Про достовірності результатів механічних випробувань будівельних матеріалів, отриманих на застарілих моделях випробувальної техніки
В ряді причин техногенних катастроф, руйнувань будівель і споруд, в тому числі і під час будівництва, стоять ігнорування механічних випробувань в будівництві або некваліфіковане їх проведення на застарілому випробувальному обладнанні. З відомих причин технологічне обладнання та засоби контролю якості продукції на російських підприємствах, в тому числі і будіндустрії, в останні роки практично не оновлювалися і їх вік в декілька разів перевищує нормативні терміни служби. До числа таких відносяться розривні машини типу ДМС, ГРМ, УММ, Р, МР (виробництво "Точмашприбор", р. Армавір), ЦД, ЦДМ, ЭДЦ (виробництво WPM, Німеччина) та випробувальні преси типів 2ПГ, СОБАЦІ, П, МС (виробництво "Точмашприбор", р. Армавір). Це випробувальне обладнання оснащене механічними силоизмерителями і ручними системами управління навантаженням. При застосуванні зазначених типів випробувальних машин не представляється можливим отримати достовірні результати випробувань у відповідності з сучасними вимогами.
Відомо, що до числа факторів, які визначають достовірність результатів випробувань, відносяться: точність вимірювання і реєстрації навантаження, деформацій і переміщень, точність відтворення заданих режимів навантаження (зокрема, швидкості зростання навантаження або деформації), ступінь центричности прикладання навантаження до зразком, можливість суб'єктивного впливу оператора на результати випробувань, ступінь відповідності вимогам НТД на методи і засоби випробувань.
Точність вимірювання навантаження для всіх типів розривних машин характеризується допустимої похибкою, яка не перевищує ±1%. Однак ця точність на розривних машинах з інерційним маятниковим силоизмерителем (ГМС, ГРМ, УММ) може бути забезпечена в діапазоні низьких швидкостей навантаження. Похибка вимірювання навантаження випробувальних пресів типу ПСОВІ, 2ПГ, П складає ±2% і перевищує давно досягнуту на сучасних моделях випробувального обладнання величину (±1%).
Точність вимірювання навантаження випробувальною машиною - це єдиний показник, який періодично контролюється територіальними центрами стандартизації та метрології Держстандарту РФ. Але, як буде показано далі, точність вимірювання навантаження не є достатньою умовою отримання достовірних результатів випробувань. Ваговимірювальні пристрої застарілих моделей розривних машин і пресів мають відносно вузький діапазон вимірювання, в якому гарантується задана точність вимірювання навантажень. Вимірювання переміщення активного захоплення на випробувальних машинах ДМС, ГРМ, УММ, Р виробляється за допомогою лінійки, закріпленої на колоні, а реєстрація - на механічному самописці. Виміряна і зареєстрована на самописці величина переміщення активного захоплення на цих випробувальних машинах значно відрізняється від дійсного подовження зразка через конструкції клинових захоплень, в яких затискні елементи переміщуються відносно корпусу у вертикальному напрямку зважаючи сплющивания хвостових частин зразка і розкриття зіву внаслідок деформації корпусу клинових захоплень. При цьому похибка визначення видовження зразка з переміщення захоплення може досягати до 20 і більше відсотків, в залежності від довжини робочої частини зразка.
Як самописних приладів на випробувальних машинах ДМС, ГРМ, УММ, Р і МР використовуються механічні самописці, які мають низьку точність запису, малі масштаби запису переміщень, ручне управління. Вони ненадійні і незручні в роботі і обслуговуванні із-за необхідності частої заправки пишучого пристрою чорнилом. Ці випробувальні машини не оснащені тензометрами для вимірювання деформації зразка на певній базі. Випробувальні машини ГРМ, ДМС, УММ, Р і випробувальні преси 2 ПГ, СОБАЦІ, П оснащені примітивними пристроями для регулювання швидкості навантаження. Яких-небудь вимірників або індикаторів швидкості навантаження або швидкості переміщення на даних випробувальних машинах немає. Тому відтворити режим навантаження зразка у відповідності з вимогами стандартів на методи випробувань будівельних матеріалів практично неможливо.
