Essais de compression sur le béton durci

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Il y a deux étapes distinctes dans un projet de construction béton. La première étape est le traitement par lots, transport et béton frais de coulée. À ce stade, le matériel est visqueux, et la maniabilité et la finishability sont les critères de performance clés. La deuxième phase se produit lorsque le processus d’hydratation commence peu après que le béton est placé sous la forme et le béton sera définie et commencent à durcir. Ce processus est très complexe, et pas toutes ses phases soient bien compris et caractérisés. Néanmoins, le béton devrait atteindre sa conception prévue résistance et la rigidité à environ 14 à 28 jours après la coulée. À ce stade, une série de tests sera menée sur des cylindres de béton coulé au moment de la mise en place pour déterminer les forces de compression et en traction du béton, mais aussi à l’occasion, sa rigidité.

Les objectifs de cette expérience sont de trois types : (1) pour effectuer des tests de compression cylindre pour déterminer le 7, 14 et 28 jours résistance du béton, (2) de déterminer le module d’élasticité à 28 jours et (3) pour démontrer l’utilisation d’un simple test non destructif pour déterminer la résistance du béton in situ .

Dès que le béton est mélangé et placé dans les formes, le processus d’hydratation débutera. Le processus d’hydratation commence avec la dissolution du ciment dans l’eau, ce qui conduit à une saturation des ions dans la solution. Les principaux constituants du ciment sont des silicates tricalcique (C₃S, environ 45-60 %), dicalcique silicates (C₂S, 15-30 %), aluminates tricalcique (C₃A, 6-12 %) et aluminoferrites tetracalcium (C₄AF, 6 à 8 %). En présence d’eau, les principales réactions suivantes se produisent :

Après hydratation commence, hydrates de sulfoaluminate de calcium (ettringite - structures aciculaires) rapidement commencer à se développer. En quelques heures, gros cristaux prismatiques d’hydroxyde de calcium et de petits cristaux fibreux des hydrates de silicate de calcium apparaîtra et commencer à remplir l’espace entre l’eau et le ciment. Finalement, les cristaux d’ettringite peuvent se décomposer en monosulfate hydrates. Les calcium silicate hydrates de méthane (CSH) structurent varie de mal cristallisée à amorphe, occupe 50 à 60 % du volume solid de la pâte de ciment hydraté, et a une superficie énorme (100-700 m2/g). La SCSH tirent leur force de liaisons covalentes et ioniques collage (~ 65 %), ainsi que de van der Waals (~ 35 %) de liaison au sein de la structure complexe.

D’un point de vue matériel, les facteurs qui affectent la résistance en béton sont les suivantes :

1. Proportions de mélange Plus l’eau-ciment (w/c) en masse, plus la résistance à la compression (f'_c), résistance à la traction (f,_t) et module de Young (E). D’autres facteurs, tels que le rapport de ciment, d’agrégat, gradation, surface texture, forme et la raideur des agrégats, démontrent une influence secondaire.
2. Type de ciment Le taux du processus d’hydratation dépend fortement de la finesse des particules de ciment. Si vous souhaitez une résistance initiale élevée, il est courant d’utiliser le ciment de Type 3, qui est tout à fait normal de ciment (Type 1) qui a été moulu pour beaucoup une finesse supérieure.
3. Durcissement Un autre facteur qui affecte significativement la puissance est la température et l’humidité au cours de laquelle le béton est guéri. En général, plus la température et l’humidité, plus vite l’hydratation. Par exemple, il est commun pour soigner des membres béton précontraints à des températures autour de 140 ° F à la vapeur afin d’obtenir 70 % ou plus de la résistance spécifiée dans la journée de la coulée.
4. Uniformité et consolidation Ces caractéristiques se réfèrent à l’homogénéité du mélange et la façon dont il a été initialement compact. L’absence de zones de faibles ou de grand air annule (mauvaise codification) et la présence d’un béton avec des propriétés uniformes devrait évidemment augmenter la force, avec toutes les autres variables restent les mêmes.

