Prüfung der Druckfestigkeit von Beton – Was, warum und wie?

Informationen der National Ready Mixed Concrete Association

Was ist die Druckfestigkeit von Beton?

Betonmischungen können so konzipiert werden, dass sie eine breite Palette mechanischer und dauerhafter Eigenschaften aufweisen, um die Konstruktionsanforderungen einer Struktur zu erfüllen. Die Druckfestigkeit von Beton ist das am häufigsten verwendete Maß für die Leistungsfähigkeit, das von Ingenieuren bei der Planung von Gebäuden und anderen Bauwerken verwendet wird. Die Druckfestigkeit wird gemessen, indem zylindrische Betonproben in einer Druckprüfmaschine gebrochen werden. Die Druckfestigkeit errechnet sich aus der Bruchlast geteilt durch die Querschnittsfläche, die der Last standhält, und wird in Einheiten von Pfund pro Quadratzoll (psi) in US Customary Units oder Megapascal (MPa) in SI-Einheiten angegeben. Die Anforderungen an die Druckfestigkeit von Beton können von 2500 psi (17 MPa) für Wohngebäude bis zu 4000 psi (28 MPa) und höher für gewerbliche Bauten reichen. Höhere Festigkeiten bis zu und über 70 MPa (10.000 psi) sind für bestimmte Anwendungen spezifiziert.

Warum wird die Druckfestigkeit bestimmt?

Die Ergebnisse von Druckfestigkeitsprüfungen werden in erster Linie dazu verwendet, um festzustellen, ob die Betonmischung im Lieferzustand die Anforderungen der spezifizierten Festigkeit, ƒ′c, in der Auftragsspezifikation erfüllt.

Die Ergebnisse von Druckfestigkeitsprüfungen an gegossenen Zylindern können zur Qualitätskontrolle, zur Abnahme des Betons oder zur Abschätzung der Betonfestigkeit in einem Bauwerk verwendet werden, um Bauarbeiten wie das Ausschalen zu planen oder die Angemessenheit der Nachbehandlung und des Schutzes des Bauwerks zu beurteilen. Zylinder, die für die Abnahme und Qualitätskontrolle geprüft werden, werden gemäß den Verfahren hergestellt und ausgehärtet, die in der ASTM C 31 Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Probes in the Field (Standardverfahren für die Herstellung und Aushärtung von Betonprüfkörpern im Feld) für standardausgehärtete Proben beschrieben sind. Für die Abschätzung der Festigkeit des Betons an Ort und Stelle bietet ASTM C 31 Verfahren für feldgehärtete Probekörper. Zylindrische Probekörper werden nach ASTM C 39, Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Probes, geprüft.

Ein Prüfergebnis ist der Durchschnitt von mindestens zwei standardisierten Festigkeitsproben, die aus derselben Betonprobe hergestellt und im gleichen Alter geprüft wurden. In den meisten Fällen liegen die Festigkeitsanforderungen für Beton bei einem Alter von 28 Tagen.

Planungsingenieure verwenden die spezifizierte Festigkeit ƒ’c, um Bauelemente zu entwerfen. Diese Festigkeitsvorgaben werden in die Vertragsunterlagen aufgenommen. Die Betonmischung wird so ausgelegt, dass die durchschnittliche Festigkeit ƒ′cr höher ist als die angegebene Festigkeit, so dass das Risiko der Nichteinhaltung der Festigkeitsspezifikation minimiert wird. Um die Festigkeitsanforderungen einer Auftragsspezifikation zu erfüllen, gelten die folgenden Akzeptanzkriterien:

• Der Durchschnitt von drei aufeinanderfolgenden Prüfungen sollte die angegebene Festigkeit ƒ’c
• Keine einzelne Festigkeitsprüfung sollte ƒ’c um mehr als 500 psi (3.45 MPa) unterschreiten; oder um mehr als 0,10 ƒ’c, wenn ƒ’c mehr als 5000 psi (35 MPa) beträgt

Es ist wichtig zu verstehen, dass eine einzelne Prüfung, die unter ƒ’c fällt, nicht notwendigerweise eine Nichterfüllung der Spezifikationsanforderungen bedeutet. Wenn der Durchschnitt der Festigkeitsprüfungen eines Auftrags die geforderte durchschnittliche Festigkeit ƒ′cr erreicht, beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Festigkeitsprüfungen unter der angegebenen Festigkeit liegen, etwa 10 %, was in den Abnahmekriterien berücksichtigt wird.

