Определение ползучести бетона для различных видов материалов

Для практики наиболее важна высокотемпературная  ползучесть. При высокотемпературных  испытаниях образец нагревается  специальной печью, которая содержится в конструкции испытательной  машины.  

Как отмечалось выше, процесс ползучести завершается разрушением материала. Сопротивление материала такому разрушению называется длительной прочностью. Время до разрушения (долговечность)  зависит от величины напряжения и температуры.  

Испытания на длительную прочность  проводятся аналогично испытаниям образцов на ползучесть и на тех же испытательных  машинах. Отличие заключается в  том, что в испытаниях на длительную прочность не интересуются изменением деформации образца в процессе его нагружения постоянной нагрузкой, а фиксируют лишь время до его разрушения и деформацию при разрушении. Экспериментальная зависимость  от напряжения  при заданной температуре отражается в виде кривой длительной прочности в логарифмических координатах , которую обычно представляют в виде ломаной линии, состоящей из двух прямых (рис. 3).

                  

Рис.3-Кривая длительной прочности  

 

Точка перелома соответствует переходу от вязкого разрушения к хрупкому. Хрупкое разрушение связано с накоплением повреждений в материале, в частности в поликристаллических материалах с развитием многочисленных трещин по границам между зернами. При вязком разрушении трещины развиваются внутри зерен.

В образцах, изготовленных из одного и того же материала при различных  нагрузках, могут наблюдаться и  хрупкое, и вязкое разрушения. Как  правило, при уменьшении напряжения и соответственно увеличении длительности пребывания образца под нагрузкой деформации к моменту разрушения уменьшаются, а характер разрушения становится хрупким. Иногда в указанных координатах кривая длительной прочности имеет вид прямой, что соответствует одному из указанных видов разрушения. 

Зависимость времени до разрушения одновременно от уровня напряжений и  температуры дает кинетическая теория разрушения, развитая Журковым на основе экспериментов, проведенных на широком классе материалов (металлах, галлоидных соединениях, полимерах, стеклах) в большом диапазоне изменения долговечности, температуры и напряжений. Была установлена следующая зависимость

,                                                                                                 

где - напряжение при растяжении; - абсолютная температура; , , - постоянные, определяемые экспериментально и зависящие от физико-химической природы твердого тела и его структуры; - постоянная Больцмана.

Прочность материала при ползучести оценивается пределом длительной прочности, т.е. таким минимальным напряжением, которое при заданной длительности работы при определенной температуре приводит материал к разрушению. Предел длительной прочности с увеличением времени действия нагрузки (от долей минут до десятков лет) значительно снижается. Обозначается предел длительной прочности через  с двумя индексами, например, , где верхний индекс – это температура испытания, а нижний – заданная продолжительность испытания до разрушения в часах.

Если говорить о длительной прочности  такого материала как бетон, то считается, что он определяется характером структурных  дефектов, вызванных длительно действующей  нагрузкой. Если дефекты не возникают, то это означает, что действующее  напряжение не превосходит предела  длительной прочности. При напряжениях, меньших предела длительной прочности, дефекты также могут возникать, но при условии, что их развитие прекращается во времени. Для достаточно большого времени нагружения, равного времени эксплуатации сооружения (~50...70 лет), предел длительной прочности бетона принимается равным ~0,8 , где - призменная прочность бетона (временная).    

Среди материалов, работающих в условиях комнатных температур, вопросы длительной прочности особенно важны для  древесины и композитных материалов, выполненных на основе полимеров (стеклопластики, полимербетон и т.п.).

Для древесины можно привести следующие  данные: предел временной прочности  сосны при сжатии и растяжении вдоль волокон соответственно равен ~76 и ~115 МПа, а предел длительной прочности  при тех же нагружениях ~44 и ~56 МПа; слоистый пластик ДСП-В (материал, изготовленный из тонких листов лущеного березового шпона, пропитанного синтетическими смолами) при кратковременном нагружении имеет предел прочности при сжатии и растяжении вдоль слоев шпона и вдоль волокон рубашки одинаковый и равный ~148 МПа, а предел длительной прочности ~75 МПа.        

В испытаниях на длительную прочность  также определяют характеристики пластичности: относительные удлинения и сужение  образца при разрушении, дающие информацию о деформационной способности материала. Это особенно важно для большинства  материалов, применяемых в энергомашиностроении, когда пластичность снижается от 10-15% при малой долговечности до 1-2% при сроках службы 1∙10⁵-2∙10⁵ ч.     

