Испытания затвердевшего бетона при растяжении

Железобетон обладает большей прочностью, чем неармированный бетон, потому что сталь в армированном сечении может использоваться для восприятия больших растягивающих усилий, что будет продемонстрировано в ходе этих лабораторных испытаний.

Бетон может выдерживать очень большие напряжения при одноосных сжимающих силах. Однако наблюдаемые разрушения носят не сжимающий характер, а разрушения вдоль плоскостей сдвига, где возникают максимальные растягивающие силы. Этот внезапный тип разрушения неприемлем в конструкционных приложениях, и большая часть бетона армируется сталью для повышения его прочности и пластичности.

В практическом применении стержни добавляются в виде стального каркаса для пересечения потенциальных плоскостей разрушения при растяжении. Стальная арматура служит для ограничения образования трещин и ширины трещин, увеличивая срок службы конструкции. Противообледенительные соли и другие химические вещества препятствуют проникновению и коррозии арматурной стали. Сохраняется жесткость элементов конструкции и уменьшаются долговременные прогибы, а также улучшается эстетический вид бетонных конструкций.

В этом видео мы проведем испытания для определения прочности бетона на разрыв и сравним армированный и неармированный бетон.

В бетоне очень тонкая, слабая прослойка между раствором и заполнителем, называемая зоной межфазного перехода, приводит к очень низкой прочности на разрыв. Поскольку при проектировании обычных бетонов необходимо максимально увеличить содержание заполнителя и свести к минимуму объем раствора, расстояние между частицами очень мало, до 40% объема раствора приходится на более слабый материал ИТЗ. Местное, более крупное соотношение воды и цемента при смешивании и твердении в межфазной области приводит к более слабой кристаллической структуре в ИТЗ. Это состояние в сочетании с концентрацией напряжений вокруг частиц нерегулярного заполнителя приводит к преимущественному росту трещин в этой области.

Для проверки прочных свойств бетона на растяжение часто используется метод, известный как испытание разъемного цилиндра. Сжимающая сила прикладывается, что приводит к равномерному горизонтальному растягивающему напряжению в местах, удаленных от приложенной нагрузки.

Обычно наблюдается корреляция между прочностью на растяжение и сжатие, хотя типичные коэффициенты вариации для этих соотношений высоки. Другим используемым методом является конфигурация испытаний на четырехточечный изгиб. В этом тесте верхнее волокно находится в состоянии сжатия, а нижнее – в растяжении. Когда на дне достигается прочность на разрыв, образуется трещина, вызывающая немедленный выход из строя.

Аналогичная корреляция прочности на растяжение и сжатие наблюдается и для этого испытания. В результате испытания луча прогнозируется прочность на растяжение, как правило, на 30–50 % больше, чем при испытании на растяжение с разделением. Но поскольку растрескивание многих бетонных элементов происходит из-за изгиба, при проектировании обычно используются значения испытаний балки. Чтобы сравнить неармированный и железобетонный, стальные стержни помещаются в нижнюю растягивающую сторону балки, а затем испытываются.

В следующем разделе мы измерим прочность на растяжение неармированного бетона с помощью испытания на растяжение и сравним прочность на растяжение неармированного и железобетона с помощью испытания на растяжение балки.

Для этих испытаний используйте образцы цилиндров, которые были подготовлены в нашем видео о свежем бетоне. Используйте тонкую полоску бальзового дерева и жесткий стальной стержень, чтобы равномерно распределить нагрузки от цилиндрических загрузочных головок в машине для испытаний на сжатие. Проведите линию по диаметру на каждом конце экземпляра, разделив цилиндр пополам. Далее отцентрируйте одну деревянную полосу и жесткий стальной стержень по центру нижнего подшипникового блока испытательной машины.

Теперь поместите цилиндр на полосу и выровняйте так, чтобы линии, отмеченные на концах образца, были вертикальными и располагались по центру полосы. Далее поместите вторую деревянную полосу и стальной брусок вдоль верхней части цилиндра. Затем опустите верхнюю загрузочную головку испытательной машины до тех пор, пока сборка не будет закреплена в машине.

