Prove su calcestruzzo fresco

Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Il calcestruzzo è uno dei materiali da costruzione più comuni e si compone di due fasi: la fase di malta, composta da calcestruzzo, acqua e aria, e la fase aggregata, composta da aggregati grossolani e fini. Ci sono due considerazioni chiave quando si progetta un mix concreto. In primo luogo, il calcestruzzo deve essere lavorabile e facile da gettare nelle forme nelle sue condizioni fresche, anche quando le forme sono imballate con rinforzi in acciaio. In questa condizione, è la reologia del calcestruzzo che è importante. In secondo luogo, la miscela deve produrre un calcestruzzo temprato di resistenza specificata a 28 giorni (o tempo specificato simile) che sia durevole e fornisca una buona manutenzione.

In questo esercizio di laboratorio, verrà esplorato un metodo di dosaggio della miscela di calcestruzzo, chiamato metodo del lotto di prova. Il calcestruzzo prodotto verrà utilizzato per condurre test tipici per determinare le principali caratteristiche del calcestruzzo fresco, tra cui crollo, scorrevolezza, contenuto d'aria e densità. Il metodo del lotto di prova è un approccio semplice ed empirico alla progettazione della miscela.

Gli obiettivi di questo esperimento sono quadruplicati: (1) utilizzare il metodo della miscela batch di prova per determinare proporzioni ottimali di aggregati, cemento e acqua per il calcestruzzo per soddisfare i requisiti di crollo specificati, (2) imparare la pratica di miscelazione del calcestruzzo in un ambiente di laboratorio, (3) osservare le proprietà caratteristiche del calcestruzzo fresco e (4) preparare cilindri di calcestruzzo 4 "x8" per la successiva valutazione.

Nel metodo del lotto di prova, viene prima selezionato un adeguato rapporto acqua-cemento(w/c, in massa) per ottenere la resistenza desiderata (Tabella 1) e la durata (Tabella 2); quindi viene prodotta una miscela con quello specifico w / c, incorporando aggregato fine e grossolano per ottenere la consistenza plastica desiderata (cioè crollo e lavorabilità). In pratica, questo processo è spesso iterativo, dove vengono preparati diversi lotti e di conseguenza modificati per ottenere la miscela più economica con le proprietà desiderate.

Tabella 1. Minimo w / c per raggiungere la resistenza del progetto.

Tabella 2. Massimo w/c per categorie di durabilità selezionate.

Il metodo di prova inizia con la specifica dei costituenti di base: cemento, acqua, aggregati grossolani e fini e contenuto di aria target. Si presume che gli aggregati grossolani e fini siano inerti, quindi le principali variabili nella miscela sono il cemento, l'acqua e l'aria. Il rapporto acqua/cemento (w/c) è il parametro più importante, in quanto la resistenza del calcestruzzo (Tabella 1) dipende direttamente da questa quantità, che varia tipicamente da circa 0,35 per il calcestruzzo ad alta resistenza, a circa 0,6 per il calcestruzzo a bassa resistenza (vialetti e marciapiedi). Un rapporto w/c più basso diminuisce la permeabilità del calcestruzzo, migliorandone la durata riducendo le velocità con cui gli ioni salini penetrano nel calcestruzzo e portano alla corrosione dell'armatura (Tabella 2). Arbitrariamente, la forza viene solitamente misurata a 28 giorni dopo la fusione.

Un crollo, o misura della scorrevolezza del calcestruzzo, è anche comunemente specificato per facilitare il posizionamento del calcestruzzo nella cassaforma. Il test di slump consiste nel riempimento con calcestruzzo fresco e nella compattazione di un cono di acciaio invertito in tre strati. Una volta riempito il cono, il cono viene sollevato verticalmente e viene misurata la quantità che il calcestruzzo crolla. Per una buona lavorabilità, i crolli nell'intervallo da 3 a 5 pollici sono comunemente specificati. Il comportamento del calcestruzzo sotto questo test è anche una preziosa indicazione della coesione della miscela. Un mix ben proporzionato si accascierà gradualmente a un'altitudine inferiore e manterrà la sua forma originale, mentre un mix povero si sgretolerà, si segregherà e cadrà a pezzi.

