Устройство для определения внутренних напряжений и трещиностойкости материалов

Изобретение относится к области испытаний материалов на трещиностойкость при действии структурных и температурных усадочных напряжений и старения. Устройство содержит форму для образца, включающую захваты и боковые пластины, автоматическую систему регистрации напряжений с использованием тензодатчиков и термопар и образец материала. Дополнительно устройство содержит две торцевые пластины, между которыми расположены боковые пластины и захваты. Образец для испытания готовится непосредственно в форме, ограниченной захватами и боковыми пластинами устройства. Захваты выполнены из материала, термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которого в рабочем диапазоне температур больше, чем ТКЛР материала боковых пластин, а их температурные зависимости пропорциональны. Длина захвата 1, его ТКЛР α, длина боковой пластины l₁, ее ТКЛР связаны соотношением: 2·l·α=l₁·α₁. При этом термическое расширение (сужение) захватов полностью компенсирует расширение (сужение) боковых пластин. Этим обеспечивается постоянство длины защемленного в захватах образца при его охлаждении-нагревании, простота и точность определения температурных усадочных напряжений при охлаждении образца и его трещиностойкости от действия этих напряжений или при совместном действии структурных и температурных усадочных напряжений и старения. Технический результат заключается в повышении точности, упрощении конструкции устройства и сокращении продолжительности испытания, расширении функциональных возможностей устройства. 4 ил.

 

Изобретение относится к области испытаний материалов на трещиностойкость при действии структурных и температурных усадочных напряжений и старения.

Известно автоматическое устройство для определения напряжений, деформаций и температур растрескивания материалов УОНДА 1420, позволяющее определять структурные и температурные напряжения и температуру растрескивания защемленного по концам образца [Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. - М.: Химия. - 1990. - 256 с.]. Однако это устройство сложно по конструкции, из-за больших размеров испытуемого образца необходимо его продолжительное термостатирование или медленное охлаждение (нагревание), что обуславливает большую продолжительность испытания. Недостатком известного устройства является также то, что на нем нельзя проводить испытания материалов, например, в виде листов или в пленочном состоянии с сохранением структуры, образовавшейся в них в процессе старения. Образцы для испытаний в известном устройстве изготавливают отдельно, что не позволяет зафиксировать структурные усадочные напряжения, которые возникают в материалах при их изготовлении или старении. Кроме того, использование кварцевого стержня, термический коэффициент линейного расширения которого не равен 0, приводит к получению относительных показателей температурных напряжений и трещиностойкости материалов.

Известно также устройство для измерения термических напряжений в структуре бетона [Заявка на патент US 201049968 А1, кл. G01L 1/22, опубл. 13.12.2001], включающее образец бетона, расположенный в форме, ограниченной захватами и боковыми пластинами, расположенными между захватами. Для имитирования деформаций сжатия в бетоне боковые пластины выполнены из металла, термический коэффициент линейного расширения которого меньше, чем у бетона (инвара), а для имитирования деформаций растяжения в бетоне боковые пластины выполнены из металла, термический коэффициент линейного расширения которого больше, чем у бетона (алюминия). Недостатком известного устройства является получение относительных показателей напряжений в испытуемых образцах в связи с тем, что схема испытаний в устройстве бетона не моделирует реальные условия нагружения материалов, которые имеют место в практике, например бетонные или асфальтобетонные и другие покрытия при полном ограничении деформирования материала при структурной и/или температурной усадке.

Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей устройства вследствие обеспечения испытания материалов по схеме защемленного по концам образца при действии структурных внутренних напряжений, температурных внутренних напряжений и старения - каждого в отдельности или при любом их сочетании.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее образец, захваты и боковые пластины, дополнительно введены две поперечные пластины, между которыми расположены захваты, образец и боковые пластины. Захваты в предлагаемом устройстве выполнены из материала, термический коэффициент линейного расширения которого в рабочем диапазоне температур больше, чем термический коэффициент линейного расширения материала боковых пластин, а их температурные зависимости пропорциональны. При этом длина захвата l, его термический коэффициент линейного расширения α, длина боковой пластины l₁, ее термический коэффициент линейного расширения α₁ связаны соотношением: 2·l·α=l₁·α₁. При этом термическое расширение (сужение) захватов полностью компенсирует расширение (сужение) боковых пластин. Этим обеспечивается постоянство длины защемленного в захватах образца при его охлаждении-нагревании, простота и точность определения температурных усадочных напряжений при охлаждении образца и его трещиностойкости от действия этих напряжений или при совместном действии структурных и температурных усадочных напряжений и/или старения.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. На фиг.2-4 показаны результаты испытаний цементных, бетонных и асфальтобетонных образцов в предложенном устройстве.