Медленно и непрерывно прикладывайте сжимающую нагрузку до тех пор, пока образец не выйдет из строя при растяжении с расщеплением. Наконец, запишите максимальную приложенную нагрузку. Осмотрите поверхность трещины и оцените процент разрушенного заполнителя. Повторите этот процесс для второго цилиндра, чтобы получить представление о вариации.

Сооружайте две бетонные балки, одну без армирования, а другую армированную 2 тройками номер три, расположенными примерно в 0,5 дюймах от дна. Стержни имеют крючки на концах для предотвращения выхода из строя стержня. Обе балки имеют поперечное сечение 4 на 4 дюйма и 16 дюймов в неподдерживаемой длине.

Осторожно поднимите бетонную балку и установите ее в установку. Затем установите в испытательную машину четырехточечное испытательное устройство на изгиб, как показано на рисунке. Испытание называется испытанием на четырехточечный изгиб, потому что у нас есть две опоры на концах и две точки нагрузки в третьей точке.

Включите испытательную машину и активируйте программное обеспечение для считывания данных о нагрузках и деформациях. Затем медленно и непрерывно прикладывайте сжимающую нагрузку до тех пор, пока образец не выйдет из строя. Запишите максимальную приложенную нагрузку. Наконец, осмотрите поверхность трещины и оцените процент разрушенного заполнителя.

Повторите тот же протокол для железобетонной балки. В этом случае, стальная арматура на нижней или растягивающей стороне балки, предотвращает внезапные хрупкие поломки. По мере того, как бетон начинает трескаться, сталь начинает воспринимать растягивающие силы. Этот метод работает до тех пор, пока стальные стержни, которые имеют поверхностные деформации, помогающие им передавать силы от бетона, правильно закреплены.

Рассчитайте прочность на разрыв для максимальной сжимающей нагрузки, достигнутой во время испытания на растяжение с разделением. Для этих испытаний среднее давление составило 388 фунтов на квадратный дюйм со стандартным отклонением 22,2 фунта на квадратный дюйм.

Рассчитайте прочность на разрыв для максимальной сжимающей нагрузки, достигнутой во время испытания балки на растяжение. Для этих тестов среднее давление составило 522,9 фунта на квадратный дюйм. Мы можем сравнить неармированные и железобетонные балки, глядя на их кривые прогиба нагрузки.

Первоначально обе балки шли по схожей траектории с небольшими различиями в начальной жесткости, вероятно, из-за изменений в условиях опоры. Неармированная балка вышла из строя, как только произошло первоначальное растрескивание при нагрузке около 450 фунтов, нагрузке, близкой к прогнозируемой прочности на разрыв. Усиленная балка трескалась при более высокой нагрузке, но быстро восстанавливала свою прочность, хотя и при меньшей общей жесткости. Нагрузка продолжает увеличиваться до тех пор, пока сталь не начнет поддаваться, после чего кривая начинает выравниваться. Поскольку сталь очень пластична и упрочняется при деформации, при больших деформациях происходит разрушение.

Сравнение двух кривых показывает разительную разницу в производительности. Разница в прочности очень большая, но следует отметить, что это связано с площадью используемой стали.

Теперь, когда вы осознаете потребность в стальной арматуре в бетоне, давайте рассмотрим несколько распространенных применений. Использование всего от одного до 1-1,5% стали на площади бетонного сечения может сделать бетонные конструкции экономичными, безопасными и обеспечивающими хорошую эксплуатационную пригодность. Многие футбольные стадионы, такие как Солджер Филд в Чикаго, обязаны своей уникальной формой железобетону.

Фрэнк Ллойд Райт привнес железобетон в мир современной архитектуры. Используя его способность сохранять целостность в неподдерживаемых консолях, Райт использовал этот материал в некоторых из своих величайших работ, в том числе в «Падающей воде в Пенсильвании».

Вы только что посмотрели введение JoVE в испытания на сжатие затвердевшего бетона при растяжении. Теперь вы должны понимать хрупкую природу разрушений бетона при растяжении и знать стандартные лабораторные испытания для определения прочности неармированного и железобетона при растяжении.

Спасибо за просмотр!