Процесс ползучести следует рассматривать  как процесс накопления повреждений, приводящий к полному разрушению материала, когда происходит исчерпание деформационной способности материала. За меру повреждения можно принять  отношение  , где  - накопленная деформация ползучести при заданном режиме нагружения и продолжительности эксплуатации, - деформация разрушения при заданном режиме нагружения. Тогда кривые ползучести фактически отражают условия накопления повреждений материала во времени. Такой подход используется для оценки состояния материала элементов энергооборудования, на которых происходят эксплуатационные измерения ползучести (например, в трубах паропроводов современных энергоблоков), оценивая по величине накопленной деформации степень поврежденности и определяя долю исчерпания заданного ресурса.[2] 

 

 

 

 

 

 

 

2.Характеристика  и технические требования к   легкому  бетону

     Легкие бетоны следует приготавливать в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологической документации, утвержденной предприятием-изготовителем.

 

2.1Характеристики легких бетонов согласно ГОСТ 25820-2000

1 Легкие  бетоны характеризуют следующими  показателями качества:

- прочностью  на сжатие,

- средней  плотностью,

- морозостойкостью,

- водонепроницаемостью,

- теплопроводностью.

В зависимости  от условий работы бетона в нормативных  документах и рабочих чертежах на конкретные изделия и конструкции  следует устанавливать дополнительные требования к ним, предусмотренные  ГОСТ 4.212.

2 По прочности  на сжатие бетоны подразделяют  на классы:

- теплоизоляционные  – В0,35, В0,5, В0,75, B1, B1,5, B2;

- конструкционно-теплоизоляционные – В2,5, В3,5, В5, В7,5,

В10;

- конструкционные  бетоны – В12,5, В15, В20, В25, В30, В35,   В40.

Допускается применение бетона промежуточных классов  В22,5 и В27,5.

Примечание  – Для изделий и конструкций, запроектированных без учета  требований обеспеченности 0,95, показатель прочности бетона на сжатие характеризуют  марками:

- теплоизоляционные  – М5, М10, М15, М25;

- конструкционно-теплоизоляционные  – М35, М50, М75, М100, M150.

     3.Значение нормируемой отпускной прочности бетона конструкций устанавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 13015.

     4.По средней плотности в сухом состоянии бетоны подразделяют на следующие марки: D200, D300, D400, D500, D600, D700, D800, D900, D1000, D1100, D1200, D1300, D1400, D1500, D1600, D1700, D1800, D1900, D2000.

    5.По морозостойкости и водонепроницаемости бетонов устанавливают следующие марки:

- морозостойкость  - F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400,     F500;

- водонепроницаемость  – W2, W4, W6, W8, W10, W12.

    6.Теплопроводность (коэффициент теплопроводности) в сухом состоянии бетона при температуре 25 °C, к которому предъявляют требования по теплопроводности, должен соответствовать требованиям нормативного и проектного документов на изделие и конструкцию конкретного вида, а при отсутствии этих требований – СНиП 23-02.

   7.Отпускная влажность бетона изделий и конструкций заводского изготовления должна соответствовать требованиям ГОСТ 13015.

   8.Основные параметры легких бетонов приведены в таблице 1. 