D’un point de vue test , les facteurs qui affectent la résistance en béton sont les suivantes :

1. Condition de l’humidité Spécimen le plus humide, plus la force.
2. Rugosité de la surface de chargement Plus la surface est le plus rugueuse, plus la force.
3. Le taux de chargement Le plus rapide le chargement, plus la force.
4. Durcissement de température et humidité Plus la température et l’humidité au cours de laquelle les spécimens étaient conservés avant l’essai, plus la force.
5. Retenue de fin Le type de tête de chargement influe sur la répartition des contraintes dans l’éprouvette. Le test idéal tête de chargement est une « brosse platten », cependant, ce type de tête de chargement est coûteux à fabriquer et répétabilité est un problème. Têtes en acier sont généralement utilisés, mais leur rigidité conduit à des résistances plus élevées apparents. L’utilisation de composés pour répartir les contraintes plus uniformément dans l’ensemble de l’échantillon de forme a amélioré beaucoup de ce problème.
6. Type de machine d’essai Machines d’essai peuvent être classées aussi dur (très rigide) ou moelleux (moins rigide) en ce qui concerne leur rigidité. Une machine à crème molle suit la courbe contrainte-déformation mieux que le spécimen échoue ; Cependant, l’énergie accumulée supplémentaire sortira et conduire plus vite crack propagation et donc une plus faible résistance apparente.
7. Géométrie de l’échantillon Aux États-Unis, les cylindres (traditionnellement 6" diamètre par 12" de haut, mais plus récemment 4 "x 8" ones) sont couramment utilisés. En Europe, cubes (6" par 6" ou plus petits) sont utilisés. Bien que le rapport de force cube à force de cylindre diminue avec l’augmentation de la résistance du béton, il est souvent supposé que la force d’un spécimen de cube sera environ 1,25 supérieure à celle d’un cylindre. Dans les tests de cylindre, la longueur sur le rapport de diamètre (1/j) influe également sur la force mesurée. Le cylindre standard a un ratio l/d de 2,00, et on trouvera des facteurs de correction pour les autres rapports.

Tests de compression sont exécutés sur une machine d’essai hydraulique. Cette machine est différente de la machine d’essai universelle que nous avons utilisé dans d’autres laboratoires, car il est alimenté par une pompe hydraulique simple. Cette machine d’essai ne fonctionne qu’en compression et a une course relativement courte. Pour le test de compression, la capacité de charge doit être très élevée (300 000 lb ou 300 kips ou plus) afin de tester la haute résistance des bétons, comme les cylindres 12 po ont une superficie de 28,2 po²et forces concrètes peuvent s’étendre jusqu'à 20 ksi dans des applications pratiques. Ce type de béton nécessitera qu'une machine d’une capacité d’au moins 600 kips.

Le test pour module de Young et coefficient de Poisson est effectué en utilisant un compressometer. Cet appareil est installé dans un cylindre de béton lors d’un essai de compression et sert à mesurer longitudinales et cerceau de déformations. Le comparateur longitudinal est utilisé pour calculer les souches longitudinales, qui, en combinaison avec le stress, servent à calculer le module de Young. Le rapport de l’effort de cerceau avec la tension longitudinale peut servir à calculer retour du coefficient de Poisson. Module de Young et coefficient de Poisson sont valides seulement faibles de charge (certainement moins de 40 % d’ultime), microfissuration du béton commencera aux alentours de 30 % de l’ultime, et le comportement du béton sera clairement non linéaire début autour 60 % de l’ultime. Après ce point, coefficient de Poisson perd son sens, comme le béton débuteront des comportements dilatateur à cause de la fissure (c.-à-d., le coefficient de Poisson deviendra négatif).

Alors que les tests de cylindre sont utiles pour déterminer la qualité du béton livré sur le site, ce test ne nous dit pas ce qu’est la résistance du béton in situe. Même durcissement des vérins sur site ne fournit pas des résultats très fiables. Ainsi, il y a eu un grand effort pour développer des techniques de (NDT) essais non destructifs économiques afin d’évaluer la résistance du béton in situ au cours des 40 dernières années. Deux des plus courants techniques au début utilisez le marteau Schmidt et la sonde de Windsor. Ces deux techniques sont des exemples de test de dureté de surface, qui peuvent être liées à la force par le biais de procédures d’étalonnage approprié.

