Методика и приборы для исследования деформации бетонов в процессе автоклавной обработки

19.07.2019

Объемные изменения бетона (или его линейные деформации) при тепловлажностной обработке являются достаточно чувствительным и надежным критерием для оценки степени нарушения структуры бетона на различных стадиях. Это положение было доказано ранее при исследованиях деформаций бетонов в процессе пропаривания при атмосферном давлении.

В работах, проводимых в НИИЖБе в последние годы, авторы поставили своей целью изучить характер и кинетику протекания основных физических процессов в плотных и ячеистых бетонах в период запаривания.

Как было отмечено, методика измерения деформаций бетонов в процессе автоклавной обработки до последнего времени практически не была разработана и о деформациях бетона судили по замерам размеров образцов до начала автоклавной обработки и после нее. А.Е. Десов и Л.А. Малинина пользовались при этом оптическим компаратором с базой 400 мм на образцах размером 70х70х420 мм. Первый отсчет производился через 3—4 ч после формирования образцов по рискам на пластинках, утопленных в тело бетона. После охлаждения образцов остаточные деформации фиксировались тем же компаратором.

И.Б. Крикштопайтис измерял деформации запаренных силикатобетонных образцов размером 50х50х200 мм оптическим компаратором ИЗА-2. Начальный отсчет снимался через 16—20 ч после формования, а конечный — спустя 12—18 ч после окончания запаривания.

И.А. Хинт измерял размеры образцов до и после автоклавной обработки при помощи металлической линейки, на которую укладывали отформованный образец. Начальный отсчет производился с помощью микроскопа, после чего образец вместе с линейкой помещали в автоклав. По окончании запаривания тем же микроскопом измеряли размеры образца.

Характерной особенностью всех перечисленных методов явилось применение оптических компараторов, которые оказались не вполне пригодными для изучения деформаций бетонов.

В 1958 г. в НИИЖБ нами были начаты исследования деформаций различных бетонов в процессе автоклавной обработки. Создание надежного и достаточно точного прибора для измерения деформаций явилось при этом задачей первостепенной важности. Первоначально совместно с лабораторией экспериментальных методов исследований ЦНИИСК Госстроя России была предпринята попытка разработки тензометрических датчиков, работающих в условиях температур до 200° С и давления пара до 11 ат. Однако не удалось добиться положительных результатов из-за трудности создания надежной гидроизоляции датчиков и сложности учета влияния температуры на их показания.

Для замера деформаций нами была принята оптико-механическая система, работающая по принципу дилатометра. Первый вариант прибора представлен на рис. 5. Он предназначен для измерения деформаций, возникающих в образцах размером 10x10x30 см, по сечению которых не возникает значительных температурных перепадов.
Методика и приборы для исследования деформации бетонов в процессе автоклавной обработки

Прибор состоит из следующих основных частей: стойки 1, станины 2, неравноплечего рычага 3, опирающегося на призмах передвижного противовеса 4, верхней и нижней шаровых опор 5 и 6, в которых закрепляется исследуемый образец, передвижного стержня 3, выводной герметичной трубки 9 с закрепленным на конце плоским стеклом, выдерживающим давление пара до 26 ат, и оптического микроскопа 10.

Для уменьшения влияния температурного расширения самого прибора на величину линейных деформаций бетонного образца стойка 1, рычаг 3 и стержень 8 сделаны из сплава инвар марки Н-36, коэффициент линейного расширения которого колеблется в интервале температур от 20 до 200° С в пределах от 1,3*10в-6 до 2,2*10в-6. Кроме того, с целью термокомпенсации расширения стойки стальные шаровые опоры 5 и 6 имеют длину, примерно в 4—5 раз меньше длины самой стойки. Так как коэффициент линейного расширения стали примерно в 5 раз выше, чем инвара, то очевидно, что удлинение стойки и опор будет одинаково, и собственные деформации в приборе будут практически отсутствовать.

Для замера линейных деформаций отформованный бетонный образец с анкерующими упорами устанавливают вертикально с таким расчетом, чтобы обеспечить контакт с верхними и нижними шаровыми опорами. После этого вращением передвижного винта нижней шаровой опоры рычаг переводят в горизонтальное положение.

