Ползучесть — это зависящая от времени постепенная деформация бетона, подверженного постоянной длительной сжимающей нагрузке. Являясь критическим параметром для крупных инженерных сооружений, включая предварительно напряженные мосты, плотины, защитные оболочки ядерных реакторов и сверхвысокие здания, ползучесть напрямую определяет потерю предварительного напряжения, долговременный прогиб, риск растрескивания и срок службы конструктивных элементов. Установка для испытаний бетона на ползучесть при сжатии — это специализированное оборудование для длительных испытаний на ползучесть. При контролируемой постоянной температуре и влажности она прикладывает постоянную осевую сжимающую нагрузку к бетонным образцам и непрерывно регистрирует изменение деформации сжатия во времени. Она позволяет различать основную ползучесть и ползучесть при высыхании, а также предоставляет измеренные данные для исследования материалов и проектирования конструкций.

В отличие от кратковременных испытаний на прочность при сжатии, испытания на ползучесть могут длиться месяцы или даже годы. Это предъявляет жесткие требования к оборудованию: оно должно обеспечивать стабильное поддержание нагрузки в течение длительного времени, высокую точность измерения деформаций и точный контроль условий окружающей среды. В связи с активным развитием таких материалов, как ультравысокопрочный бетон (UHPC), геополимерный бетон на щелочной активации, низкоуглеродистый бетон с использованием переработанных заполнителей и других, в мировом научном сообществе продолжается обсуждение оборудования для испытаний на ползучесть. Это стимулирует эволюцию испытательных систем: от традиционных конструкций с пружинным нагружением они переходят к автоматизированным цифровым многоканальным комплексам для мониторинга.

1. Принцип работы и основные компоненты

Основной принцип работы установки для испытаний бетона на ползучесть при сжатии заключается в приложении стабильной осевой сжимающей нагрузки к призматическим или цилиндрическим бетонным образцам, поддержании постоянной нагрузки в течение длительных периодов времени в термогигростатической камере и непрерывной регистрации деформации образца во времени. Параллельно испытываются ненагруженные эталонные образцы для вычитания деформации усадки при высыхании и получения истинной деформации ползучести.

Полная система обычно состоит из пяти модулей: нагрузочной рамы, блока постоянной нагрузки, модуля измерения силы, блока измерения деформации и поддерживающей термогигростатической камеры для твердения.

Нагрузочная рама изготовлена из высокопрочной жесткой стали, что позволяет свести к минимуму ее деформацию в процессе длительной эксплуатации и избежать искажений при проведении измерений на образцах. Существуют два основных типа систем для создания постоянной нагрузки: пружинные системы и сервогидравлические системы с замкнутым контуром управления. В пружинных системах энергия накапливается с помощью высокопрочных пружин; после предварительного нагружения посредством домкратов пружины поддерживают заданное усилие. Это традиционное решение, широко применяемое в лабораториях по всему миру. Сервогидравлические системы используют данные обратной связи от датчиков нагрузки в режиме реального времени для автоматической компенсации снижения приложенного усилия. Такие системы подходят для испытаний, требующих создания высоких нагрузок и обеспечения высокой точности, а также для исследования бетона на ранних стадиях твердения.

В качестве средств измерения деформации используются механические экстензометры, датчики перемещения LVDT и поверхностные тензодатчики. В усовершенствованных установках применяется оптическое измерение методом цифровой корреляции изображений (DIC) для наблюдения за деформацией по всему полю. Подходящая климатическая камера стабилизирует температуру и влажность и изолирует колебания окружающей среды, обеспечивая соответствие условиям испытаний на базовую ползучесть и ползучесть при высыхании, как это указано в стандартах.

2. Основные типы оборудования и их техническое сравнение

На международном рынке преобладают две основные категории оборудования: пружинные установки для испытаний на ползучесть и сервогидравлические испытательные системы; каждая из них имеет свои особенности применения, преимущества и ограничения.

Пружинные установки отличаются простой конструкцией и невысокой стоимостью, а также позволяют проводить испытания нескольких образцов одновременно. Они широко используются в университетах и независимых испытательных лабораториях для выполнения стандартных длительных испытаний бетона на ползучесть. Их главный недостаток — релаксация пружин, приводящая со временем к постепенному изменению (дрейфу) нагрузки, что требует периодического восстановления заданного уровня нагрузки вручную. Такие длительные эксперименты сопряжены со значительными затратами ручного труда, а процесс повторного нагружения может вносить погрешности в результаты испытаний.

