Druckfestigkeit von Festbeton

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Es gibt zwei Phasen in einem Bauprojekt mit Beton. Die erste Stufe umfasst die Batchverarbeitung, transportieren und frischen Beton. In diesem Stadium das Material ist zähflüssig und die Verarbeitbarkeit und Finishability sind die wichtigsten Leistungskriterien. Die zweite Phase tritt ein, wenn die hydratationsprozess beginnt kurz nachdem der Beton sich in der Form befindet und des Betons wird eingestellt und zu Härten beginnen. Dieser Prozess ist sehr komplex, und nicht alle Phasen sind gut verstanden und charakterisiert. Dennoch sollte der Beton seiner beabsichtigten Entwurf Festigkeit und Steifigkeit bei etwa 14 bis 28 Tage nach dem Gießen erreichen. An dieser Stelle erfolgt eine Reihe von Tests auf konkrete Zylinder gegossen zum Zeitpunkt der Platzierung der Beton Druck- und Zugkräfte stärken, sowie gelegentlich, ihre Steifigkeit zu bestimmen.

Die Ziele dieses Experiments werden verfolgt: (1) eine zusammenpressende Zylinder Tests zur Bestimmung der 7-, 14- und 28-Tage-Festigkeit von Beton, (2) der Elastizitätsmodul von 28 Tagen zu bestimmen, und (3) die Verwendung eines einfachen zerstörungsfreie Tests zeigen durchzuführen in Situ betonfestigkeit bestimmen.

Sobald der Beton gemischt und in die Formen gelegt, beginnt der hydratationsprozess. Die hydratationsprozess beginnt mit der Auflösung des Zements im Wasser, was zu einer Sättigung von Ionen in der Lösung führt. Die Hauptbestandteile des Zements sind Tricalcium Silikate (C₃S, ca. 45-60 %), Dicalciumphosphat Silikate (C₂S, 15-30 %), Tricalcium Aluminates (C₃A, 6-12 %) und Tetracalcium Aluminoferrites (C₄AF, 6-8 %). In Gegenwart von Wasser treten die folgenden Hauptreaktionen:

Nach Hydratation beginnt, Kalzium Sulfoaluminate hydrate (Ettringit - Nadel-ähnlichen Strukturen) rasch beginnen sich zu entwickeln. Innerhalb weniger Stunden große prismatische Kristalle von Calciumhydroxid und kleine faserige Kristalle von Kalzium-Silikat-hydrate erscheint und beginnen, den Raum zwischen dem Wasser und Zement zu füllen. Schließlich können die Ettringit Kristalle in Monosulfate hydrate zu zerlegen. Kalzium-Silikat hydrate (CSH) Struktur reicht von schlecht kristallin, amorph, nimmt 50-60 % der festem Volumen des Zementleims hydratisiert, und hat eine riesige Fläche (100-700 m2/g). Die CSHs entstammen kovalente und Ionische Bindung (~ 65 %), ebenso wie van der Waals Bindung (~ 35 %) innerhalb der komplexen Struktur ihrer Stärke.

Aus Sicht der Materialien sind die Faktoren, die meisten betonfestigkeit beeinflussen wie folgt:

