Под действием внешних сил любое твердое тело может перемещаться в пространстве, деформироваться (т. е. изменять свои формы и размеры) или одновременно перемещаться и деформироваться.

Если тело деформировалось, то в нем возникают внутренние силы сопротивления, стремящиеся вернуть ему первоначальную форму. Существование внутренних сил обусловлено сцеплением отдельных частиц, составляющих тело. При определенных величинах внешних сил внутренние силы сопротивления возрастают настолько, что преодолевают силу сцепления частиц, и тело разрушается на части.

Способность материалов сопротивляться внутренним силам, возникающим под действием внешней нагрузки, называется прочностью. Цементный камень, образовавшийся в результате затвердевания цементного теста, обладает прочностью. В момент разрушения образцов напряжения достигают наибольших значений. Эти напряжения называются пределом прочности.

Прочность бетонов при сжатии и изгибе определяется прочностью цементного камня. Поэтому ЕN 196-1 предусматривают испытания цементных образцов на эти виды усилий. Согласно ЕN 196-1, прочность цементов при сжатии и изгибе характеризуется соответствующими пределами прочности образцов из цементного раствора определенного состава, имеющих форму прямоугольной призмы с размерами 40 х 40 х 160 мм, изготовленных и испытанных по стандартной методике.

 Предел прочности при изгибе определяют испытанием образцов-призм (балочек) на изгиб, а предел прочности при сжатии — испытанием половинок этих образцов-балочек на сжатие. При испытании образцов на изгиб в цементной балочке возникает сложное напряженное состояние, при котором в верхней части сечения развиваются напряжения сжатия, а в нижней - растяжения.

Предел прочности при сжатии цементных образцов в возрасте 28 суток, изготовленных, твердевших и испытанных по стандарту, называется активностью цемента. Активность (прочность) цемента положена в основу классификации его на марки. Марка цемента является основной технической характеристикой цемента. Она необходима при расчете и назначении составов бетонов и растворов.

2. Сущность испытания

Испытание на изгиб:

Осуществляется с использованием специальной комбинированной машины для испытаний образцов из раствора или с использованием специального приспособления, вставляемого в пресс. Машина для испытаний на изгиб должна обладать диапазоном нагружения до 10 кН с точностью до ±1,0 % приложенного усилия и скоростью нагружения образцов 50±10 Н/сек.

При нагружении образцов опоры и верхняя часть должны иметь круглую форму диаметром 10,0±0,5 мм, а расстояние между нижними опорами — 100±0,5 мм. Длина опорных элементов — от 45 до 50 мм.

Схематически нагружение образца при определении прочности на изгиб осуществляется по приведенной схеме (рис. 1):

Предел прочности образца при изгибе Rf вычисляется по следующей формуле:

Рис. 1. Схема расположения цементной балочки на опорных элементах

где:

Rƒ — предел прочности при изгибе (в МПа);
b — ширина поперечного сечения призмы (в мм);
Fƒ — максимальная нагрузка, предшествующая моменту разрушения образца (в ньютонах);
l — расстояние между опорными элементами (в мм).
Испытание на изгиб проводится до разрушения образца на две половинки (рис. 2).

Испытание на сжатие:

Осуществляется с использованием специальной комбинированной машины для испытаний половинок образцов из раствора с фиксированной площадью 1600 мм2. Результаты представляются в МПа (соответствует Н/мм2). Усилие прилагается вертикально до момента разрушения.

Визуально это выглядит следующим образом (рис. 3):

Предел прочности образца на сжатие Rс вычисляется по следующей формуле:

где:
Rс — предел прочности на сжатие (в мегаПаскалях);
Fс — максимальное усилие, предшествующее разрушению образца;
1600 — площадь накладных пластин, (40х40 мм) мм2.

3. Средства контроля и вспомогательное оборудование

Различные комбинированные машины для испытаний на сжатие и изгиб с диапазоном измерений до 200 кН выполнены в соответствии с EN 196–1 (рис. 5, 6, 7 и 12).

4. Подготовка и проведение испытания

После выдержки образцов в воде их вынимают из ванны (рис. 6), просушивают, после чего они готовы к проведению испытаний. Возраст образцов определяется со времени затворения цемента водой. Испытания цементных призмочек, согласно EN 196–1, проводятся в следующем «возрасте» и со следующими возможными отклонениями по времени их испытания:

Рис. 2. Цементная балочка перед испытанием на изгиб

Рис. 3. Цементная балочка после испытанием на изгиб

Рис. 4. Половинка цементной балочки перед испытанием на сжатие

Таблица 1.