Le marteau Schmidt est un dispositif simple, actionnés par ressort qui tire un poids d’acier sur une surface et mesure son rebond. Avec calibration appropriée de l’appareil pour un mélange donné, on trouvera des résultats fiables. Comme il ne prend que quelques secondes pour courir, ce test est un moyen très efficace de mesurer la consistance du béton à travers une ou plusieurs séquences de coulée.

La sonde de Windsor, en revanche, est une arme à feu actionnés par poudre qui tire trois sondes dans le béton dans un modèle triangulaire et mesure le taux de pénétration moyen. Comme avec le marteau Schmidt, étalonnage à une combinaison particulière est important afin d’obtenir des résultats fiables. La sonde de Windsor n’est pas exactement non destructives, comme les sondes doivent être supprimés, et le béton surface patché. La profondeur et l’étendue de ces îlots est petit, donc la réparation n’est pas un problème majeur. Il existe de nombreux appareils plus récents et les plus sophistiqués et des techniques en usage aujourd'hui pour caractériser la résistance du béton in situ, mais ces méthodes sont au-delà de la portée de ce laboratoire.

Essai de compression

1. Retirez les cylindres de béton de la zone de stockage ou polymérisation salle et la surface sécher les bouteilles.
2. Sélectionner six cylindres pour ce test et mesurer le diamètre de chacun des cylindres.
3. Assurez-vous que les extrémités des cylindres sont une surface aussi plate que possible. Comme la partie supérieure des cylindres ne sont probablement pas très plat, l’un doit a moudre les extrémités cylindriques en béton avec Pierre de frottement de maçon pour supprimer les irrégularités de surface et monter un bouchon bitumineux aux deux extrémités du cylindre, ou (b) placer un embout de néoprène à chaque extrémité. Dans cet atelier, nous utiliserons des capuchons d’extrémité en néoprène, car cette méthode est de loin la plus simple. Cependant, même en utilisant cette technique, les imperfections de surface importantes doivent être retirées au préalable.
4. Appliquer la charge compressive lentement et continuellement jusqu'à ce que la charge maximale est atteinte. Le taux de chargement doit être entre 20 lb/po2 à 50 lb/po2 par seconde (150 lb à 300 lb par seconde). Pendant l’essai, rupture du cylindre est imminente lorsque l’indicateur de charge au ralenti et enfin s’arrête. Laisser la charge compressive de continuer jusqu'à ce que le cylindre est écrasé. Examiner de près le type de rupture du cylindre.
5. Enregistrer la charge maximale et déterminer la résistance à la compression pour chaque échantillon testé.

Déterminer le module de Young

1. D’une part les essais de compression de cylindre, installer un compressometer autour du cylindre suivant étapes 2.2 à 2.10.
2. Dévisser les vis de contact sept (2 sur la bague de blocage supérieur, 3 sur la bague de verrouillage inférieure et 2 sur l’anneau intermédiaire) jusqu'à ce que les points soient alignés avec l’intérieur surface des anneaux.
3. Placez le compressometer sur l’échantillon de béton localiser l’échantillon au centre de l’anneau.
4. Placez les trois blocs de longueur égale sous la bague inférieure. La longueur des blocs (cylindres) doit être verticale pour fournir la bonne hauteur.
5. Serrer les 3 vis de contact dans la bague inférieure et les 2 vis de contact dans l’anneau supérieur contre le spécimen.
6. Serrer les 2 vis de contact dans l’anneau intermédiaire en vous assurant que la tige verticale de l’indicateur de cadran de déformation axiale est à mi-chemin entre les deux parties de l’anneau intermédiaire à la main.
7. Enlever les tiges de deux-entretoise.
8. Retirez les trois blocs de métal sous la bague inférieure.
9. Zéro le comparateur de déformation axiale avec la tige à proximité de la position maximale.
10. Zéro le comparateur diamétralement souche avec sa tige à proximité de la position complètement poussé.
11. Appliquer une série d’étapes d’environ 10 000 lb, jusqu'à environ 60 000 lbs de charge. À chaque échelon de charge, enregistre les déformations longitudinales et cerceau.