1. Mix-Proportionen Je niedriger der Wasser-zu-Zement (w/c) -Verhältnis von Masse, desto höher die Druckfestigkeit (f'_c), Zugfestigkeit (f_t) und Elastizitätsmodul (E). Andere Faktoren, wie das Verhältnis von Zement, Aggregat, Gradation, Oberflächenbeschaffenheit, Form und Steifigkeit der Aggregate, zeigen einen sekundären Einfluss.
2. Zementart Die Rate der den hydratationsprozess ist stark abhängig von der Feinheit der Zementpartikel. Wenn eine hohe Frühfestigkeit gewünscht wird, ist es üblich, Typ 3 Zement zu verwenden, die nur normalen Zement (Typ1), die zu einer viel höheren Feinheit gemahlen ist.
3. Aushärtung Ein weiterer Faktor Stärke erheblich beeinträchtigt ist, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, an dem der Beton ausgehärtet ist. Im Allgemeinen, je höher die Temperatur und Luftfeuchtigkeit desto schneller die Hydratation. Beispielsweise ist es üblich, vorgespannten Beton Mitglieder bei Temperaturen um 140° F mit Dampf zu heilen, um 70 % zu erhalten oder höher für die angegebene Stärke innerhalb eines Tages nach Gießen.
4. Einheitlichkeit und Konsolidierung Diese Eigenschaften beziehen sich auf die Homogenität der Mischung und wie gut es zunächst verdichtet wurde. Das Fehlen von Schwächezonen oder große Hohlräume (schlechte Konsolidierung) und das Vorhandensein eines Betons mit gleichmäßigen Eigenschaften sollten natürlich erhöhen die Festigkeit, mit anderen Variablen, die die selben bleiben.

Aus Sicht der Prüfung sind die Faktoren, die meisten betonfestigkeit beeinflussen wie folgt:

1. Feuchtigkeit-Zustand Je feuchter das Specimen, je höher die Stärke.
2. Rauheit der Ladefläche Je rauer die Oberfläche, je höher die Stärke.
3. Rate der Beladung Je höher die Belastung, desto größer die Kraft.
4. Heilung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit Je höher die Temperatur und Luftfeuchtigkeit an denen die Proben vor der Prüfung, je höheren des Stärke gespeichert wurden.
5. Ende der Zurückhaltung Die Art des Ladens Kopf beeinflußt die Verteilung von Spannungen über den Prüfling. Der ideale Test laden Kopf ist ein "Bürste Kamm", aber diese Art von laden Kopf ist teuer in der Herstellung und Wiederholbarkeit ist ein Problem. Stahl-Köpfe sind in der Regel verwendet, aber ihre Steifigkeit führt zu deutlich höheren Festigkeiten. Die Verwendung der Deckelung Verbindungen um die Spannungen auf der Probe gleichmäßiger zu verteilen hat ein Großteil dieses Problem gelindert.
6. Art der Prüfmaschine Prüfmaschinen können so hart eingestuft werden (sehr starren) oder weich (weniger starr) in Bezug auf ihre Steifigkeit. Eine weiche Maschine folgt der Spannungs-Dehnungs-Kurve besser, da die Probe ausfällt; jedoch die zusätzliche gespeicherte Energie wird freigegeben und führen um zu schneller Vermehrung und damit eine deutlich geringere Festigkeit zu knacken.
7. Geometrie des Prüfkörpers In den Vereinigten Staaten sind Zylinder (traditionell 6" Durchmesser von 12", aber vor kurzem 4 "x 8" diejenigen) gebräuchlich. In Europa sind Würfel (6 "6" oder kleiner) verwendet. Obwohl das Verhältnis von Cube Festigkeit und Stärke der Zylinder mit zunehmender Festigkeit des Betons abnimmt, ist es oft angenommen, dass die Stärke einer Cube-Probe etwa 1,25 größer ist als die eines Zylinders werden. In Zylinder Tests beeinflusst die Länge über Durchmesserverhältnis (1/d) auch die gemessene Kraft. Der standard Zylinder hat eine l/d-Verhältnis von 2,00 und Korrekturfaktoren für andere Kennzahlen gefunden werden können.

Druckversuche werden auf eine hydraulische Prüfmaschine ausgeführt. Diese Maschine unterscheidet sich von Universalprüfmaschine, die wir in anderen Labors verwendet haben, weil er durch eine einfache, hydraulische Pumpe gespeist wird. Diese Prüfmaschine funktioniert nur unter Druck und hat einen relativ kurzen Strich. Für die Kompressionstest die Tragfähigkeit muss sehr hoch sein (kips 300.000 Pfund oder 300 oder mehr) um zu testen, hochfeste betone, die 12 Zoll-Zylinder haben eine Fläche von 28,2 Zoll², sowie konkrete stärken können bis zu 20 Ksi in praktischen Anwendungen reichen. Diese Art von Beton erfordert eine Maschine mit einer Kapazität von mindestens 600 kips.

