О природе переводных коэффициентов
Уменьшение предела прочности с увеличением размеров бетонных образцов- кубов, изготовленных из одного замеса, твердевших в одинаковых условиях и испытанных в одном возрасте, впервые было отмечено в опытах Г. Бурхарца в 1903 г. Аналогичное явление наблюдали исследователи О. Граф и В. Гелер. Данные этих трех авторов послужили, по свидетельству Ю. Бонцеля, основой для нормирования в 1932 г. переводных коэффициентов в германском ДИН 1048, а затем в некоторых других национальных стандартах. Исследование Т. Уьенге не внесло в этот вопрос ничего нового.
На рис. 1 показаны значения переводных коэффициентов от прочности бетонных образцов-кубов различных размеров к прочности куба с ребрами длиной 15 см, который по ГОСТ 10180—74 принят за эталон. Величины коэффициентов вычислены по данным упомянутых выше опытов. Эти величины довольно близки друг к другу и к коэффициентам, принятым в отечественных нормативных документах (ОСТ 90050—39, ГОСТ 6901—54, ГОСТ 4800—59, ГОСТ 10180—62, СНиП I-B.3-62 и ОСТ 34—4618—73 Минэнерго СССР).
Для объяснения влияния масштабного фактора на прочность бетонных кубов выдвинуто несколько гипотез.
Первая гипотеза при всей ее логичности не могла объяснить, почему в опытах Г. Бурхарца менее плотные образцы «семерки» оказались прочнее кубиков «десяток», имевших большую объемную массу . Статистическая теория не смогла объяснить чрезмерное снижение прочности бетона при переходе от малого образца к большому (у В. Гелера и Т. Гьенгё в 1,4—1,8 раза).
В связи с этим появилась третья гипотеза, суть которой такова: эффект обоймы за счет сил трения между поверхностями контакта образца и плит пресса ослабевает с увеличением размера образца, поэтому он разрушается при меньших напряжениях. Третья гипотеза трактуется по-разному. Наиболее часто ослабление эффекта обоймы связывают с уменьшением влияния сил трения на образец большего объема. Если обозначить среднее напряжение трения через т, сила трения Т по поверхности а2 будет равна:
Если признать, что величина не зависит от размера образца, с увеличением длины ребра куба влияние сил трения уменьшается.
Сторонники третьей гипотезы, не отрицая правомерности первой и второй, считают ее главной и решающей во влиянии масштабного фактора. Исследования Г. Рюша вызвали большое сомнение в правомерности третьей гипотезы. Он установил, что в процессе испытания на сжатие деформируются не только образцы, но и опорные подушки пресса, которые, прогибаясь, принимают сферообразную форму. Прилегающие к образцу поверхности плит при этом растягиваются, уменьшают поверхностное трение и снижают эффект обоймы. Чем выше прочность образца, чем больше его размер и тоньше плита пресса, тем больше ее прогиб и тем ниже получается предел прочности образца. Если удлинения опорных поверхностей плит превысят размеры максимально возможного поперечного расширения бетона.
Когда эти удлинения отсутствуют (при жестких плитах), эффект обоймы будет максимальным, и кубиковая прочность перестанет зависеть от размеров образца.
Тенденция к уменьшению величин переводных коэффициентов с ростом прочности бетона (при недостаточной жесткости опорных плит) была отмечена, в частности, в работе Института технического контроля в строительстве (г. Будапешт) . Этот институт разработал и предложил для PC 279-63 дифференцированные значения переводных коэффициентов (в зависимости от прочности бетона), которые были приняты впоследствии и в ГОСТ 10180—67. Эти коэффициенты общеизвестны. В нашей стране были проведены многочисленные исследования по уточнению переводных коэффициентов для бетонов различных видов и прочности и изучены факторы, влияющие на эти коэффициенты.
На рис. 2 приведены результаты этих исследований, а в таблице —средние величины переводных коэффициентов от прочности бетонных образцов-кубов с ребрами длиной 7, 07, 10, 20 и 30 см к прочности куба-эталона с ребрами длиной 15 см по отечественным данным за 1955—1974 п. [4, 5]. В таблице п — число опытов, на основании которых выведено среднее значение коэффициента а. Число этих опытов достаточно велико— 2433, а количество образцов разных размеров, испытанных при этом, исчисляется десятками тысяч. Не все эти опыты дали вполне достоверные результаты, но таких относительно мало и на средние значения они не оказали влияния. Поэтому они не исключены из подсчета средних арифметических, тем более. что показатель точности Р для образцов всех размеров не превысил допускаемых 5%.
Как видно из таблицы, опытные значения переводных коэффициентов ближе к единице, чем нормативные значения стандартов. Средние значения а лежат на плавной кривой, уравнение которой выражается в виде дробно-линейной функции:
В процессе анализа исследований выявлено, что прочность бетона, род и содержание цемента, вид и крупность заполнителя, а также скорость нагружения образцов при испытании на величины переводных коэффициентов практически не влияют. Некоторое влияние оказывают лишь такие технологические факторы, как подвижность смеси, режимы уплотнения и твердения образцов? так как они могут сделать неоднородной макро- и микроструктуру разновеликих образцов.
Параллельное испытание на разных прессах образцов-близнецов, изготовленных в многогнездовых формах, показало, что решающим фактором, определяющим величину переводного коэффициента, является конструкция и техническое состояние испытательной машины, в первую очередь жесткость силовой рамы, включая жесткость опорных плит пресса.
Переводные коэффициенты для малых образцов могут быть ниже и выше единицы. Ниже единицы они бывают тогда, когда жесткость плит недостаточна для бетона данной марки или когда вследствие износа резьбовых соединений силовая рама потеряла былую жесткость. Выше единицы они бывают, когда пресс, обладая жесткой плитой, передает нагрузку на образец эксцентрично. Малые образцы более чувствительны к эксцентрицитету, .чем большие, поэтому они разрушаются при меньших напряжениях. ‘Коэффициенты выше единицы получаются также при испытании эталонных и не эталонных образцов на разных прессах. При новой методике определения опытных коэффициентов, принятой в ГОСТ 10180—74, переводные коэффициенты выше единицы будут получаться довольно часто. Поясним это на примере.
Таким образом, исследования не подтвердили правомерности третьей гипотезы, в ней много допущений и спорных мест. Силы трения не могут действовать на весь объем образца-куба; как показывает опыт, эти силы совместно со сжимающими усилиями образуют равнодействующие, направленные под углом 73—79° от периметра опорной грани образца к его физической оси. Боковые грани почти не испытывают сил трения и, деформируясь, принимают бочкообразную форму. В призмах средняя зона вообще не подвержена действию сил трения и разрушается при наличии вертикальных трещин разрыва.
По-видимому, от третьей гипотезы следует отказаться, признав, что главнейшим фактором, определяющим величину переводных коэффициентов, является техническая характеристика пресса н жесткость его силовой рамы. Иногда определенную роль могут сыграть технологические факторы, но роль их менее значительна. До сих пор не выявлена степень влияния статистического фактора (статистическая теория прочности В. Вейбулла). Для выяснения этого вопроса необходимы специальные эксперименты.