Назначение бетона	Марка бетона		Класс бетона по прочности на сжатие для бетона на различных видах  пористого заполнителя
	по средней плотности	по морозостойкости	на вспученном вермикулите	на вспученном перлитовом щебне	на керамзитовом, шунгизитовом, зольном гравии	на щебне из пористых горных пород	на шлако-пемзовом щебне или гравии	на золошлаковых смесях ТЭС, пористом топливном шлаке, аглопоритовом щебне	на термолитовом щебне или гравии
Теплоизоляционный	D200	Не нормируется	В0,35 - В0,75	–	–	–	–	–	–
	D300		В0,35 - В2	В0,35 - В0,75	–	–	–	–	–
	D400		В0,35 - В2	В0,35 - В2	В0,35 - В2	–	–	–	–
	D500		B1 - B2	В1 - В2	В1 - В2	–	–	–	–
Конструкционно-теплоизоляционный	D600	–	–	В2,5	В2,5	–	–	–	–
	D700	F25	–	В2,5; В3,5	В2,5; В3,5	–	–	–	–
	D800	F25	–	В2,5 - В5	В2,5 - В5	В2,5	–	–	–
	D900	F25 - F50	–	В2,5 - В7,5	В3,5 - В7,5	В2,5; В3,5	–	–	–
	D1000	F25 - F100	–	В5 - В10	В3,5 - В10	В2,5 - В5	В2,5	В2,5	–
Конструкционно-теплоизоляционный	D1100	F25 - F100	–	В5 - В10	В3,5 - В10	В2,5 - В7,5	В2,5; В3,5	В2,5; В3,5	–
	D1200	F35 - F100	–	В7,5; В10	В5 - В10	В2,5 - В10	В2,5 - В5	В2,5 - В5	–
	D1300	F35 - F100	–	В10	В5 - В10	В3,5 - В10	В2,5 - В7,5	В3,5 - В7,5	–
	D1400	F35 - F100	–	–	В5 - В10	В5 - В10	В3,5 - В10	В5 - В10	–
	D1500	F35 - F100	–	–	–	В7,5; В10	В5 - В10	В7,5; В10	–
	D1600	F75; F100	–	–	–	В10	В7,5; В10	В10	–
Конструкционный	D1100	F100	–	В12,5	В12,5	–	–	–	–
	D1200	F100	–	В12,5	В12,5; В15	–	–	–	–
	D1300	F100; F150	–	В12,5; В15	В12,5 - В22,5	В12,5	–	–	–
	D1400	F100; F150	–	В12,5; В15	В12,5 - В25	В12,5	В12,5	–	–
	D1500	F100-F300	–	В15	В12,5 - В30	В12,5; В15	В12,5; В15	В12,5	В12,5; В15
	D1600	F100-F400	–	В15	В15 - В35	В12,5 - В20	В12,5 - В20	В12,5 - В20	В12,5 - В20
	D1700	F150-F500	–	–	В15 - В40	В15 - В22,5	В12,5 - В25	В12,5 - В22,5	В12,5 - В22,5
	D1800	F150-F500	–	–	В20; В40	В15 - В25	В20 - В30	В15 - В25	В20 - В35
	D1900	F200-F500	–	–	В35; В40	В20 - В30	В22,5 - В40	В20 - В30	В25 - В40
	D2000	F200-F500	–	–	–	В25; В30	В40	В25; В30	В35; В40

 

                                                                                                                                                                                                                        Таблица   1 
2.2 Требования к бетонным смесям согласно ГОСТ 28820-2000

1 Бетонные  смеси для приготовления легких  бетонов должны соответствовать  требованиям ГОСТ 7473.

2 Объем  межзерновых пустот в уплотненной бетонной смеси для бетона плотной и поризованной структур не должен превышать 3 %.

Допускается в обоснованном случае, предусмотренном  нормативным и проектным документами  на изделие и конструкцию конкретного  вида, применять для приготовления  конструкционно-теплоизоляционного бетона плотной структуры бетонную смесь  с объемом межзерновых пустот не более 6 %.

При приготовлении  теплоизоляционного бетона крупнопористой структуры объем межзерновых пустот в бетонной смеси не нормируют.

3 Объем  вовлеченного в смесь воздуха,  образующегося при использовании  добавок, изменяющих поровую структуру  бетона, не должен превышать, %:

12 – для  бетона на мелком заполнителе;

25 – для бетона без мелкого заполнителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Метод  определения ползучести  по нормативному документу

Испытания на ползучесть бетона проводят согласно ГОСТ 24544-81

Для определения деформаций ползучести применяют пневмогидравлические, пружинно-гидравлические или пружинные испытательные устройства, а также рычажные.

Пневмогидравлическое устройство, схема которого приведена на черт. 3, включает следующие основные узлы: плоскую раму, гидродомкрат с манометром и два баллона с инертным газом, в которых создают избыточное и расчетное давление.

Схема пневмогидравлического устройства для определения деформаций ползучести

1 - стойка; 2 - верхняя опорная плита; 3 - траверса; 4 - баллон с инертным газом (с избыточным давлением по отношению к расчетному); 5 - баллон с инертным газом при расчетном давлении; 6 - гидравлический домкрат с шарнирной опорной плитой; 7 - вентиль баллона; 8 - входной вентиль; 9 - манометр образцовый; 10 - образец.

Пружинно-гидравлическое испытательное  устройство, схема которого приведена на черт. 4, состоит из пространственной рамы, снабженной в верхней ее части гидравлическим мембранным домкратом 2, а в нижней части - пакетом тарельчатых пружин 7 и регулировочными винтами 6. Контроль передаваемого на образец усилия осуществляется с помощью образцового манометра 1 гидравлического домкрата 2.