Der Test des Elastizitätsmoduls und Poisson Verhältnis erfolgt unter Verwendung eines Compressometer. Dieses Gerät wird in einem konkreten Zylinder während ein Kompressionstest installiert und dient zur Messung sowohl längs- und Basketballkorb Verformungen. Die longitudinale Zifferblatt Gage wird verwendet, um die longitudinale Stämme, berechnen die in Kombination mit dem Stress des Elastizitätsmoduls berechnen verwendet werden. Das Verhältnis der Gebindespannung an den längs-Stress lässt sich wieder Poissons Verhältnis zu berechnen. Sowohl des Elastizitätsmoduls und Poisson Verhältnis sind gültig bei nur geringer Belastung (sicherlich weniger als 40 % der ultimative), wie mikroriss des Betons um ca. 30 % der Ultimate beginnt, und das Verhalten des Betons wird eindeutig nicht-linearen Anfang rund um 60 % der ultimative. Nach diesem Zeitpunkt Poisson Verhältnis verliert Bedeutung, wie des Betons beginnt zu dilatationsschwingung Verhalten aufgrund Risswachstum aufweisen (d. h. Poissons-Verhältnis negativ werden).

Während Zylinder Tests nützlich zur Bestimmung der Qualität des Betons auf die Baustelle geliefert werden, sagt diesen Test nicht uns was die Festigkeit des Betons an Ort und Stelle ist. Sogar Heilung von Zylindern vor Ort liefern keine sehr zuverlässige Ergebnisse. Infolgedessen gab es große Anstrengungen, um wirtschaftlich Zerstörungsfreie Prüfung (NDT) Techniken zur in-Situ-Festigkeit des Betons in den letzten 40 Jahren beurteilen zu entwickeln. Zwei der häufigsten frühen Techniken nutzen Schmidt Hammer und die Windsor-Sonde. Beide Techniken sind Beispiele für die Oberflächenhärte zu testen, die Stärke durch korrekte Kalibrierungsverfahren bezogen werden können.

Schmidt Hammer ist eine einfache, Frühling betätigt Gerät, schießt ein Stahlgewicht auf eine Oberfläche und misst seine Erholung. Mit geeigneten Kalibrierung des Geräts, um eine bestimmte Mischung erhalten Sie zuverlässige Ergebnisse. Es dauert nur ein paar Sekunden laufen, ist dieser Test eine sehr effiziente Methode zur Messung der Konsistenz des Betons über mindestens eine Casting-Sequenzen.

Die Windsor-Sonde ist auf der anderen Seite ein Pulver betätigten Gewehr, der schießt drei Sonden in den Beton in einem dreieckigen Muster und misst die durchschnittliche Penetration. Wie bei Schmidt Hammer ist Kalibrierung einer bestimmten Mischung wichtig, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Die Windsor-Sonde ist nicht gerade nicht-destruktiv, da die Sonden müssen entfernt werden, und die Oberfläche Beton gepatcht. Die Tiefe und das Ausmaß dieser Patches ist klein, so dass die Reparatur kein wichtiges Thema ist. Es gibt zahlreiche neuere und komplexere Geräte und Techniken heute im Einsatz, in-Situ betonfestigkeit zu charakterisieren, aber diese Methoden sind nicht Bestandteil dieses Labor.