Сервоприводные гидравлические испытательные стенды с замкнутым контуром автоматически компенсируют потери нагрузки в реальном времени и обеспечивают превосходную долговременную стабильность нагрузки. Они поддерживают многоуровневое нагружение и исследования нелинейной ползучести при высоких уровнях напряжения, что делает их идеальными для исследований сверхвысокопрочного бетона и бетона на ранних стадиях твердения. Недостатки включают более высокие затраты на приобретение и техническое обслуживание. Гидравлические системы страдают от колебаний температуры масла и старения жидкости, а также предъявляют более строгие требования к электропитанию лаборатории и условиям окружающей среды.

Также появились компактные многоканальные параллельные системы испытаний на ползучесть. Несколько нагрузочных устройств интегрированы в единую климатическую камеру, что увеличивает производительность испытаний и снижает стоимость образцов для длительных экспериментов. В последние годы их использование в зарубежных исследовательских проектах продолжает расти.

3. Международные стандарты испытаний и требования к соответствию оборудования

Ведущие международные нормативные документы определяют требования к испытательному оборудованию, схемам нагружения, контролю условий окружающей среды и методикам измерения при проведении испытаний бетона на ползучесть при сжатии. Эти стандарты служат основой для экспорта оборудования и выбора оснащения для лабораторий. К числу таких нормативных документов относятся ASTM C512, EN 12390-17, методики, рекомендованные RILEM, ISO 1920-9, а также китайский стандарт GB/T 50082.

Общие требования стандартов предусматривают, что осевая нагрузка должна прикладываться к образцам концентрично — во избежание возникновения эксцентричных изгибающих моментов; для автоматического центрирования и предотвращения появления дополнительных деформаций изгиба используются сферические опорные элементы. При проведении испытаний на линейную ползучесть уровень нагрузки, как правило, не должен превышать 40% от предела прочности бетона при сжатии. Для исследований нелинейной ползучести допускается применение более высоких уровней напряжений, при этом нагрузочные рамы и датчики должны обладать достаточным запасом прочности.

Что касается контроля условий окружающей среды: для проведения базовых испытаний на ползучесть образцы должны быть герметизированы во избежание миграции влаги, тогда как при испытаниях на ползучесть в процессе высыхания необходимо поддерживать постоянные температуру и влажность. Все оборудование — датчики нагрузки и измерители перемещений — требует периодической калибровки. Значительный разброс данных о ползучести, наблюдаемый в разных лабораториях, в значительной степени обусловлен стабильностью оборудования, состоянием его калибровки и эффективностью контроля условий окружающей среды — этот вопрос постоянно обсуждается в рамках сообщества, занимающегося базой данных RILEM.

4. Проблемы при проведении испытаний и источники погрешностей, связанных с оборудованием

Эксперименты по ползучести проводятся в течение очень длительного времени, и со временем накапливаются незначительные ошибки, в конечном итоге приводящие к существенным отклонениям в расчетных коэффициентах ползучести и удельной ползучести. Это представляет собой самую большую проблему при долговременных испытаниях.

Основным источником ошибок является дрейф нагрузки, вызванный релаксацией пружин, изменением температуры гидравлического масла и релаксацией напряжений в болтах, которые снижают устойчивую сжимающую нагрузку и недооценивают деформацию ползучести. Вторым важным фактором являются колебания температуры и влажности окружающей среды. Небольшие колебания влажности вызывают усадку бетона при высыхании, которую невозможно отделить от ползучести, что объясняет отсутствие сопоставимости многих исторических наборов данных испытаний между лабораториями. В-третьих, долговременный дрейф систем измерения деформации возникает из-за старения тензодатчиков, ослабления механических точек измерения и термического дрейфа, что приводит к погрешностям измерений. Эксцентриситет образца, неровные торцевые поверхности и влияние размера образца также создают дополнительные ошибки.

К распространенным в промышленности стратегиям снижения усадки относятся параллельные образцы-заготовки для коррекции усадки, датчики с низким дрейфом, стабильные термогигростатические камеры, периодическая проверка нагрузки и тщательная шлифовка и центрирование концов образцов. Для высокотехнологичных исследований оптические измерения методом цифровой корреляции изображений (DIC) позволяют выявлять локальное развитие микротрещин и более подробно объяснять эволюцию третичной ползучести при высоких напряжениях.