На длинное плечо рычага опирается стержень 8 с нанесенными рисками. Соотношение рабочих плеч рычага может колебаться от 1:20 до 1:30, что обеспечивает увеличение размера измеряемой деформации. Дальнейшее повышение точности отсчета достигается применением микроскопа МИР-1М, с помощью которого через стекло выводной трубки замеряют перемещение стержня с точностью до 0,5 мм. При измерении линейных деформаций на образце длиной 300 мм с соотношением плеч рычагов 1:20 точность отсчета на базе 300 мм на 1 пог. м составит

Рассмотрим возможную нелинейность прибора, т. е. отклонение от прямой пропорциональности в показаниях по прибору и удлинениям образца. Как видно из рис. 6, при увеличении длины образца l0 на величину Al верхняя точка шарнирной опоры В переместится в новое положение В', ось образца BC при этом отклонится от первоначального положения на угол Aw, рычаг 2 повернется соответственно на угол Aф, а точка А сместится в положение А'.

Одновременно при повороте рычага 2 на угол Aф указательный инварный стержень 4 сместится на величину kAx, где Ax — расстояние по вертикали между точками А' и A; k — соотношение между длинами рабочих плеч рычага, равное 20.

При удлинении образца на величину Al будет иметь место вертикальное смещение точки А на величину Ах.

Для вычисления величины Ax и сопоставления ее с Аl воспользуемся следующими геометрическими соотношениями.

Как видно из рис. 6, отношение Аx к OA есть синус угла поворота рычага 2 на Aф, т. е. Ах/ОА = sin Аф. Одновременно из треугольника OBB' следует, что отношение BB' к OB есть также синус угла Аф, и

Для сопоставления между собой величин Ax и Аl воспользуемся полученным соотношением (1), учитывая, что OB и OA соответственно равны 50 и 40 мм, а сторона BB' выражается через Al из треугольника BB'D следующим образом:

где ДВ определяется как разность между проекцией на горизонтальную ось двух сторон OA', А'В и OA.

Отсюда, принимая максимально возможное значение Ax = 2 мм, что соответствует удлинению образца примерно на 7 мм/м, и подставляя sin Aф = и cos Aф = V1—sin2 Аф, получим:

Таким образом, удлинение образца на величину Al = 2,03 мм вызывает вертикальное смещение короткого плеча рычага на величину Ах=2 мм. Разница в величинах Al и Ax составляет 0,03 мм и соответствует отклонению от нелинейности на 1,5%. Очевидно, что нелинейностью прибора в заданном интервале перемещений можно практически пренебречь и считать, что Al = Ax.

Постоянную прибора определяли при помощи стержня из кварцевого стекла, который устанавливали в прибор вместо исследуемого образца. Коэффициент линейного расширения кварцевого стекла составляет, как известно, 5*10в-7 1/°C в интервале температур 20—120°С и 6*10в-7 1/°С в интервале температур 120—420° С.

Тарировали прибор по медному стержню, у которого коэффициент линейного расширения был заранее известен и составлял 16,5*10в-6 1/°С. Отклонение от эталона составляло ±0,15 мм/м. Таким образом, точность работы прибора вполне приемлема для замера деформаций бетонных образцов в процессе автоклавной обработки. С помощью прибора исследовали деформации образцов из ячеистых бетонов при различных режимах автоклавной обработки.

Перед началом опытов образцы выдерживали в лабораторных условиях в течение 18—20 ч, причем температура их при установке в автоклав составляла 18—20° С.

Значительный интерес представляют исследования деформаций бетонов при воздействии автоклавной обработки в раннем возрасте — через 0,5—1 ч после изготовления. Однако, как известно, образцы из ячеистого бетона (и особенно из пенобетона) невозможно освободить от форм через такой короткий промежуток времени после изготовления. С образцами же из плотных тяжелых и легких бетонов при определенной аккуратности эта операция возможна.

В связи с этим в НИИЖБ совместно с Всесоюзным научно-исследовательским институтом физико-технических и радио-технических измерений (ВНИИФТРИ) был создан прибор для измерения деформаций свежеотформованных образцов из плотных бетонов в процессе автоклавной обработки.

Общий вид прибора представлен на рис. 7, а его принципиальная схема дана на рис. 8. Прибор устроен следующим образом. Металлическая рама приваривается к стенкам лабораторного автоклава. Элементы металлической рамы расположены таким образом, что в ней «утапливается» нижняя часть кварцевого каркаса.

Каркас, изготовленный из кварцевых стержней диаметром 10—12 мм, применен для того, чтобы создать малоизменяемую от воздействия температуры базу прибора в автоклаве. Каркас крепится к раме при помощи специальных скоб, причем между кварцем и металлом имеется прослойка из асбеста и слюды, позволяющая раме и каркасу деформироваться при нагревании независимо друг от друга. В прибор устанавливается некорродирующая плита-поддон с расположенным на ней образцом.