Druckversuch

1. Entfernen Sie die konkrete Zylinder aus dem Speicherbereich oder kurierenden Raum und Oberfläche trocknen die Zylinder.
2. Wählen Sie sechs Zylindern für diesen Test, und Messen Sie den Durchmesser der einzelnen Zylinder.
3. Stellen Sie sicher, dass die Enden der Zylinder so waagerecht wie möglich sind. Da oben auf den Zylindern sind wahrscheinlich nicht sehr flach, muss man (a) Schleifen die betonzylinder enden mit einem Maurer reiben Stein zu Unregelmäßigkeiten der Oberfläche zu entfernen und werfen eine asphaltierte Kappe an beiden Enden des Zylinders, oder (b) legen Sie eine Neopren-Endkappe an jedem Ende. In dieser Übungseinheit verwenden wir Neopren Endkappen, wie diese Methode bei weitem die einfachste ist. Jedoch müssen größere Unebenheiten auch mit dieser Technik können vorher entfernt werden.
4. Gelten die Druckbelastung, langsam und kontinuierlich bis die maximale Belastung erreicht ist. Die raumbelastung sollte zwischen 20 Psi bis 50 Psi pro Sekunde (150 lb bis 300 Pfund pro Sekunde). Ausfall des Zylinders steht während der Prüfung unmittelbar bevor, wenn die Lastanzeige verlangsamt und schließlich beendet. Ermöglichen Sie die Druckbelastung weiter, bis der Zylinder zerkleinert wird. Untersuchen Sie die Art des Fehlers des Zylinders.
5. Nehmen Sie die maximale Last auf und bestimmen Sie die Druckfestigkeit für jede Probe getestet.

Bestimmung des Elastizitätsmoduls

1. Installieren Sie für eines der Zylinder Kompression Tests eine Compressometer um den Zylinder, die folgenden Schritte 2.2 bis 2.10.
2. Die sieben Kontakt Schrauben (2 auf der oberen Sicherungsring, 3 auf den unteren Verschlussring und 2 auf den mittleren Ring) bis die Punkte bündig mit der inneren sind Oberfläche der Ringe.
3. Legen Sie die Compressometer über die betonprobekörper Auffinden der Probe in der Mitte des Ringes.
4. Legen Sie drei gleichlange Blöcke unter den unteren Ring. Die Länge der Blöcke (Zylinder) sollte senkrecht auf die richtige Höhe zu bieten.
5. Ziehen Sie die 3 Kontakt Schrauben im unteren Sicherungsring und der Kontakt 2 Schrauben in den oberen Ring gegen die Probe.
6. Schrauben Sie Hand-2 Kontakt in den mittleren Ring, die dafür sorgen, dass die vertikale Stamm von der axialen Belastung Messuhr auf halbem Weg zwischen den beiden Abschnitten des Mittleren Rings ist.
7. Entfernen Sie die zwei-Spacer-Stangen.
8. Entfernen Sie die drei Metallblöcke unter den unteren Ring.
9. Die axiale Belastung Messuhr mit dem Stiel in der Nähe der voll ausgefahrenen Position auf NULL.
10. Die diametralen Stamm Messuhr mit seinen Stamm in der Nähe der voll geschoben-in Position auf NULL.
11. Gelten Sie eine Reihe von Lasten in Schritten von ca. 10.000 Pfund, bis zu ca. 60.000 lbs. Zeichnen Sie bei jeder Laststufe die Längs- und Hoop Verformungen.

Schmidt-Hammer-Demonstration

1. Markieren Sie ein Raster von 2 Fuß x 2 Fuß auf einem Betonboden-Platte, mit einer Fläche von 10 ft x 10 ft. Wählen Sie eine Betonoberfläche das ist glatt, trocken und mindestens 4 Zoll (oder 102 mm) dick.
2. An jedem Gitterpunkt führen und Schmidt Rebound Hammer Test, wie in Schritten 3.3 3.4 aufzeichnen.
3. Bevor der Hammer zu Testzwecken verwendet werden kann, muss der Kolben aus den Hammer in die Tests Position freigegeben werden. Wenn der Kolben nicht verlängert wird, stecken Sie das Ende des Kolbens gegen eine steife Oberfläche und drücken Sie vorsichtig die Schmidt Hammer fest an der Oberfläche. Sie hören ein klicken, und der Kolben wird in die Testposition erweitern.
4. Drücken Sie vorsichtig die Rebound-Hammer gegen die Betonoberfläche getestet werden. Drückt man der Kolben bis zum Anschlag in die Rebound-Hammer, weiterhin schwerer zu schieben, bis Sie ein rasselndes Geräusch hören. Halten Sie den Rebound Hammer fest angedrückt der Betonoberfläche und lesen Sie die Rebound-Zahl auf der Skala.
5. Berechnen Sie den Mittelwert und Standardabweichung für diesen Satz von Messungen.