За ступенем впливу на достовірність результатів механічних випробувань центричність прикладання навантаження і рівномірність розподілу напружень по перерізу зразка є переважаючими факторами по відношенню до перерахованим вище. Дослідження, проведені автором спільно з фахівцями Інституту проблем міцності та Інституту проблем матеріалознавства АН України, на розривних машинах як вітчизняного, так і зарубіжного виробництва колишніх років випуску, показали, що додаткові напруження від нецентрального додатка навантаження у точці, що становить 10% від найбільшої навантаження, можуть складати від 20 до 90 і більше відсотків від зусилля розтягування.
При випуску з виробництва і в процесі експлуатації цей показник не контролювався. В результаті при випробуваннях на цих випробувальних машинах отримують занижені характеристики механічних властивостей. На випробувальних пресах 2ПГ, СОБАЦІ, П, мають практично однакову конструкцію навантажувального пристрою, не забезпечується рівномірний додаток навантаження по перетину зразка, наприклад, бетонного кубика.
Про це свідчать результати випробувань пресів типу П на рівномірність прикладання навантаження до зразком, проведені автором спільно зі спеціалістами ЦНДІБК. Рівномірність розподілу навантаження оцінювалася за глибиною відбитка кульки в умовах суворо центральної установки пристосування і при зміщеною на величину, відповідну можливої помилки оператора при установці зразка (до 4 мм). Випробування проводилися на пресах П-10, П-50, П-125, П-250 і П-500. Значна нерівномірність розподілу навантаження (до 30%) спостерігалася при центральній установці пристосування і ще більша (до 50%) при зсуві.
Це пояснюється недоліками конструкції навантажувального пристрою. Елементи рами: основа, траверса і колони не утворюють жорстку конструкцію, на пресах П-10, П-50 верхня плита закріплена на гвинті, з допомогою якого регулюється висота робочого простору, і який сполучається з гайкою в траверсі з великим зазором, і має можливість зміщуватися відносно нижньої плити у горизонтальному напрямку в процесі навантаження. Кріплення колони на підставі і траверсе не є жорстким, так як після деякого числа навантаг зусилля натягу гайок, створене вручну, зменшується до нуля. Опорні плити мають недостатню товщину. Крім того, вони складаються з двох частин, одна з яких (зовнішня) має необхідну твердість для забезпечення зносостійкості - Однак ця плита має відносно невелику товщину, а пару плит не завжди забезпечується з необхідною точністю і тому зовнішні плити прогинаються, не забезпечуючи рівномірне навантаження зразка по перерізу.
Іншою причиною нерівномірності розподілу напруг на зразку є недосконалість конструкції шарніра верхньої плити. Одним з недоліків шарнірного вузла є нерівномірність прилеглих сполучених поверхонь або недостатня площа сполучення. Крім того, можлива неспіввісність нижній і верхній плит. Зазначені типи пресів не оснащені пристроями для центрування зразків при їх установці.
Перераховані причини нерівномірності навантаження зразків можливі і мають місце у зв'язку з тим, що при випуску з виробництва застарілих моделей випробувальної техніки і в процесі їх експлуатації не контролювалися показники, що визначають центричність прикладання навантаження, з-за того, що вони не унормовані в ТУ і в іншій документації на ці випробувальні машини. Внаслідок зазначених недоліків за результатами досліджень, проведених фірмою "Цвік" (Німеччина), помилка при визначенні межі міцності бетону може доходити до 20%.
Відомо, що характеристики механічних властивостей матеріалів, одержуваних на випробувальних машинах, істотно залежать від швидкості навантаження. На випробувальних машинах застарілих моделей регулювання швидкостей навантаження здійснюється вручну, без можливості контролю. При цьому встановлена нормативними документами швидкість навантаження (деформування) не може бути задана і відтворена на цих випробувальних машинах з необхідною точністю. Низька поздовжня жорсткість силової рами навантажувальних пристроїв випробувальних пресів, особливо на граничні навантаження 100 і 500 кН, вносить суттєві похибки в результати випробувань у зв'язку з тим, що потенційна енергія, накопичена рамою, чинить значний вплив на процес руйнування зразка.
Зазначені типи випробувальних машин використовуються для випробування широкої номенклатури будівельних матеріалів, наприклад, випробувальні машини стиснення використовуються для випробування бетонів, цегли, цементу, асфальтобетону. Однак вимоги до методів випробувань різних матеріалів і випробувального обладнання, регламентовані стандартами, істотно відрізняються. Відсутність функціональної спеціалізації навантажувальних, керуючих та вимірювальних систем застарілих моделей випробувального практично не дозволяє виконати вимоги НТД на методи випробувань конкретних матеріалів.