Плита-поддон снабжена четырьмя инваровыми направляющими стойками, в которых перемещаются кварцевые толкатели. На кварцевом каркасе жестко укреплены два шарнира; на них вращаются два кварцевых рычага, имеющих соотношение плеч примерно 1:6. Две стабилизирующие пружины не позволяют указанным шарнирам смещаться вдоль оси и нарушать установленное равновесие в системе. В нижний конец рычага свободно входит кварцевый толкатель. Верхний конец этого рычага выполнен в виде специального шарнира, позволяющего передающему кварцевому стержню совершать поступательно-вращательные движения относительно рычага. Грузы, прижимая через рычаг толкатель к образцу, служат для возврата рычага в первоначальное положение, а также позволяют прибору замерять не только расширение образца, но и его усадку.

Передающие стержни помещены в металлических трубках, заканчивающихся смотровыми рамками, которые состоят из двух обычных водомерных стекол, соединенных тремя металлическими пластинами таким образом, что внутри рамки создается герметически замкнутое пространство. В замкнутое пространство смотровой рамки входит кварцевый стержень, имеющий на конце инваровую пружину со стрелами, которые скользят по имеющимся в стеклах пазам. Перемещения стержня фиксирует микроскоп МИР-1М в проходящем свете от универсального лабораторного осветителя. В фокальной плоскости микроскопа расположена стеклянная пластинка с микрометрической шкалой.

Образец размером 12x12х28 см с заранее вставленными торцевыми латунными пластинками изготовляется в специальной форме на плите-поддоне. После удаления бортовой оснастки образец вместе с плитой по направляющим вводится в прибор. Опущенные в момент установки рычаги 5 (см. рис. 8) плавно разводятся до тех пор, пока толкатели 4 не займут рабочего положения. После этого образец считается установленным в исходное положение, и по микрометрической шкале микроскопа снимают начальный отсчет. В процессе автоклавной обработки деформации образца толкателями 4 передаются нижним плечам рычагов 5 и увеличиваются ими примерно в 6 раз на верхних плечах. Рычаги, преодолевая сопротивление прижимных грузов, перемещают передающие стержни 6 и соответственно передвигают стрелки, свободно скользящие в пазах водомерных стекол. Эти перемещения фиксируют два микроскопа.

Замер деформаций с двух противоположных сторон позволяет добиться достаточно высокой точности эксперимента, а горизонтальное расположение образца в приборе дает возможность вести наблюдения за деформациями бетонных образцов, запаренных в раннем возрасте (через 0,5—1 ч после изготовления). Благодаря двум водомерным стеклам, вставленным в обойму, снятие показаний в проходящем свете производится достаточно просто. Стрелка передающего стержня и система отсчета не зависят от теплового расширения самого автоклава при нагревании, так как микроскоп установлен на подставке, расположенной независимо от автоклава, а передающие стержни свободно скользят по поверхности стекла.

Перед началом эксплуатации прибора была определена цена деления левого и правого микроскопов (левой и правой систем отсчета). С этой целью вместо образца на плиту-поддон с помощью струбцины устанавливали горизонтальный микрометр с ценой делений 0,01 мм. Перемещения штока микрометра через каждые 200 мк фиксировали в обоих микроскопах. Эти измерения позволили построить градуировочный график прибора. Чувствительность прибора составляла 0,010—0,015 мм.

Определение постоянной прибора производилось при помощи кварцевого стержня длиной 458 мм, помещенного в направляющих инваровых стойках между нижними концами рычагов. Деформации кварцевого стержня, а также кварцевых деталей прибора, выявленные на этом этапе работы, характеризовали собственный ход прибора при нагревании. Это определение было произведено при режиме автоклавной обработки 1+0,5+1 ч при 9 ат и проверено при других более продолжительных режимах.

С повышением температуры ход прибора изменялся почти линейно, при этом максимальная величина его при 174° С составляла на левом микроскопе — 2 деления, а на правом +6. С уменьшением температуры до исходной показания левой и правой систем отсчета возвращались к первоначальным.

Тарировка прибора по эталону из меди производилась также на стержне длиной 458 мм, причем коэффициент линейного расширения его, равный 16,5*10в-6, был предварительно определен во ВНИИФТРИ на высокочувствительном дилатометре. Определение цены деления микроскопов, чувствительности прибора, постоянной по кварцу, и тарировка по меди производились, как правило, каждые два месяца. Ниже приводится одно из определений ошибки прибора по меди.