5. Цифровая модернизация и передовые зарубежные технические тенденции

Зарубежные лаборатории проводят цифровую модернизацию традиционных стендов для испытаний на ползучесть, что является одной из самых актуальных тем на международных конференциях и в научных журналах. Датчики давления, температуры, влажности и смещения интегрированы с модулями сбора данных IoT, что позволяет осуществлять круглосуточную непрерывную автоматическую регистрацию данных и их хранение в облаке, исключая человеческие ошибки, возникающие при периодических ручных измерениях.

Некоторые системы включают модули анализа данных на основе искусственного интеллекта для автоматического обнаружения аномальных условий нагрузки, дрейфа датчиков и возмущений окружающей среды, а также для маркировки аномальных сегментов данных. Измеренные данные о ползучести могут быть напрямую сопряжены с глобальными моделями прогнозирования ползучести, такими как MC2010, B4 и ACI 209, для калибровки параметров модели. Оптическая регистрация деформаций методом цифровой корреляции изображений (DIC) и компактные многоканальные параллельные испытательные системы продолжают набирать популярность. Тем временем разрабатывается интегрированное многопольное сопряженное оборудование для испытаний на ползучесть в атомной энергетике, геотермальной энергетике и морской технике в условиях высоких температур, воздействия солей и циклов замерзания-оттаивания. Цифровые решения значительно сокращают ручной труд при многолетних долгосрочных испытаниях и улучшают сопоставимость данных между лабораториями.

6. Расширение применения оборудования для новых низкоуглеродных бетонных материалов

В условиях глобальных инициатив по достижению углеродной нейтральности щелочно-активированный геополимерный бетон, сверхвысокопрочный бетон (UHPC), бетон с переработанным заполнителем, расширяющийся бетон с добавлением MgO и бетон, модифицированный для улавливания углерода, стали предметом активных исследований на международном уровне, что породило новые потребности в оборудовании для испытаний на ползучесть при сжатии.

Устоявшиеся модели ползучести для обычного портландцемента не применимы к низкоуглеродистым вяжущим, поскольку эти материалы демонстрируют существенно различное поведение при ползучести. Данные о долговременной деформации должны быть получены с помощью измерений на ползучестных испытательных стендах. Сверхвысокопрочный бетон (UHPC) характеризуется очень низкой величиной ползучести, что требует более высокого разрешения измерения деформации и превосходной долговременной стабильности прибора. Щелочно-активированный бетон подвергается особому процессу гидратации, и его поведение при ползучести под нагрузкой на ранних стадиях является сложным, что требует оборудования, способного выдерживать нагрузку на молодых образцах. Бетон из переработанного заполнителя обладает сложной внутренней пористой структурой; его ползучесть при высыхании очень чувствительна к влажности окружающей среды, что требует высокоточных термогигростатических камер.

Большинство существующих стандартов были разработаны применительно к бетону на основе обычного портландцемента, поэтому они имеют ограничения при испытании новых материалов. В последние годы многие зарубежные исследовательские группы проводят сравнительные испытания с использованием оборудования для исследования ползучести, чтобы пересмотреть протоколы испытаний и обновить базы данных; в настоящее время это наиболее активная область применения данного оборудования.

Заключение

Установка для испытаний бетона на ползучесть при сжатии незаменима для исследования долговременного поведения бетона при деформации под сжатием. Подпружиненные и сервогидравлические методы испытаний используются отдельно для рутинных испытаний и передовых научных исследований. Надежность данных испытаний на ползучесть напрямую зависит от характеристик оборудования, контроля окружающей среды и стабильности датчиков, а соответствие международным спецификациям ASTM, EN и RILEM является обязательным.

Благодаря быстрому развитию низкоуглеродистых строительных материалов, испытания на ползучесть больше не ограничиваются обычным бетоном. Новые материалы, такие как сверхвысокопрочный бетон (UHPC) и геополимеры, стимулируют модернизацию испытательного оборудования в направлении автоматизации, мониторинга с использованием Интернета вещей (IoT) и многополевых сопряженных испытаний. В будущем высокоточная долговременная фиксация нагрузки, автоматический цифровой сбор данных и параллельное тестирование нескольких образцов станут основными направлениями развития установок для испытаний на ползучесть, постоянно обеспечивая критически важную экспериментальную поддержку для долгосрочной оценки эксплуатационных характеристик мостов, гидротехнических сооружений, атомных электростанций и других крупных инфраструктурных проектов.