Можливість суб'єктивного впливу лаборанта на результати випробувань при роботі на старих випробувальних машинах мається на всіх етапах процесу випробування. По-перше, при встановленні і підтриманні режимів навантаження вручну, по-друге, при знятті показань шкали відлікового пристрою навантажень в результаті помилки, по-третє, при обробці реєстрованих діаграм і обчисленні характеристик, по-четверте, при установці зразків, коли не забезпечується збіг осей зразка і силової рами.
Якщо до 1995 року у споживачів випробувальної техніки не було можливості придбати російську випробувальну техніку необхідного технічного рівня, то після активізації роботи науково-виробничої асоціації НИКЦИМ і ФГУП "Точмашприбор" (р. Армавір) щодо створення випробувальних машин нового покоління ситуація значно змінилася.
Порівняно з розривними машинами ДМС, ЦДМ, Р нові розривні машини оснащені захопленнями, що забезпечують примусовий надійний затиск зразків, що виключає прослизання. Виключено вертикальне переміщення затискних елементів (губок), пов'язане з поперечною деформацією корпуса захоплення і зажимаемой частини зразка. Значну увагу при випуску розривних машин приділяється забезпеченню контролю одновісного напруженого стану навантажуємо зразків. Для випробування зразків з головками розривні машини комплектуються спеціальними захопленнями з чутливими шарнірними пристроями, що забезпечують високу ступінь центричности прикладеної розривною машиною навантаження, що особливо важливо при випробуванні тендітних зразків. На нових розривних машинах типу МІРІ, СВІТ забезпечено управління по навантаженню, переміщення та вимірювання навантаження, переміщення і деформації (на базі 25,50 і 100).
Питання "Про технічний стан парку машин для механічних випробувань будівельних матеріалів і металів" розглядався на засіданні Науково-технічної комісії з метрології та вимірювальної техніки Держстандарту Росії (протокол № 20 від 13.12.94 р.). На цьому засіданні було рекомендовано споживачам здійснити протягом 1995-1997 років заміну машин ДМС, П, СОБАЦІ, ГРМ, УММ і Р на більш досконалі. На переважній більшості підприємств ці рекомендації не виконані. В результаті механічні випробування проводяться на застарілому обладнанні з порушенням державних стандартів, не забезпечується одержання достовірних результатів і принцип єдності вимірювань.
За последние годы разработаны и освоены в производстве специализированные испытательные машины, предназначенные для проведения испытаний определённых материалов и изделий, в соответствии с требованиями отечественных и зарубежных стандартов. Новые испытательные машины отличаются от ранее выпускаемых специализацией по назначению, оснащением микропроцессорными автоматизированными компьютерными системами измерения и управления, представлением результатов испытаний в виде протокола и графического изображения зависимостей. Практически исключено субъективное влияние оператора на результаты испытаний.
Современные испытательные машины, в отличие от прежних, имеют модификации в зависимости от назначения: для испытания бетона, для испытания цемента, для испытания кирпича, для испытания асфальтобетона и т.д. Модификации испытательной машины могут отличаться комплектом приспособлений и программным обеспечением, а также конструкцией нагружающего устройства и размерами рабочего пространства. Разрывные машины могут комплектоваться дополнительным нагружающим устройством для испытания на сжатие и изгиб. При этом обеспечивается переход с одного вида испытаний на другой без переналадки.
Нагружающие устройства машин сжатия типа МИС, выпускаемые взамен всех предшествующих моделей прессов, имеют жесткую в продольном и поперечном направлении силовую раму, монолитные опорные плиты значительной толщины и чувствительную сферическую верхнюю опору, обеспечивающую сопряжение рабочей поверхности плиты с образцом в начале нагружения и замыкание в этом положении при дальнейшем нагружении образца. Машины обеспечивают проведение испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ, DIN, EN и АSТМ в части методов испытаний.
Застосування випробувальних машин нового покоління в лабораторіях НДІ та підприємств будіндустрії дозволить отримати достовірні результати випробувань і в кінцевому підсумку забезпечити безпеку життєдіяльності людини в середовищі проживання.
Джерело: НИКЦИМ Точмашприбор
С. М. Чиликов, ген. директор НИКЦИМ Точмашприбор, чл.-корр. РІА