Anche il contenuto d'aria svolge un ruolo importante nella durata, soprattutto se il calcestruzzo è destinato all'uso in una regione che subisce cicli di congelamento e scongelamento. Quando si verifica il congelamento, l'acqua libera si trasforma rapidamente in ghiaccio, espandendosi di circa il 10%. Pertanto, ci devono essere molte bolle d'aria molto piccole e strettamente distanziate nella miscela per consentire questa espansione senza rompere il calcestruzzo. Per aumentare la resistenza al gelo-disgelo, gli agenti di trascinamento dell'aria vengono aggiunti al calcestruzzo per aumentare la quantità di aria dall'1-2% a circa il 5-7% del volume totale. La maggiore quantità di aria si traduce in una minore resistenza, quindi per una data forza, è necessario un w/c più alto se si utilizza il trascinamento dell'aria (vedere Tabella 1). Esistono diverse tecniche che possono essere utilizzate per misurare il contenuto di aria nel calcestruzzo fresco e la selezione di quale tecnica utilizzare si basa sulla disponibilità delle apparecchiature.

Il guadagno di resistenza del calcestruzzo dipende anche da diversi altri fattori, con la temperatura e l'umidità di polimerizzazione che rappresentano gli altri maggiori fattori che contribuiscono alla resistenza. La polimerizzazione ad alta temperatura e umidità accelera significativamente il guadagno di forza.

Per i materiali di questo laboratorio vengono forniti i seguenti dati:

• Cemento: Cemento normale (Tipo I) con un peso specifico (SG) di 3,15
• Crollo: il crollo iniziale desiderato è 3,5 + 0,5 pollici. Questo calcestruzzo è facilmente gettato ma richiederà vibrazioni se ci sono piccoli spazi tra il rinforzo in acciaio e le forme.
• Contenuto d'aria: la miscela di calcestruzzo sarà specificata come non addinata dall'aria. Tuttavia, ci sarà un po 'd'aria intrappolata. Supponiamo l'1,5% di aria intrappolata.
• Rapporto acqua/cemento (w/c): Questo valore sarà variabile, ma la miscela originale sarà per un w/c = 0,45.
• Aggregati grossolani: verrà utilizzata una gradazione di granito frantumato #67. L'aggregato grossolano ha un peso specifico (BULK SSD) di 2,65, una capacità di assorbimento dello 0,58%, un peso unitario a secco di 100 pcf e una dimensione massima aggregata (MSA) di 3/4".
• Aggregati fini: verrà utilizzata una sabbia naturale. L'aggregato fine ha un peso specifico (BULK SSD) di 2,63 e una capacità di assorbimento dello 0,40%.
• Il contenuto effettivo di umidità (MC) sia per l'aggregato grossolano che per quello fine deve essere determinato: il design della miscela sarà per la condizione di superficie satura secca (SSD).

Le quantità dei materiali utilizzati per questo esperimento sono elencate nella tabella 3 di seguito. La quantità di materiale dovrebbe essere sufficiente per produrre calcestruzzo per gettare dieci campioni di cilindro da 4 pollici di diametro per 8 pollici di lunghezza. La quantità di aggregato grossolano e sabbia verrà regolata durante il dosaggio per ottenere un'adeguata lavorabilità e crollo per la miscela di calcestruzzo.

Tabella 3. Quantità iniziale di materiali per laboratorio di betonaggio calcestruzzo (lb.).

Il mix design descritto nel presente documento non contiene inizialmente alcuna miscela. Gli additivi sono additivi chimici che vengono utilizzati per migliorare la lavorabilità e l'economia del calcestruzzo fresco o per aumentare la durata a lungo termine del calcestruzzo. Esempi di additivi utilizzati per migliorare la lavorabilità includono superplastificanti o sostanze chimiche che riducono considerevolmente la viscosità di una miscela per un breve periodo di tempo al fine di consentire un facile posizionamento nelle forme. Altri esempi di additivi utilizzati per motivi economici includono riduttori d'acqua di alta gamma, o additivi che mantengono la stessa lavorabilità con meno acqua e di conseguenza meno cemento (per un rapporto w/c costante). Infine, esempi di additivi utilizzati per migliorare la durata includono agenti di trascinamento dell'aria o sostanze chimiche che creano molte piccole bolle d'aria ben disperse che consentono all'acqua libera nel calcestruzzo indurito di espandersi al momento del congelamento senza fessurazioni.