Устройство состоит из двух поперечных металлических пластин 1 и расположенных между ними двух боковых металлических пластин 2, которые по торцам связаны болтами 3. Внутри образовавшейся рамы к поперечным пластинам болтами 4 прикреплены два захвата 5. Испытуемый образец 6 по концам закреплен в захватах 5. На поверхности боковых пластин прикреплены тензодатчики 7, соединенные с регистрирующей системой сигналов 8, а на поверхности образца 6 прикреплена термопара 9, соединенная с регистрирующим прибором 10. Сигналы от тензодатчиков и термопар могут регистрироваться на двухкоординатных самописцах или поступать на компактные модульные системы сбора данных с выводом на компьютер.

В примере 1 представлено конструктивное решение предлагаемого устройства.

В качестве материала захватов используют алюминиевый сплав АЛ8, имеющий термический коэффициент линейного расширения α, равный 24,5·10^-6. Длина захвата l принята равной 60 мм.

В качестве материала боковых пластин используют сталь С300, имеющую термический коэффициент линейного расширения α₁, равный 12·10^-6.

Длина боковой пластины l₁, определенная по предложенному соотношению , равна 245 мм. Ширина, толщина и высота захватов, толщина и высота боковых пластин, а также толщина, высота и длина поперечных пластин определяются из конструктивных соображений в зависимости от испытуемых материалов.

Устройство работает следующим образом. К боковым пластинам прикрепляют тензодатчики 7 и подключают к регистрирующей системе 8. Испытуемый образец 6 изготавливают в форме, образованной поперечными и боковыми пластинами и захватами устройства. На поверхности образца крепится термопара 9, связанная с регистрирующим прибором 10. Испытания производятся по следующим схемам:

1. Определение величины внутренних структурных усадочных напряжений и трещиностойкости образцов от этих напряжений. После изготовления или в процессе выдерживания образцов при тех или иных температурно-влажностных режимах записывается величина усилия в боковой пластине Р_с, которое равно усилию в образце. Внутреннее структурное усадочное напряжение в испытываемом образце σ^c _y площадью поперечного сечения F будет равным . Трещиностойкость образца от структурных усадочных напряжений определяется по времени, после истечения которого образец растрескивается, что определяется по падению величины усилия в образце или визуально (фиг.2). На графике показано изменение структурных усадочных напряжений в образцах из водоцементных образцов марки ПЦ 400-Д20 - 1 и марки ПЦ 500-Д0 - 2 в процессе твердения при 20±2°С в камере с влажностью 95±1%, t_p - время твердения образца до растрескивания вследствие структурной усадки.

2. Определение температурных усадочных напряжений и трещиностойкости образцов от действия этих напряжений производится в процессе охлаждения с заданной скоростью прибора с образцом и измерением усилий Р_т с помощью наклеенных тензодатчиков на боковых пластинах, в зависимости от температуры, измеряемой с помощью термопары, наклеенной на образец. Внутреннее температурное усадочное напряжение σ^т _у будет равно: . Температура растрескивания от температурных напряжений образца T_p определяется при охлаждении по температуре, при которой разрушается образец, что фиксируется по падению усилия или визуально (фиг.3). На графике показана зависимость температурных усадочных напряжений σ_у ^т образцов бетона - 1 и асфальтобетона - 2 от температуры охлаждения Т, Т_р - температура растрескивания образца.

3. Определение внутренних напряжений и трещиностойкости образцов материалов при совместном действии структурных и температурных усадочных напряжений и старения производится в процессе выдерживания образцов в приборе при различных температурно-влажностных условиях и охлаждении, моделирующих эксплуатационные или ускоренные режимы старения. При этом замеряются усилия Р, время структурообразования или старения до растрескивания образца или температура растрескивания при охлаждении образца Т_р ^т после истечения какого-то времени структурообразования или старения (фиг.4). На графике показано измерение внутренних усадочных напряжений σ_вн в образцах бетона - 1 и асфальтобетона - 2 в процессе выдерживания при 25°С в течение 20 сут и последующего охлаждения.

Использование устройства для определения внутренних напряжений и трещиностойкости материалов, в котором образец, захваты и боковые пластины расположены между поперечными пластинами и изготовлены из материалов, деформирование которых в рабочем интервале температур компенсирует друг друга, позволяет проводить испытания по идеальной схеме защемленного по концам образца.

Таким образом, применение заявленного устройства позволяет расширить функциональные возможности устройства вследствие обеспечения испытания материалов по схеме защемленного по концам образца при действии структурных внутренних напряжений, температурных внутренних напряжений и старения - каждого в отдельности или при любом их сочетании.

Устройство для определения внутренних напряжений и трещиностойкости образцов материалов при действии усадочных структурных, температурных напряжений и/или старения, содержащее форму, включающую захваты и боковые пластины, автоматическую систему регистрации напряжений с использованием тензодатчиков и температур с использованием термопар, образец материала, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит две торцевые пластины, между которыми расположены боковые пластины и захваты, захваты выполнены из материала, термический коэффициент линейного расширения которого в рабочем диапазоне температур больше, чем термический коэффициент линейного расширения материала боковых пластин, а их температурные зависимости пропорциональны, при этом длина захвата l, его термический коэффициент линейного расширения α, длина боковой пластины l₁, ее термический коэффициент линейного расширения α₁ связаны соотношением 2·l·α=l₁·α₁.