Démonstration de marteau Schmidt

1. Marquer une grille de 2 pi x 2 pi sur une dalle de plancher de béton, d’une superficie de 10 pi x 10 pi sélectionnez une surface en béton qui est lisses, secs et au moins 4 pouces (ou 102 mm) épais.
2. À chaque point de grille, conduite et enregistrer un test de marteau de rebond de Schmidt, énoncés dans étapes de 3,3 à 3,4.
3. Avant que le chien peut être utilisé pour l’essai, le piston doit être libéré hors le marteau dans la position d’essai. Si le piston n’est pas étendu, placer l’extrémité du piston contre une surface rigide et appuyez doucement sur le marteau Schmidt fermement contre la surface. Vous entendrez un déclic, et le piston s’étendra dans la position d’essai.
4. Appuyez doucement sur le marteau de rebond contre la surface du béton à tester. Lorsque le piston est enfoncé complètement dans le marteau de rebond, continuer à pousser plus fort jusqu'à ce que vous entendiez un bruit de crécelle. Garder le marteau de rebond fermement pressé contre la surface du béton et lire le nombre de rebond sur l’échelle.
5. Calculer la moyenne et l’écart-type pour cet ensemble de mesures.

Les cylindres en compression ont tendance à échouer le long d’un plan incliné, à environ 45 degrés. Cette fonction indique que l’échec n’était pas animé par compression pure (écrasement du cylindre) mais plutôt par les forces de cisaillement ou plus précisément en fractionnant les contraintes de tension.

Les résultats des essais de compression sont calculées en divisant la charge maximale mesurée (P la_max) de la zone mesurée. La valeur de la résistance à la compression est considérée comme la moyenne des trois épreuves de cylindre, pourvu qu’aucun d'entre eux n’a donné lieu à une valeur de moins de 500 lb/po2 par rapport à la moyenne.

Le module de Young et coefficient de Poisson sont obtenus à partir de la pente initiale de la courbe contrainte-déformation et du ratio de longitudinale aux souches transversales. La valeur du module de Young est souvent prise comme , tandis que le coefficient de Poisson varie entre 0,12 et 0,2.

La moyenne des lectures Schmidt hammer était de 32,4 avec un écart de 1.3. Ces résultats sont considérés comme acceptables, et la résistance du béton in situe a été établie à 4650 lb/po2, basé sur l’étalonnage aux tests de cylindre de laboratoire parallèle.

Essais de compression sur des cylindres de béton ont été réalisés, ainsi que les mesures du module de Young, coefficient de Poisson et une démonstration de mesures NDT dans le béton. Résultats de test de compression par les essais de cylindre, comme ceux effectués dans cet exercice de laboratoire, sont relativement simples à réaliser et produire des résultats avec une variabilité acceptable. Mesures du coefficient de Poisson et d’Young sont difficiles à faire, et ces propriétés sont souvent calculées par les formules empiriques de la résistance à la compression plutôt que par la méthode expérimentale.

Des essais de compression du type décrit ci-après sont utilisées pour contrôler le gain de force des structures en béton. Les résultats à 28 jours doivent répondre aux spécifications de discrets, mais en général, le test n’est pas exécuté avec seulement le but spécifique de répondant aux spécifications, ou le contrôle de la force d’un membre particulier. L’idée principale de ces tests est de contrôler la qualité de tout le béton livré au cours de la durée de vie de l’ensemble du projet.

Une autre application courante de cylindre test est de tester les carottes extraites des structures existantes. Dans ces cas, l’intention est de déterminer si la structure peut porter des charges plus élevés qu’initialement conçu pour. Un exemple se trouve dans des ponts plus âgés, où les charges accrues nécessitent que les ponts être adaptée aux nouvelles combinaisons de charges (poids par essieu et l’espacement des essieux, par exemple) ou dans les enquêtes judiciaires où après une panne est survenue, il est nécessaire écarter la possibilité certains modes de défaillance.