La procedura seguente descrive prima il processo di miscelazione e poi i test tipici (crollo, densità e contenuto d'aria) utilizzati sul campo per determinare la lavorabilità, la coerenza e la qualità. La procedura qui descritta è stata trovata per funzionare bene con una piccola betoniera.

1. Miscelazione del calcestruzzo con il metodo di prova

1. Pesare quantità di aggregati grossolani e aggregati fini e conservarli in contenitori separati. Registrare i pesi esatti sulla scheda tecnica.
2. Pesare la quantità di cemento di cui sopra nella Tabella 1 e metterla in un contenitore separato.
3. Pesare la quantità di acqua di miscelazione indicata sopra nella Tabella 1 e metterla in un contenitore.
4. Inumidire l'interno del miscelatore e tutti gli strumenti che verranno utilizzati, in modo che siano bagnati ma non con acqua stagnante.
5. Mettere l'aggregato grossolano, l'aggregato fine e circa 1/5 dell'acqua nella piccola betoniera e mescolare per circa 2 minuti.
6. Con il miscelatore ancora rotante, iniziare ad aggiungere il cemento e l'acqua aggiuntiva con piccoli incrementi (dal 10% al 20% del totale in ogni passaggio) e mescolare per altri 5 minuti.
7. Arrestare il miscelatore e testare il crollo della miscela di calcestruzzo. Nel testare il crollo, inumidire il cono di crollo e metterlo nella padella di miscelazione. Tenere saldamente il cono di crollo contro la padella. Riempire il cono di crollo con calcestruzzo in tre strati, ciascuno di circa un terzo del volume del cono di crollo per ogni strato.
8. Asta ogni strato con 25 colpi, distribuiti uniformemente sulla sezione trasversale del cono. L'asta dovrebbe penetrare leggermente nello strato precedente. Dopo che lo strato superiore è stato rodato, eliminare il calcestruzzo in eccesso con l'asta di pressatura, in modo che il cono sia riempito esattamente.
9. Rimuovere immediatamente il cono dal calcestruzzo sollevandolo con attenzione in direzione verticale. Misurare il "crollo" del calcestruzzo determinando la differenza tra l'altezza dello stampo e l'altezza del calcestruzzo sovvenzionato.
10. Al termine della misurazione del crollo, picchiettare delicatamente il lato del frusto di cemento con l'asta di pigiatura.
11. A questo punto il crollo della miscela dovrebbe essere compreso tra 3 e 4 pollici. Se il crollo è troppo basso, o il mix sembra essere duro, aggiungere gradualmente piccole quantità di aggregato fine o grossolano (o entrambi), remixare accuratamente il calcestruzzo e ritestare il crollo. Ripetere questo processo fino a quando la miscela raggiunge il crollo e la consistenza desiderati. Assicurati di tenere traccia delle quantità aggiuntive di materiale utilizzato.
12. Quando il lotto è giudicato soddisfacente dal test di slump, pesare gli aggregati rimanenti e registrarli nella scheda tecnica. Calcolare la quantità effettiva di aggregati grossolani e fini utilizzati nella miscela di calcestruzzo dai pesi iniziali.
13. Determinare il peso unitario della miscela di calcestruzzo riempiendo e pesando un contenitore da 1 piede cubo. Il contenitore deve essere riempito e rodato allo stesso modo del cono per il test di crollo.

