Революция в автоматизации: Машины для испытания бетона на сжатие

К началу 1900-х годов, когда были стандартизированы многие методы испытания бетона на прочность, стало ясно, что наиболее информативным методом оценки прочности бетона является испытание на сжатие, обычно проводимое на образцах в форме куба или цилиндра. Для бетонных элементов, подверженных изгибающим нагрузкам, специальные приспособления позволили адаптировать машины для испытания на сжатие (прессы) к испытаниям прямоугольных балок на изгиб с целью определения предела прочности при изгибе (модуля разрушения).

До того, как гидравлические системы стали достаточно совершенными для точного контроля приложения нагрузки, скорость нагружения регулировалась вручную с помощью секундомеров. Точность фиксации пиковой нагрузки зависела от умения считывать показания стрелки циферблатного индикатора в момент её остановки и небольшой вибрации перед падением при разрушении образца.

Максимальные показания вручную записывались карандашом на планшете. Результаты испытаний на прочность рассчитывались вручную, находились по диаграммам или вычислялись с помощью логарифмической линейки, а затем заносились в лабораторный журнал. Ежедневные отчеты об испытаниях печатались на машинке в канцелярии и отправлялись дневной почтой. Клиент мог ознакомиться с ними лишь через два-три дня.

Испытание бетонного цилиндра на сжатие или бетонной балки на изгиб до разрушения — это простые по своей сути тесты. Однако каждый этап этого монотонного процесса должен выполняться корректно для получения точных результатов. Эта работа часто поручается неопытным лаборантам с различным уровнем мотивации. Чем больше образцов, тем более монотонным и скучным становится для них ежедневный процесс. Нетрудно представить, как это может привести к искажению результатов испытаний.

Внедрение электронных (цифровых) систем испытаний значительно сократило ошибки регистрации данных и упростило процесс составления отчетов. Однако стандартные блоки управления не решили проблему колебаний точности и воспроизводимости результатов, вызванных ручным контролем процесса нагружения и его скорости, а также расхождениями в работе разных операторов.

Проблемы ручного управления испытаниями

Типичное испытание бетонного цилиндра на прочность при сжатии занимает всего несколько минут, но значительная часть этого времени уходит на наблюдение за работой пресса и ручное управление процессом испытания.

Методика испытаний допускает приложение первой половины предполагаемой пиковой нагрузки с повышенной скоростью, после чего испытание завершается с заданной скоростью. Таким образом, оператор следит за начальным нагружением до достижения, по его оценке, половины пикового значения, а затем вручную задействует гидравлическую систему регулирования пресса для оставшейся части испытания.

Плавный и стабильный переход от начальной к конечной скорости нагружения обеспечивает постоянную точность и воспроизводимость результатов. Если для получения итогового результата усредняются показатели двух или более образцов, переход должен происходить при одинаковом значении нагрузки, чтобы обеспечить минимальные отклонения в регистрируемой прочности. Однако даже один и тот же оператор не всегда осуществляет этот переход в строго определенный момент. Поскольку допуски разрешают некоторый диапазон скоростей нагружения, разные операторы или лаборатории могут формально работать в рамках требований методики испытаний, но при этом получать несопоставимые результаты.

Затем лаборант должен контролировать заключительный этап испытания, чтобы зафиксировать пиковую нагрузку перед разрушением. Если оператор немного замешкается со сбросом нагрузки, образец может разлететься на осколки, что создает риск травмирования или, как минимум, приводит к необходимости уборки.

Существуют и другие проблемы, связанные с зависимостью от реакции человека при регулировании сложных последовательностей испытаний. Нагрузка должна прилагаться плавно, без толчков. Необходимо постоянно следить за датчиками нагрузки на случай неожиданного разрушения образца. Значения нагрузки должны быть точно считаны и записаны вручную. При считывании показаний аналоговых циферблатных индикаторов оператор должен помнить об эффекте параллакса.

Стратегии повышения точности и эффективности

Исследования показывают, что конечная скорость нагружения, превышающая указанный диапазон 0,24 ±0,05 МПа/с (35 ±7 фунтов на квадратный дюйм в секунду), приводит к завышению показателей прочности в среднем на 2,2%. Так, фактическая прочность бетонного цилиндра, показавшего при испытании результат 34,5 МПа (5000 фунтов на квадратный дюйм), может составлять 33,7 МПа (4890 фунтов на квадратный дюйм) или даже ниже, если скорость нагружения чрезмерно высока. И наоборот, скорости ниже указанных приведут к искусственно заниженным результатам испытаний. Более того, если к бетонному цилиндру приложить и длительно поддерживать нагрузку, составляющую около 75% от его предела прочности, он в конечном итоге разрушится.

Многие лаборанты ежедневно проводят испытания бетона на прочность в лабораториях строительных материалов и успешно получают результаты в пределах допустимых отклонений. Но могут ли эти испытания быть более точными и воспроизводимыми? Могут ли операторы испытывать больше образцов за меньшее время? В загруженной лаборатории с большим количеством образцов один или два лаборанта могут потратить несколько часов только на испытание бетонных цилиндров. Очевидно, что несколько минут, потраченных на подготовку следующего образца к испытанию или внесение записей по предыдущему испытанию вместо непрерывного наблюдения за манометром, позволили бы сэкономить значительное количество времени.

Как отмечалось в предыдущей статье блога Gilson «Испытание бетонных цилиндров — от стройплощадки до лаборатории», точность и значимость результатов испытаний образцов бетона на прочность зависят от соблюдения стандартных практик отбора проб и формования, начального и окончательного твердения, а также обращения с образцами. Правильно выполненное лабораторное испытание — это заключительный этап получения ценных данных, отражающих качество материала.