Der Zylinder Kompression tendenziell entlang der schiefen Ebene bei etwa 45 Grad zu scheitern. Diese Funktion zeigt, dass der Fehler nicht durch reine Kompression (Zerkleinerung des Zylinders), sondern vielmehr durch Scherkräfte oder genauer gesagt durch die Spaltung Spannung betont getrieben wurde.

Die Druckfestigkeit Testergebnisse werden berechnet, indem man die gemessene Maximallast (P_max) durch die gemessene Fläche. Die zusammenpressende Stärke-Wert wird als der Durchschnitt der drei Zylinder Tests übernommen, vorausgesetzt, dass keiner von ihnen führte zu einem Wert von weniger als 500 Psi vom Durchschnitt.

Des Elastizitätsmoduls und Poisson Verhältnis stammen von die erste Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve und das Verhältnis von längs auf quer Stämme. Der Wert des Elastizitätsmoduls gilt oft als , während die Poisson Verteilung zwischen 0,12 und 0,2 ist unterschiedlich ausgeprägt.

Der Durchschnitt der Schmidt Hammer Lesungen betrug 32,4 mit einer Standardabweichung von 1,3. Diese Ergebnisse werden als akzeptabel betrachtet, und die Festigkeit des Betons an Ort und Stelle war entschlossen, 4650 Psi basierend auf Kalibrierung auf parallele Zylinder Labortests werden.

Druckversuche auf konkrete Zylindern wurden sowie Messungen von Youngs Modulus, Poisson Verhältnis und eine Demonstration der NDT-Messungen in Beton ausgeführt. Kompression-Testergebnisse aus der Zylinder-Tests, wie diejenigen, die in dieser Übung Labor durchgeführt sind relativ einfach zu führen und zu Ergebnissen mit akzeptablen Variabilität. Messungen der Poisson Verhältnis und des Elastizitätsmoduls sind schwer zu machen, und diese Eigenschaften werden häufig durch empirische Formeln aus der Druckfestigkeit nicht durch experimentelle Methodik berechnet.

Druckversuche der hierin beschriebenen Art werden verwendet, um den Kraftzuwachs in Betonbauwerken zu überwachen. Die Ergebnisse von 28 Tagen haben diskrete Spezifikationen erfüllen, aber im Allgemeinen ist der Test nicht mit nur dem spezifischen Zweck der Spezifikationen erfüllt, oder prüfen die Stärke eines bestimmten Mitglieds ausgeführt. Die Grundidee dieser Tests ist, die Qualität des Betons geliefert über die Lebensdauer des gesamten Projekts zu überwachen.

Eine weitere häufige Anwendung der Zylinder zu testen ist Kernen extrahiert aus bestehenden Strukturen zu testen. In diesen Fällen ist die Absicht, festzustellen, ob die Struktur höher als ursprünglich für Lasten tragen kann. Ein Beispiel ist in älteren Brücken, wo der erhöhten LKW-Ladungen erfordern, dass Brücken für neue Lastkombinationen (Gewicht pro Achse und Achse Abstand, zum Beispiel) bewertet werden oder in forensischen Untersuchungen wo, nachdem ein Fehler aufgetreten ist, ist es notwendig, ausschließen bestimmte Ausfallarten.