2. Test di trascinamento dell'aria

Se la miscela di calcestruzzo è stata progettata per una regione con cicli di congelamento-disgelo, è probabile che sarebbe stato specificato un contenuto di miscela di trascinamento dell'aria per portare il contenuto totale di aria a un intervallo compreso tra il 6% e l'8%. Per dimostrare questo effetto, prendi il calcestruzzo rimanente e remixalo mentre aggiungi la miscela di trascinamento dell'aria. In primo luogo, mescolare per circa 3 minuti, quindi eseguire un test del contenuto d'aria utilizzando un apparato di trascinamento dell'aria. Tieni presente che la procedura per condurre il test è specifica del dispositivo, quindi la seguente procedura si riferisce esclusivamente al dispositivo utilizzato in questo video o simile.

1. Riempire il contenitore inferiore con calcestruzzo seguendo le istruzioni per ottenere un peso unitario.
2. Chiudere la valvola dell'aria principale di colore rosso sulla parte superiore del ricevitore dell'aria.
3. Aprire entrambi i petcock situati sulla parte superiore del coperchio.
4. Posizionare il coperchio sul contenitore del materiale e chiudere i quattro morsetti a levetta.
5. Versare acqua nell'imbuto fino a quando l'acqua non esce dal petcock al centro del coperchio.
6. Barattolo delicato il misuratore fino a quando non escono bolle d'aria attraverso il petcock centrale. Chiudi entrambi i petcock.
7. Chiudere la valvola dell'aria principale e la valvola di spurgo all'estremità del ricevitore dell'aria.
8. Pompare delicatamente l'aria nel ricevitore fino a quando la mano dell'indicatore si avvicina alla linea rossa. Assicurati che la mano passi il punto di partenza iniziale. Non importa se la mano è su un lato o sull'altro lato della linea rossa.
9. Toccare delicatamente l'indicatore con una mano. Allo stesso tempo, rompere la valvola di spurgo fino a quando la mano del misuratore non si appoggia esattamente sul punto di partenza iniziale.
10. Chiudere rapidamente la valvola di spurgo. Aprire la valvola dell'aria principale tra il ricevitore dell'aria e il contenitore del materiale.
11. Barattolo leggermente il contenitore dopo aver rilasciato la pressione per consentire alle particelle di riorganizzarsi. Toccare delicatamente l'indicatore fino a quando la mano del misuratore non si riposa. Registrare la lettura come percentuale di aria trascinata.

3. Preparazione del cilindro di prova del calcestruzzo

1. Riempire gli stampi del cilindro posizionando il calcestruzzo nello stampo del cilindro in tre strati di volume approssimativamente uguale.
2. Asta ogni strato con 25 colpi usando una piccola asta di pressatura (asta di diametro 1/4 in). Distribuite uniformemente i tratti sulla sezione trasversale dello stampo.
3. Dopo che lo strato superiore è stato rodato, colpire la superficie del calcestruzzo con una cazzuola. Riempire un totale di dieci campioni di cilindri in calcestruzzo. Misurare il peso di tutti e dieci gli stampi cilindrici riempiti di calcestruzzo e registrare il peso sulla scheda tecnica.
4. Coprire i cilindri di cemento con un sacchetto di plastica per evitare l'evaporazione dell'acqua dal calcestruzzo.
5. Per la miscela finale, calcolare il peso richiesto dei materiali per realizzare un metro cubo di calcestruzzo. Registrare questi risultati nella scheda tecnica.
6. Dopo 24 + 8 ore, rimuovere gli stampi in plastica usa e getta dai campioni di cilindro di cemento. I cilindri vengono quindi collocati nell'ambiente di polimerizzazione elencato nella Tabella 1. I regimi di polimerizzazione tipici sono: (1) indurimento in camera di nebbia a 73,5 + 3,5^oF (23 + 2^oC) e 100% RH, secondo ASTM C 192, (2) polimerizzazione ambientale in laboratorio e (3) indurimento isolato (cioè scatola di polimerizzazione). Useremo la polimerizzazione ambientale in questo esperimento.