Wenn die Ergebnisse der Festigkeitsprüfungen darauf hindeuten, dass der gelieferte Beton die Anforderungen der Spezifikation nicht erfüllt, ist es wichtig zu erkennen, dass der Fehler möglicherweise bei der Prüfung und nicht beim Beton liegt. Dies gilt insbesondere dann, wenn Herstellung, Handhabung, Aushärtung und Prüfung der Zylinder nicht in Übereinstimmung mit Standardverfahren durchgeführt werden. Siehe CIP 9, Niedrige Festigkeit von Betonzylindern.

Historische Festigkeitsprüfungen werden vom Betonhersteller verwendet, um die angestrebte durchschnittliche Festigkeit von Betonmischungen für zukünftige Arbeiten festzulegen.

WIE wird die Festigkeit von Beton geprüft

• Zylindrische Probekörper für die Abnahmeprüfung sollten eine Größe von 6 x 12 Zoll (150 x 300 mm) oder 4 x 8 Zoll (100 x 200 mm) haben, wenn dies angegeben ist. Die kleineren Proben sind in der Regel einfacher herzustellen und im Feld und im Labor zu handhaben. Der Durchmesser des verwendeten Zylinders sollte mindestens das Dreifache der maximalen Nenngröße der im Beton verwendeten groben Gesteinskörnung betragen.
• Die Aufzeichnung der Masse des Probekörpers vor dem Verschließen liefert nützliche Informationen im Falle von Streitigkeiten.
• Um eine gleichmäßige Lastverteilung bei der Prüfung zu gewährleisten, werden die Zylinder im Allgemeinen mit Schwefelmörtel (ASTM C 617) oder Neoprenkissen (ASTM C 1231) verschlossen. Schwefelkappen sollten mindestens zwei Stunden und vorzugsweise einen Tag vor der Prüfung angebracht werden. Neoprenkappen können zur Messung von Betonfestigkeiten zwischen 1500 und 7000 psi (10 bis 50 MPa) verwendet werden. Für höhere Festigkeiten bis zu 12.000 psi dürfen Neoprenkappen verwendet werden, wenn sie durch begleitende Prüfungen mit Schwefelkappen qualifiziert sind. Die Anforderungen an die Durometerhärte für Neoprenpolster variieren je nach geprüfter Festigkeit zwischen 50 und 70. Bei übermäßigem Verschleiß sollten die Polster ausgetauscht werden.
• Zylinder sollten vor der Prüfung nicht austrocknen.
• Der Zylinderdurchmesser sollte an zwei rechtwinklig zueinander liegenden Stellen auf halber Höhe der Probe gemessen und zur Berechnung der Querschnittsfläche gemittelt werden. Weichen die beiden gemessenen Durchmesser um mehr als 2 % voneinander ab, sollte der Zylinder nicht geprüft werden.
• Die Enden der Proben sollten nicht mehr als 0,5º von der Senkrechten zur Zylinderachse abweichen, und die Enden sollten mit einer Genauigkeit von 0,05 mm (0,002 Zoll) plan sein.
• Zylinder sollten in der Druckprüfmaschine zentriert und bis zum vollständigen Bruch belastet werden. Die Belastungsrate auf einer hydraulischen Maschine sollte in der zweiten Hälfte der Belastungsphase in einem Bereich von 0,15 bis 0,35 MPa/s (20 bis 50 psi/s) gehalten werden. Die Art des Bruchs sollte aufgezeichnet werden. Ein häufiges Bruchbild ist ein konischer Bruch (siehe Abbildung).
• Die Betonfestigkeit wird berechnet, indem man die maximale Last beim Versagen durch die durchschnittliche Querschnittsfläche dividiert. C 39 hat Korrekturfaktoren, wenn das Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Zylinders zwischen 1,75 und 1,00 liegt, was selten vorkommt. Es werden mindestens zwei Zylinder im gleichen Alter geprüft, und die durchschnittliche Festigkeit wird als Prüfergebnis auf 0,1 MPa (10 psi) genau angegeben.