Соблюдение методик испытаний ASTM и AASHTO при испытании бетонных образцов на прочность при сжатии, изгибе, растяжении или при определении их упругих свойств обеспечивает достаточно точные результаты. Многие ограничения, касающиеся приложения и контроля скоростей нагружения, а также определения пиковых нагрузок, зависят от действий, наблюдения и оценки со стороны человека. Допуски, установленные стандартизированными методиками испытаний, должны учитывать разнообразие существующих на рынке прессов, включая те, чьи механизмы и системы управления могут медленно реагировать на команды и быть сложными в регулировке.

Автоматизированное управление: повышение точности

Автоматические прессы для испытания бетона на сжатие оснащены системами управления, которые регулируют процесс нагружения, его скорость и момент фиксации разрушения, что приводит к повышению точности, воспроизводимости результатов и экономии времени. Оператор выбирает из меню необходимую методику испытаний ASTM/AASHTO и вводит запрашиваемые данные об образце. Затем остается лишь установить образец на опорную плиту или в соответствующее приспособление и проверить центровку перед запуском цикла испытаний. По завершении испытания образец извлекается и заменяется следующим. Лаборант может использовать освободившееся время для внесения записей и наблюдений, подготовки следующих образцов или выполнения других задач.

Существуют усовершенствованные контроллеры, запрограммированные в соответствии с требованиями ASTM C469 для испытаний на определение модуля упругости или коэффициента Пуассона, которые способны выполнить весь цикл испытаний согласно стандартным методикам. Датчики нагрузки и деформации приобретаются отдельно.

Снижение влияния человеческого фактора на наблюдение и управление испытательной машиной приводит к значительному уменьшению ошибок оператора. Преимущества для контроля качества в лаборатории очевидны и проявляются немедленно:

• Обеспечивается полное соответствие стандартным методикам испытаний.
• Стабильно точные результаты испытаний и повышенная воспроизводимость улучшают статистические показатели лаборатории.
• Собираются безошибочные данные для распечатки отчетов или загрузки на компьютеры.
• Встроенные функции диагностики указывают на неисправности, которые необходимо устранить перед продолжением испытаний.
• Увеличивается производительность испытаний для максимальной эффективности.

Данные испытаний, включая идентификатор образца, результаты и настройки машины, а также информация о лаборатории и клиенте, собираются в режиме реального времени и сохраняются для загрузки на ПК, в сеть или передачи на USB-накопитель. Принтер можно подключить напрямую для немедленной распечатки результатов отдельных испытаний или сводных отчетов.

Адаптивность для полного спектра испытаний бетона на прочность

Как и традиционные прессы, автоматические машины поставляются в стандартной конфигурации, готовой к проведению испытаний бетонных цилиндров на прочность при сжатии согласно ASTM C39 и AASHTO T 22. Для выполнения других видов испытаний доступен ряд дополнительных приспособлений и аксессуаров:

• Прочность на изгиб (или предел прочности при растяжении при изгибе) бетона является важным проектным параметром для дорожных покрытий, взлетно-посадочных полос аэропортов и конструктивных элементов. Бетонные образцы, изготовленные в виде прямоугольных призм (балок), обычно испытываются на прочность при изгибе на машинах для испытания на сжатие. Специальное приспособление для испытания на изгиб поддерживает бетонную балку с обоих концов и прикладывает вертикальную нагрузку либо в двух точках, отстоящих на 1/3 общей длины от опор (нагружение по третям пролета согласно ASTM C78/AASHTO T 97), либо в одной точке по центру (согласно ASTM C293/AASHTO T 177).
• Прочность на растяжение при раскалывании используется для оценки сопротивления сдвигу легкого бетона в конструктивных элементах. В методах испытаний ASTM C496 или AASHTO T 198 бетонный цилиндр располагается горизонтально на нижней опорной плите пресса. Сжимающая нагрузка прикладывается вдоль его диаметра через специальную траверсу для раскалывания, установленную на верхней части машины.
• Образцы-кубы используются для испытаний бетона на прочность при сжатии вместо цилиндрических образцов в некоторых европейских стандартах. Кубы меньшего размера обычно используются для испытания образцов строительных растворов, цементного теста или составов для выравнивания торцов на основе серы методами, аналогичными ASTM C109 или AASHTO T 106. Комплекты для испытания кубов размером 150 мм (6 дюймов) или 50 мм (2 дюйма) включают верхние плиты со сферической опорой для правильного приложения нагрузки и проставки или пьедесталы для вертикального позиционирования образца в прессе.
• Испытания на определение модуля упругости (MOE) и коэффициента Пуассона характеризуют упругие свойства бетона под нагрузкой. Для определения MOE на бетонный цилиндр устанавливается компрессометр для точного измерения деформаций и относительных деформаций в процессе нагружения. Компрессометр-экстензометр также измеряет поперечное расширение нагруженного цилиндра для определения коэффициента Пуассона. Стандартные методики для обеих процедур описаны в ASTM C469.

Надеемся, эта статья помогла вам понять преимущества автоматических машин для испытания бетона на сжатие. Пожалуйста, свяжитесь с нашими экспертами по испытаниям, чтобы обсудить автоматические прессы или модернизацию стандартных испытательных машин.

Ресурсы по испытаниям

Стандартные методы испытаний, спецификации и практики

Отдельные методы испытаний и спецификации, упомянутые в описаниях нашей продукции, статьях блога и видео, доступны для ознакомления или приобретения у указанных профессиональных организаций.

• ASTM International (Американское общество по испытанию материалов)
• AASHTO (Американская ассоциация государственных служащих автомобильных дорог и транспорта)
• ACI (Американский институт бетона)
• Государственные департаменты транспорта (State DOTs)
• ISO (Международная организация по стандартизации)
• BS (Британские стандарты)
• EN (Европейские стандарты)