4. Aggiunta di superplastificanti

1. Per dimostrare l'uso di una miscela, restituire tutto il calcestruzzo al miscelatore e aggiungere una piccola quantità di superplastificante. Mescolare bene per 3 minuti e condurre un test della tabella di flusso.
2. Bagnare il tavolo e lo stampo. Pulire l'acqua in eccesso.
3. Mentre si tiene saldamente lo stampo, riempire lo stampo con calcestruzzo in due strati. Asta ogni strato 25 volte, assicurandosi che il rodding sia uniforme in tutta l'area della sezione trasversale.
4. Colpisci la parte superiore dello stampo, in modo che lo stampo sia riempito esattamente.
5. Rimuovere lo stampo con una costante trazione verso l'alto.
6. Usando la maniglia, solleva e rilascia il tavolo da un'altezza di 0,5 pollici, 15 volte in circa 15 secondi.
7. Prendi la media di sei misurazioni della pinza distribuite simmetricamente all'1/4 di in più. Questo valore sarà il diametro del calcestruzzo diffuso.

In generale, miscele come quella sopra descritta avranno crolli da 3 a 4 pollici. Tali valori sono comuni per i piccoli lavori con poca congestione dell'acciaio nelle forme. Nella costruzione moderna, l'uso diffuso di superplastificanti ha fatto sì che sia economico ottenere crolli molto più elevati (da 6 a 10 pollici, cioè calcestruzzo autolivellante). Le miscele non air-entrained mostreranno un contenuto d'aria inferiore al 2%, mentre le miscele air-entrained, a seconda del dosaggio di miscela, mostreranno un contenuto d'aria dal 5% all'8%. Il peso unitario dei calcestruzzi di peso normale è di circa 145-150 libbre per piede cubo, ma il calcestruzzo realizzato con aggregati leggeri (cioè scisti espansi) può essere leggero da 100 a 120 libbre per piede cubo.

I test del cono di crollo e della tavola di flusso sono risultati di test in situ utilizzati per determinare se il calcestruzzo consegnato al sito ha la lavorabilità specificata. Questi test hanno lo scopo di garantire un'adeguata reologia per la miscela, cioè una buona "viscosità" iniziale che dura abbastanza a lungo da permettere al calcestruzzo di arrivare dall'impianto di betonaggio alla sua posizione finale nelle forme senza lasciare grandi vuoti o difetti simili intorno all'armatura. Inoltre, il test del contenuto d'aria è fondamentale per garantire una durata a lungo termine nelle aree in cui si verificano cicli di congelamento-scongelamento. Va notato che tutti questi test sono nel migliore dei casi un tentativo di determinare quantità difficili da misurare nelle migliori circostanze. Sotto la pressione del tempo e il caos di un cantiere, questi test forniscono misure indirette di importanti proprietà a breve e lungo termine.

Il test qui descritto viene utilizzato ogni giorno in migliaia di cantieri negli Stati Uniti e in tutto il mondo. L'applicazione principale per un test di questo tipo è quella di fornire controllo di qualità e garanzia di qualità. Alcuni dei cilindri di prova gettati in questo laboratorio saranno polimerizzati in condizioni specifiche (indurimento della stanza della nebbia a 73,5 + 3,5^oF e 100% di umidità relativa) e testati a 28 giorni per determinare se il design della miscela era appropriato. La temperatura e l'umidità relativamente elevate assicurano che la maggior parte del cemento si idrata, quindi il rapporto w / c per questa miscela fornirà calcestruzzo forte e durevole. Questo lavoro sperimentale garantisce che gli impianti di betonaggio soddisfino le specifiche richieste. Alcuni dei cilindri di prova saranno polimerizzati in condizioni ambientali sul posto di lavoro per determinare la velocità di polimerizzazione del calcestruzzo in situ. Sul posto, lo sviluppo della forza è legato principalmente alle condizioni di temperatura e umidità, che sono casuali e possono variare sostanzialmente in un periodo di 28 giorni. Per compensare queste condizioni, viene spesso utilizzato il concetto di maturità concreta. La maturità del calcestruzzo è calcolata in gradi giorni, sommando generalmente il numero di giorni volte la differenza tra la temperatura media giornaliera e una temperatura di riferimento (generalmente 32^oF). Quando il numero di gradi-giorno raggiunge i mille, si presume che il calcestruzzo abbia raggiunto la forza prevista.