• Der Techniker, der die Prüfung durchführt, sollte das Eingangsdatum im Labor, das Prüfdatum, die Probenidentifikation, den Zylinderdurchmesser, das Prüfalter, die Höchstlast, die Druckfestigkeit, die Art des Bruchs und etwaige Mängel an den Zylindern oder Kappen aufzeichnen. Falls gemessen, sollte auch die Masse der Zylinder notiert werden.
• Die meisten Abweichungen von den Standardverfahren für die Herstellung, Aushärtung und Prüfung von Betonprobekörpern führen zu einer niedrigeren gemessenen Festigkeit.
• Die Spanne zwischen zusammengehörenden Zylindern aus demselben Satz, die im selben Alter geprüft wurden, sollte im Durchschnitt etwa 2 bis 3 % der durchschnittlichen Festigkeit betragen. Wenn der Unterschied zwischen zwei zusammengehörigen Zylindern zu oft 8% oder 9,5% bei drei zusammengehörigen Zylindern übersteigt, sollten die Prüfverfahren im Labor bewertet und korrigiert werden.
• Die Ergebnisse von Prüfungen, die von verschiedenen Labors an derselben Betonprobe durchgeführt wurden, sollten nicht um mehr als 13% des Durchschnitts der beiden Prüfergebnisse abweichen.
• Wenn einer oder beide Zylinder eines Satzes bei einer Festigkeit unter ƒ’c brechen, bewerten Sie die Zylinder auf offensichtliche Probleme und bewahren Sie die geprüften Zylinder für spätere Untersuchungen auf. Häufig lässt sich die Ursache für eine fehlgeschlagene Prüfung sofort oder durch eine petrographische Untersuchung an der Flasche erkennen. Wird die Flasche weggeworfen, kann eine einfache Möglichkeit zur Behebung des Problems verloren gehen. In einigen Fällen werden zusätzliche Reservezylinder hergestellt, die geprüft werden können, wenn ein Zylinder eines Satzes bei einer niedrigeren Festigkeit bricht.
• Eine 3- oder 7-Tage-Prüfung kann dazu beitragen, mögliche Probleme mit der Betonqualität oder den Prüfverfahren im Labor zu erkennen, ist aber keine Grundlage für die Zurückweisung von Beton, wobei eine Festigkeit von 28 Tagen oder einem anderen Alter gefordert wird.
• ASTM C 1077 schreibt vor, dass Labortechniker, die an der Prüfung von Beton beteiligt sind, zertifiziert sein müssen.
• Berichte über Druckfestigkeitsprüfungen liefern dem Projektteam wertvolle Informationen für das laufende und zukünftige Projekte. Die Berichte sollten so schnell wie möglich an den Betonhersteller, den Bauunternehmer und den Vertreter des Eigentümers weitergeleitet werden.

1. ASTM C 31, C 39, C 617, C 1077, C 1231, Annual Book of ASTM Standards, Volume 04.02, ASTM, West Conshohocken, PA, www.astm.org
2. Concrete in Practice Series, NRMCA, Silver Spring, MD, www.nrmca.org
3. In-Place Strength Evaluation – A Recommended Practice, NRMCA Publication 133, NRMCA RES Committee, NRMCA, Silver Spring, MD
4. How producers can correct improper test-cylinder curing, Ward R. Malisch, Concrete Producer Magazine, November 1997, www.worldofconcrete.com
5. NRMCA/ASCC Checklist for Concrete Pre-Construction Conference, NRMCA, Silver Spring, MD
6. Tips on Control Tests for Quality Concrete, PA015, Portland Cement Association, Skokie, IL, www.cement.org
7. ACI 214, Recommended Practice for Evaluation of Strength Tests Results of Concrete, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, www.concrete.org

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