Поверхностная твердость. При испытании бетона приборами, основанными на принципе заглубления, усилие, передаваемое через шарик, воспринимается контактной площадкой, размеры которой незначительны по сравнению с размерами всего образца или изделия. Величина этой площадки изменяется в зависимости от величины передаваемого усилия и радиуса соприкасающихся тел.
В зоне этой площадки возникают большой величины контактные напряжения и деформации, изучением распределения которых занимались Герц, А. Н. Динник, Н. М. Беляев, В. С. Ковальский, Н. А. Кильчевский, И. Я- Штаерман, М. М. Саверин и другие ученые.
Величина этих напряжений и деформаций неодинакова на различной глубине от поверхности площадки контакта, она резко убывает при удалении от зоны касания.
Исследованиями Н. М. Беляева установлено, что наиболее опасная точка концентрации напряжений лежит на некоторой глубине от поверхности контакта. Для определения наибольших напряжений в центре касания для шара с радиусом и плоскостью Беляевым была предложена формула
А. Н. Динник, исследуя теоретически и экспериментально сжатие соприкасающихся тел с заданной формой поверхности, установил, что радиус контура давления в зоне контакта может быть определен по формуле
Исследованиями Н. Н. Давиденкова, Д. Б. Гогоберидзе и др. установлено, что при определении твердости в зависимости от вида применяемых приборов затрачивается работа, которая распределяется следующим образом. При статическом испытании работа затрачивается на пластическую деформацию испытуемого материала Ль на упругую деформацию Л2, которая частично передается образцам, основанию и наконечнику прибора, а частично при снятии нагрузки затрачивается на восстановление отпечатка и на преодоление сил трения Л3.
Таким образом, полная работа, затрачиваемая при статическом вдавливании наконечника, составит:
В зависимости от твердости поверхностного слоя соотношения величин А1, А2, А3 могут значительно изменяться.
При динамическом испытании кинетическая энергия ударяющего бойка или шарика расходуется на: работу пластической деформации испытуемого образца Ах; работу упругой деформации ударяющего бойка и испытуемого образца А2, которая будет тем больше, чем больше скорость бойка; работу преодоления сил трения Л3; работу увеличения свободной поверхности образца; работу преодоления сопротивления воздуха А5; работу поглощения в результате вибрации образца и основания.
В зависимости от скорости удара, состояния поверхности, формы ударника, жесткости крепления, массы и свойств образца соотношение между величинами, входящими в это уравнение, будет меняться. Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения А3 и на увеличение свободной поверхности Л4, составляет незначительную величину и ею можно пренебречь.
Однако анализируя вопросы, связанные с контактной прочностью материала, М. М. Саверин указывает на условность, которая допускается при оценке напряженного состояния, поскольку теоретические выводы большей частью относятся к изотропным упругим телам с идеально гладкой поверхностью и не учитывают изменение напряженного состояния за пределами пропорциональности. Теоретические обоснования не всегда учитывают анизотропность материала, влияние неоднородности напряженного состояния, сил трения, которые возникают при контакте, и влияние других факторов.
Занимаясь теорией разрушения горных пород под действием ударной нагрузки, проф. В. В. Царицин указывает, что в месте контакта ударного инструмента с поверхностью материала в нем образуются микротрещины, понижающие сопротивление поверхностного слоя. Эти микротрещины в зависимости от твердости горных пород могут появляться в самый первый период соприкосновения ударного инструмента с контактной поверхностью еще до возникновения отпечатка. Интенсивность развития микротрещин будет соответствовать интенсивности распределения напряжений, концентрация которых будет возрастать, поскольку время удара очень незначительно и деформация не успеет распространиться на всю массу соударяемых тел. Повышенная концентрация напряжений у мест контакта при сосредоточенной нагрузке сопровождается уменьшением напряжений вокруг зоны с большой концентрацией, что способствует появлению вокруг этой зоны некоторого объема материала с пластическим состоянием. Дальнейшее перемещение ударного инструмента (второй этап) в поверхность материала подобно наплыву при испытании металлов вызывает скалывание краев получаемого отпечатка.
Более равномерное распределение напряжений и деформаций в зонах контакта будет наблюдаться при статическом заглублении наконечника в исследуемую поверхность.
Рассматривая вопрос, связанный с характером деформаций и напряжений, возникающих в бетоне при вдавливании штампа, весь этап испытания бетона Г. К. Хайдуков делит на три стадии. В первой стадии штамп касается поверхности бетона и нагрузка увеличивается до величины Р. Во второй стадии, увеличивая нагрузку Р до Р0, бетон работает в упругой стадии, к концу которой в зоне контакта быстро возрастают напряжения текучести и появляется упруго-пластическая зона. И, наконец, в третьей стадии при дальнейшем увеличении нагрузки под зоной контакта появляется сфера пластичности, диаметр которой в 2-3 раза больше диаметра зоны контакта.
Наличие такой развитой сферы пластичности дает возможность судить не только о свойствах цементно-песчаного раствора, но и о свойствах бетона с зернами крупного заполнителя. Однако поскольку представления о деформациях и напряжениях основываются на теоретических и экспериментальных исследованиях, относящихся либо к упругим, либо к пластическим материалам, а бетон является упруго-вязко-пластическим телом, сочетающим в себе свойства упругих и пластических тел, следовательно, только дальнейшие экспериментальные исследования по этому вопросу помогут уточнить существующие представления о распределении упругих и пластических деформаций в зоне контакта.