С помощью данного прибора были изучены деформации плотных тяжелых и легких бетонов в процессе автоклавной обработки. Воспроизводимость результатов опытов была вполне удовлетворительной.

Одновременно с исследованием деформаций определяли прочность образцов. Для этого вместе с образцом 12х12х28 см в автоклав помещали шесть — девять образцов-кубов размером 10х10х10 см, из которых три запаривались в формах, закрытых резиновыми пластинками с пригрузами, а остальные без форм.

Через сутки после автоклавной обработки кубы испытывали на сжатие. Кроме того, перед запариванием на трех таких кубах определяли начальную прочность бетона (за исключением тех случаев, когда из-за небольшой предварительной выдержки не удавалось определить прочность на прессе).

При формовании образцов на поддоне и по боковым граням прокладывали кальку. Это позволяло быстро производить распалубку свежеотформованных изделий, не нарушая структуры материала.

Как показали исследования, созданный прибор позволил с достаточной точностью и надежностью установить характер кривых деформаций бетонов в процессе автоклавной обработки.

Второй вариант прибора первого типа (авторское свидетельство № 161138) изображен на рис. 9 и предназначен для исследований деформаций в крупных образцах с учетом температурных перепадов, возникающих по сечению изделий.

Он состоит из следующих основных частей: неравноплечего рычага 1 с закрепленным на нем держателем призмы 2, передвижного противовеса 3, опорной призмы 4, опорной передвижной каретки 5, упора 6, направляющих стержней 7, 8, 9, кронштейнов для закрепления приборов 10, закладных анкеров 11, стержня-указателя 12 с делением, выводной герметичной трубки с закрепленным на конце плоским стеклом 13, выдерживающим высокое давление пара, и микроскопа 14.

Чтобы исключить влияние температурного расширения металла на показания деформаций бетона, направляющие стержни 7, 8, 9 и стержень-указатель 12 изготовлены из сплава инвар Н-36, коэффициент линейного расширения которого в интервале температур от 20 до 200° С составляет 1,3-2,2*10в-6 1/°С.

Линейные деформации горизонтальных образцов в процессе автоклавной обработки измеряют следующим образом. Во время формования образца на базе 500 мм закладывают на всю толщину анкерующие элементы с таким расчетом, чтобы между дном формы и закладным элементом был слой бетона толщиной 5—10 мм. На закладных анкерах 11 с помощью кронштейнов закрепляют прибор. При изменении расстояния между анкерами вследствие деформации бетона стержни 7, 9 и 8 перемещаются друг относительно друга. Каждый из них одним концом жестко прикреплен к кронштейну 10, а другой конец может свободно перемещаться. Через упор 6 деформации передаются на держатель призмы 2, что влечет за собой поворот рычага 1, а следовательно, и перемещение стержня-указателя 12.

Через стекло выводной трубки это перемещение фиксируется с помощью микроскопа МИР-1М с точностью до 0,5 мм. При измерении линейных деформаций на базе 500 мм с соотношением плеч 1:30 точность отсчета составит

Для оценки точности работы прибора его тарировали в автоклаве, в котором давление пара поднималось до 9 ат.

Тарировка прибора осуществлялась следующим образом. Между кронштейнами 10 взамен исследуемого образца устанавливали два одинаковых медных стержня диаметром 20 мм и длиной 430 мм. Коэффициент линейного расширения меди был заранее определен и составлял 16,5*10в-6 1°/С. Стержни имели резьбу и с помощью винтов жестко соединялись с кронштейнами 10. Прибор с закрепленными медными стержнями устанавливали в автоклаве так, что один конец его был неподвижен, а другой мог свободно перемещаться при расширении медных стержней. Создание подвижной опоры в приборе достигалось путем применения цилиндрического катка в качестве одной из опор.

Замеренные при помощи прибора деформации медных стержней совпадают с расчетными температурными деформациями. Отклонения в расширении медного стержня от расчетных значений составляют не более ±0,1 мм/м.

При помощи указанного прибора определяли деформации на образцах размером 700х500х200 и 700х500х300 мм, в которых температурные перепады по сечению имеют примерно те же значения, что и в натурных изделиях. Одновременно для определения остаточных деформаций переносной мессурой замеряли длину опытного образца на базе 500 мм до начала запаривания и после него.

Деформации газобетонных образцов размером 700х500х200 мм определяли при двух режимах запаривания.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна