С. М. ЧИЛИКОВ, В. Г. КИРПИЧНИКОВ (Научно - исследовательский и конструкторский центр испытательных машин, г. Армавир), О метрологическом обеспечении механических испытаний бетонов в лабораторных условиях
По известным причинам технологическое оборудование и средства контроля качества выпускаемой продукции на российских предприятиях, в том числе и стройиндустрии, в последние годы практически не обновлялись. Лаборатории механических испытаний предприятий и НИИ оснащены на 80 и более процентов испытательной техникой, выпущенной 25-50 лет назад. К числу таких машин относятся прессы типов 2ПГ, ПСУ и П, предназначенные в основном для испытания бетонов по ГОСТ 10180. Эти машины оснащены механическими силоизмерителями и ручными устройствами управления нагружением образцов.
Указанные типы прессов имеют существенные недостатки, не позволяющие проводить испытания в соответствии с ГОСТ 10180, регламентирующим требования к методам определения прочности бетонов по контрольным образцам и не соответствуют требованиям ГОСТ 28840 на машины для испытания на сжатие.
Известно, что к числу факторов, определяющих достоверность результатов испытаний, относятся: точность измерения нагрузки, точность задания и поддержания заданной скорости нагружения,обеспечение равномерности распределения напряжений по сечению образца, возможность субъективного влияния оператора на результаты испытаний, соответствие требованиям НТД на методы испытаний.
Рассмотрим, насколько достоверными можно считать результаты испытаний, полученные на данных типах прессов.
Точность измерения нагрузки на старых прессах характеризуется погрешностью, составляющей ± 2%, что вдвое хуже, чем у последующих моделей прессов МС и ИП. Кроме того, старые прессы имеют узкий диапазон измерений нагрузки, в котором гарантируется установленная точность ее измерения.
Из всех перечисленных факторов, влияющих на достоверность, точность измерения нагрузки является единственным показателем, который контролируется органами Госнадзора, но, как будет показано далее, точность измерения нагрузки не является решающим условием получения достоверных результатов испытаний бетонов.
Известно, что характеристики механических свойств материалов существенно зависят от скорости нагружения. Прессы 2ПГ, ПСУ, П оснащены простейшими устройствами для регулирования скорости нагружения образцов, каких - либо измерителей или индикаторов скорости нагружения на этих прессах нет. Поэтому воспроизвести режим нагружения образца в соответствии с требованиями ГОСТ 10180 практически невозможно. Тем более невозможно обеспечить повторяемость воспроизведения скорости нагружения для партии образцов.
Низкая продольная жесткость силовой рамы нагружающих устройств прессов старых моделей вносит существенные погрешности в результаты испытаний в связи с тем, что потенциальная энергия, накопленная рамой, оказывает значительное влияние на процесс разрушения образца. Особенно это проявляется на прессах с предельной нагрузкой 100 и 500 кН, где продольная жесткость рамы определяется силовой цепью с последовательно соединенными установочным винтом, на котором закреплена ведущая плита, и двумя колоннами.
Возможность субъективного влияния лаборанта на результаты испытаний практически неограниченна и имеется на всех этапах процесса испытания. Во-первых, при установке образцов, когда не обеспечивается совпадение осей образца и силовой рамы; во-вторых, при задании и поддержании заданных режимов нагружения; в-третьих, при считывании показаний отсчетного устройства шкалы нагрузок; в-четвертых, при вычислении характеристик.
Субъективному влиянию на результаты испытаний способствует и то обстоятельство, что данные прессы изначально предназначались для испытания не только бетонов, но и кирпича, асфальтобетона, цемента и других строительных материалов. Отсутствие функциональной специализации нагружающих, управляющих и измерительных систем устаревших моделей прессов практически не позволяет выполнять нормативные требования на методы испытаний, имеющие существенные различия для разных материалов. Однако наибольшее влияние на результаты испытаний оказывает степень равномерности распределения напряжений по сечению образца при приложении испытательной нагрузки.
На прессах 2ПГ, ПСУ и П, имеющих практически идентичную конструкцию нагружающего устройства, степень неравномерности распределения напряжений на испытываемом образце достигает значительной величины. Об этом свидетельствуют результаты специальных испытаний прессов П-10, П-50.Л- 125, П-250 и П-500, проведенные нами совместно со специалистами ЦНИИСК. Испытания проводили с помощью набора приспособлений, состоящих из двух металлических (алюминиевых или стальных) пластин квадратной формы с размерами сторон, равными размерам образцов, и расположенным между ними сепаратором, имеющим отверстия, равномерно распределенные по его площади, для размещения в них калиброванных стальных шариков.
Равномерность распределения напряжений оценивали по глубине отпечатка шарика в условиях строго центральной установки приспособления и при нарушении центричности на величину, соответствующую возможной ошибке оператора при установке образца (до 4 мм). Даже при центральной установке приспособления на прессах некоторых типоразмеров наблюдалась значительная неравномерность распределения нагрузки (до 30%). При смещении приспособления относительно центральной оси пресса в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через оси колонны, неравномерность достигала 50%. Значительная неравномерность распределения нагрузки объясняется рядом недостатков силовой рамы прессов указанных типов.
Элементы силовой рамы — основание, траверса, колонны, а на прессах с предельной нагрузкой 100 и 500кН и установочный винт не образуют жесткую силовую конструкцию. Это обусловлено недостатками конструкции соединения этих элементов между собой. В процессе нагружения образцов в такой раме не обеспечивается постоянство совмещения геометрических осей силовой рамы и образца. Взаимное расположение осей может изменяться, при этом происходит перераспределение напряжений по сечению образца.
Значительное влияние на результаты испытаний оказывает толщина опорных плит, передающих нагрузку на образец. Прессы 2ПГ, ПСУ, П имеет недостаточную толщину плит, ввиду этого нагруженные плиты изгибаются, что приводит к неравномерному распределению нагрузки. Кроме того, плиты состоят из двух частей, одна из которых (наружная) имеет необходимую твердость для обеспечения износостойкости. Однако эта плита имеет относительно небольшую толщину, а сопряжение плит не всегда обеспечивается с требуемой точностью, и поэтому наружные плиты прогибаются, не обеспечивая равномерное нагружение образца по сечению. По данным зарубежным исследователей, желательно, чтобы толщина плит составляла 80% длины стороны образца. Исследования, проведенные на прессах типа П с помощью приспособления и методики, описанных выше, также показали влияние податливости плит на равномерность распределения нагрузки.
Другой причиной существенной неравномерности нагружения образцов является несовершенство конструкции шарнирного узла верхней опорной плиты прессов указанных типов. Значительное трение в сопряжении сферических поверхностей, неравномерное прилегание поверхностей и другие недостатки не обеспечивают самоустановку плиты для обеспечения полного прилегания рабочей ее поверхности к плоскости образца и фиксирование ее в этом положении в процессе нагружения образца.
Вследствие влияния указанных недостатков на результаты исследований, проведенных специалистами фирмы “Цвик", ошибка при определении предела прочности может доходить до 20%, что на порядок больше, чем от погрешности измерения силы.
Вопрос “О техническом состоянии парка машин для механических испытаний строительных материалов и металлов" рассматривался на заседании Научно-технической комиссии по метрологии и измерительной технике Госстандарта России (протокол № 20 от 13,12.94г.). На этом заседании потребителям рекомендовано произвести в течение 1995-1997 годов замену машин ГСМ, П, ПСУ, ГРМ, УММ и Р на более совершенные.
На многих предприятиях стройиндустрии эти рекомендации не выполнены. В результате механические испытания бетонов проводятся с нарушением государственных стандартов, не обеспечивается получение достоверных результатов испытаний, что ведет к значительным экономическим потерям.
В настоящее время отечественной промышленностью освоено в производстве новое поколение машин типа "МИС" для испытания на сжатие бетонов на предельные нагрузки 100, 500, 1000, 2000 кН. Новые машины отличаются от ранее выпускаемых специализацией по назначению, оснащены автоматизированными компьютерными системами измерения и управления, могут представлять результаты испытаний в виде протокола и графически отображать процесс нагружения. Конструкция нагружающего устройства обеспечивает высокую степень равномерности распределения нагрузки по сечению образца. На этих прессах практически исключено субъективное влияние оператора на результаты испытания.
Бетон и железобетон, 2003 №4