Рис. 5. Комбинированная испытательная машина на сжатие и изгиб с представлением результатов измерений на циферблате с диапазоном 200/10 кН

Рис. 6. Комбинированная испытательная машина на сжатие и изгиб с представлением результатов измерений в цифромом виде и диапазоном 200/10 кН

Рис. 7. Комбинированная испытательная машина на сжатие и изгиб с представлением результатов измерений в цифромом виде, автоматически регулируемым линейным возрастанием нагрузки и диапазоном 200/10 кН

Чаще всего цементные балочки испытывают через 2, 7 и 28 суток (рис. 8).

Испытания на сжатие образцов из цементного раствора проводятся в следующем порядке:

1. Для испытаний на сжатие чаще всего берут половинки образцов, полученные после испытания на изгиб. Как правило, испытывают 6 половинок от предыдущих испытаний на изгиб трех балочек. До испытаний образцы могут храниться в емкостях с водой, а непосредственно перед испытаниями они оттуда вынимаются.

2. До проведения испытаний (в течении 15 минут) образцы укрываются влажной тканью, а непосредственно перед испытаниями протираются чистой тканью.

3. В случае использования специального приспособления для испытания на сжатие, оно вставляется в пресс (рис. 9).

4. Проверить машину на правильность установки необходимого диапазона измерений и включить ее. Контролировать, чтобы стрелка была на нулевой отметке.

5. Установить половинку призмы посредине в устройство или испытательную машину таким образом, чтобы края выступали примерно на 10 мм.

6. Нагружать образец со скоростью 2400±200 Н/сек до его разрушения. В процессе разрушения необходимо внимательно следить за возможным продолжением увеличения нагрузки.

7. Зафиксировать показание силы Fс, приведшей к разрушению образца.

8. После разрушения образца его остатки необходимо вынуть из машины и очистить от осколков место разрушения.

9. Осуществить аналогичные испытания 5-и оставшихся половинок.

10. Рассчитать предел прочности при сжатии Rс по вышеприведенной формуле.

11. Вычислить среднее арифметическое полученных 6 результатов и округлить его до 0,1 МПа (соответствует 0,1 Н/мм2).

Рис. 8. Подготовленные к испытаниям образцы

Рис. 9. Установленное в пресс приспособление для проведения испытаний на сжатие вместе с образцом

12. Необходимо проверить, отличается ли один из показателей более чем на 10% в одну или другую сторону. Если это имеет место, тогда этот показатель нельзя учитывать в расчетах, и среднее арифметическое необходимо рассчитать из оставшихся пяти показателей. Если и при втором подсчете найдется один из показателей, который будет на 10% отличаться от среднего арифметического, тогда результаты всех этих испытаний необходимо признать как недействительные.

5. Обработка результатов

Согласно ЕN 197-1 (табл. 2), при испытании цементных призм на сжатие должны соблюдаться следующие требования:

N: нормальная начальная прочность
R: высокая начальная прочность

Таблица 2.

6. Пример расчета

Образцы из цементного раствора испытывают на сжатие. На основе полученных результатов по вышеуказанной формуле высчитывается предел прочности при сжатии.
Получились следующие результаты:

Таблица 3.

Проверяем, отличаются ли отдельные показатели более чем на 10% от среднего арифметического значения:

среднее арифметическое 51,7 МПа
+ 10% среднего арифметического 5,2 МПа
наибольший допустимый
показатель 56,9 МПа
- 10% среднего арифметического 5,2 МПа
наименьший допустимый
показатель 46,5 МПа

Допустимые рамки в вышеприведенном примере не преодолены как со стороны большей, так и со стороны меньшей границы. Таким образом, в повторении серии испытаний нет необходимости, и среднее значение предела прочности при сжатии составляет 51,7 МПа.

7. Распространенные ошибки и специальные рекомендации

Для окончательного анализа основных характеристик цемента (в том числе прочности на сжатие и изгиб) в Германии используется специальный бланк, состоящий из двух одинаковых соединенных между собой страниц (рис. 10).

Удобство этого бланка заключается в том, что он может вставляться для распечатки результатов в принтер, и результаты сразу копируются и на вторую страницу. Первый лист предоставляется заказчику испытаний, а второй остается в лаборатории.

Основная масса испытательных машин автоматизирована и сразу дает результаты испытаний на экран машины или компьютера (рис. 11). Использование автоматической передачи, фиксация и последующая распечатка информации значительно упрощают работу по обработке результатов испытаний и делают ее более производительной и эффективной. Результаты испытаний и вычисление среднего арифметического осуществляется в автоматическом режиме и затем распечатывается на бланке.

Рис. 10. Бланк для занесения результатов испытаний, используемый в Германии

Рис. 11. Приспособление для испытаний на сжатие и автоматическое представление результатов на экране компьютера

Рис. 12. Комбинированная испытательная машина фирмы TESTING в лаборатории “ДИСК Бетона” в г. Донецке

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка цемента можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков  «Рынок цемента в России».