругое деформирование до

начала движения магистральной трещины

статического разрушения, МДж.

W_i - энергозатраты на локальное статическое

деформирование в зоне магистральной трещины,

МДж.

с

W_ui - расчетные энергозатраты на упругое

деформирование сплошного образца, МДж.

W_ce - полные упругие энергозатраты на статическое

деформирование до деления на части, МДж.

F_g - нагрузка, действующая на образец в процессе

испытания, МН.

F_C - нагрузка, соответствующая статическому началу

движения магистральной трещины при равновесных

испытаниях, МН.

*

F_c - нагрузка, соответствующая динамическому началу

движения магистральной трещины при

неравновесных испытаниях, МН.

F - нагрузка, соответствующая массе образца и

дополнительного оборудования, МН.

F_IJ - текущие значения действующей на образец

нагрузки при его поэтапном равновесном

нагружении, МН.

V - перемещения образца, м.

V_e - перемещения, соответствующие упругим

деформациям образца, м

V_m - перемещения, соответствующие необратимым

деформациям образца, м.

V_l - перемещения, соответствующие локальным

деформациям образца в зоне магистральной

трещины, м.

с

V_ui - расчетное значение перемещений сплошного

образца, соответствующее моменту начала

движения магистральной трещины в образце с

начальным надрезом, м.

a_0, a_0t - длина начального надреза, м.

a_ij - текущие значения длины магистральной трещины

при по этапном равновесном нагружении образца,

м.

e_0 - начальный эксцентриситет приложения нагрузки,

м.

b, t, L_0, L, D - размеры образцов, м.

фи = b/L_0 - относительная высота образца.

лямбда = (a_0 + a_0t)/b - относительная длина начального надреза.

d_am - максимальный размер заполнителя, м.

m_1, m_2 - масса образца и дополнительного оборудования,

кг.

g = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с(2).

tg_aльфа - тангенс угла наклона восходящего упругого

участка диаграммы.

E_i - единичный модуль упругости, МПа.

E_b - модуль упругости, МПа.

R_bt - прочность на осевое растяжение, МПа.

R_btf - прочность на растяжение при изгибе, МПа.

Приложение 2

Справочное

Термины и пояснения

┌─────────────────────────────────┬─────────────────────────────────────┐
│ Термин │ Пояснение │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│1. Трещиностойкость (вязкость│Способность бетона сопротивляться│
│ разрушения) бетона │началу движения к 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 па 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 │Величина, определяющая│
│ интенсивности напряжений К. │напряженно-деформированное состояние│
│ │и смещения вблизи вершины трещины,│
│ │независимо от схемы нагружения, формы│
│ │и размеров тела и трещины │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│5. Условный коэффициент│Значение К, вычисленное через│
│ * │действующую на образец нагрузку и│
│ интенсивности напряжений К │исходную длину трещины а_0 по│
│ │формулам для упругого тела │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│6. Удельные энергозатраты G │Величина, характеризующая удельные│
│ │(относительно эффективной рабочей│
│ │площади поперечного сечения образца)│
│ │энергозатраты на различные этапы│
│ │деформирования и разрушения │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│7. J-интеграл │Величина, характеризующая работу│
│ │пластической деформации и разрушения,│
│ │а также поле напряжений и деформаций│
│ │при упругопластическом деформировании│
│ │вблизи вершины трещины (аналогично│
│ │коэффициенту интенсивности напряжений│
│ │К) │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│ │ * │
│8. Условный критический│Значение К, определяемое при│
│ коэффициент интенсивности│неравновесных испытаниях образцов│
│ * │типов 1-4 по нагрузке, равной F_ с,│
│ напряжений К_с │и начального надреза образца а_0,│
│ │условно характеризующее критическое│
│ │состояние материала при динамическом│
│ │начале движения магистральной трещины│
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│9. Статический критический │Значение К, определяемое при│
│ коэффициент интенсивности│равновесных испытаниях образцов типов│
│ напряжений K_i │1, 5, 6 по g_i и Е_b, характеризующее│
│ │критическое состояние материала при│
│ │статическом начале движения│
│ │магистральной трещины │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│10. Критический коэффициент│Значение К, определяемое при│
│ интенсивности напряжений K_c │равновесных испытаниях образцов типа│
│ │1 по G_ce и Е_b, инвариантно│
│ │характеризующее состояние материала│
│ │при динамическом начале движения│
│ │магистральной трещины │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│11. Удельные энергозатраты на│Значение G, определяемое при│
│ начало статического│равновесных испытаниях образцов типа│
│ разрушения G_i │1 по диаграмме F-V, характеризующее│
│ │удельные энергозатраты на начало│
│ │статического разрушения │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│12. Удельные эффективные│Значение G, определяемое при│
│ энергозатраты на│равновесных испытаниях образцов типа│
│ статическое разрушение G_F │1 по диаграмме F-V, характеризующее│
│ │удельные энергозатраты на статическое│
│ │разрушение │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│13. Полные удельные упругие│Значение G, определяемое при│
│ энергозатраты на│равновесных испытаниях образцов типа│
│ статическое деформирование│1 по диаграмме F - V, характеризующее│
│ до деления на части G_ce │удельные энергозатраты на разрушение │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│14. Статический джей-интеграл J_i│Значение J, определяемое при│
│ │равновесных испытаниях образцов типа│
│ │1 по диаграмме F-V, характеризующее│
│ │поле напряжений и деформаций вблизи│
│ │вершины магистральной трещины при│
│ │начале ее движения │
├─────────────────────────────────┼─────────────────────────────────────┤
│ с │ │
│15. Критерий хрупкости X_F │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 F_ij и a_ij) 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 иагружения образцов приведены на черт. 7, 8.

Минимальные размеры образцов: типа 5-b >= 12 d_am;

типа 6-b >= 15 d_am

3. Для определения значений величин а_ij 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.

4. Определение характеристик трещиностойкости

4.1. Для каждого этапа нагружения определяют значение K_ij по зависимостям:

Примечание к черт. 7 и 8. Обозначения приведены в приложении 1, размеры образцов - в приложении 3.

- для образца типа 5.

- для образца типа 6.

4.2. По результатам п. 4.1 строят зависимость Kij-aij; за величину K_i принимают среднее значение K_ij 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 R_bt определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 и типов 5, 6 (согласно приложению 3) по зависимости

2. Значение R_btj определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 по зависимости

3. Значение E_b определяют при равновесных испытаниях образцов типа 1 с лямбда ~ 0,1-0,5 по зависимости

Приложение 5

Обязательное

Испытательное оборудование для определения характеристик трещиностойкости при равновесных испытаниях образцов типа 1

Для определения характеристик трещнностойкости 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.

Приложение 6

Обязательное

Поправка на массу образца и дополнительного оборудования

При равновесных испытаниях образцов типа 1 с b >= 200 мм перед определением характеристик трещиностойкости производят поправку на массу образца и распределительную балку.

Для этого полную диаграмму состояния материала (кривая STCDA на черт. 11) трансформируют в расчетную (кривая OSTCDK) следующим образом:

точку S по упругой линии ST переносят в положение точки О на величину F_s, откладываемую на оси F, равную

F_s = [m_1(L_0/L) + m_2]g, (21)

проводят оси OF и OV, параллельные соответственно SF и SV';

с начала прямолинейного нисходящего участка диаграммы, то есть из точки D, где выполняется условие (dF/dV) ~ const проводят отрезок DK, перпендикулярный оси OV;

фиксируют расчетную диаграмму OSTCDK.