Testowanie wytrzymałości betonu na ściskanie – co, dlaczego i jak?

Informacja od National Ready Mixed Concrete Association

Czym jest wytrzymałość betonu na ściskanie?

Mieszanki betonowe mogą być zaprojektowane w celu zapewnienia szerokiego zakresu właściwości mechanicznych i wytrzymałościowych, aby spełnić wymagania projektowe konstrukcji. Wytrzymałość betonu na ściskanie jest najbardziej powszechną miarą wydajności stosowaną przez inżyniera przy projektowaniu budynków i innych konstrukcji. Wytrzymałość na ściskanie jest mierzona poprzez łamanie cylindrycznych próbek betonowych w maszynie do prób ściskania. Wytrzymałość na ściskanie jest obliczana na podstawie obciążenia niszczącego podzielonego przez powierzchnię przekroju poprzecznego wytrzymującego obciążenie i podawana w jednostkach funta siły na cal kwadratowy (psi) w amerykańskich jednostkach zwyczajowych lub megapaskali (MPa) w jednostkach SI. Wymagania dotyczące wytrzymałości betonu na ściskanie mogą wahać się od 2500 psi (17 MPa) dla betonu mieszkalnego do 4000 psi (28 MPa) i więcej w konstrukcjach komercyjnych. Wyższe wytrzymałości do i powyżej 10 000 psi (70 MPa) są określone dla niektórych zastosowań.

Dlaczego określa się wytrzymałość na ściskanie?

Wyniki badań wytrzymałości na ściskanie są przede wszystkim wykorzystywane do określenia, że dostarczona mieszanka betonowa spełnia wymagania określonej wytrzymałości, ƒc, w specyfikacji pracy.Wyniki badań wytrzymałościowych odlewanych cylindrów mogą być wykorzystane do kontroli jakości, akceptacji betonu lub do oszacowania wytrzymałości betonu w konstrukcji w celu zaplanowania operacji budowlanych, takich jak usuwanie form lub do oceny adekwatności utwardzania i ochrony konstrukcji. Cylindry badane w celu akceptacji i kontroli jakości są wykonywane i utwardzane zgodnie z procedurami opisanymi dla próbek standardowo utwardzanych w normie ASTM C 31 Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Field. W celu oszacowania wytrzymałości betonu w miejscu wbudowania, norma ASTM C 31 określa procedury dla próbek utwardzanych w terenie. Próbki cylindryczne bada się zgodnie z normą ASTM C 39, Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens.

Wynikiem badania jest średnia z co najmniej dwóch próbek o standardowej wytrzymałości utwardzonej, wykonanych z tej samej próbki betonu i badanych w tym samym wieku. W większości przypadków wymagania wytrzymałościowe dla betonu są stawiane w wieku 28 dni.

Inżynierowie projektanci wykorzystują określoną wytrzymałość ƒ´c do projektowania elementów konstrukcyjnych. Ta określona wytrzymałość jest zawarta w dokumentach umowy o pracę. Mieszanka betonowa jest projektowana tak, aby uzyskać średnią wytrzymałość, ƒ′cr, wyższą niż określona wytrzymałość, tak aby zminimalizować ryzyko niezgodności ze specyfikacją wytrzymałości. Aby spełnić wymagania dotyczące wytrzymałości określone w specyfikacji pracy, stosuje się następujące kryteria akceptacji:

• Średnia z 3 kolejnych prób powinna być równa lub przekraczać określoną wytrzymałość, ƒ´c
• Żadna pojedyncza próba wytrzymałości nie powinna spaść poniżej ƒ´c o więcej niż 500 psi (3.45 MPa); lub o więcej niż 0,10 ƒ´c, gdy ƒ´c jest większe niż 5000 psi (35 MPa)

Ważne jest, aby zrozumieć, że pojedyncza próba spadająca poniżej ƒ´c niekoniecznie stanowi niespełnienie wymagań specyfikacji. Gdy średnia testów wytrzymałości w danej pracy jest na poziomie wymaganej średniej wytrzymałości, ƒcr, prawdopodobieństwo, że poszczególne testy wytrzymałości będą niższe niż określona wytrzymałość wynosi około 10% i jest to uwzględnione w kryteriach akceptacji.

Gdy wyniki testów wytrzymałości wskazują, że dostarczony beton nie spełnia wymagań specyfikacji, ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że błąd może być związany z testami, a nie z betonem. Jest to szczególnie prawdziwe, jeżeli produkcja, przenoszenie, utwardzanie i testowanie cylindrów nie jest prowadzone zgodnie ze standardowymi procedurami. Patrz PIW 9, Niska wytrzymałość butli betonowych.

Historyczne zapisy badań wytrzymałości są wykorzystywane przez producenta betonu do ustalenia docelowej średniej wytrzymałości mieszanek betonowych dla przyszłych prac.

Jak badać wytrzymałość betonu

• Próbki cylindryczne do badań odbiorczych powinny mieć rozmiar 6 x 12 cali (150 x 300 mm) lub 4 x 8 cali (100 x 200 mm), jeśli tak określono. Mniejsze próbki są łatwiejsze do wykonania i obróbki w terenie i w laboratorium. Średnica cylindra powinna być co najmniej 3 razy większa od nominalnej maksymalnej wielkości kruszywa grubego użytego w betonie.
• Zapisanie masy próbki przed zakryciem zapewnia użyteczną informację w przypadku sporów.
• W celu zapewnienia równomiernego rozkładu obciążenia podczas badań, cylindry są zakrywane zaprawą siarkową (ASTM C 617) lub nakładkami neoprenowymi (ASTM C 1231). Zaprawę siarkową należy nakładać co najmniej dwie godziny, a najlepiej jeden dzień przed badaniem. Nakładki neoprenowe mogą być stosowane do pomiarów wytrzymałości betonu w zakresie od 1500 do 7000 psi (10 do 50 MPa). Dla wyższych wytrzymałości do 12 000 psi, dopuszcza się stosowanie nakładek neoprenowych pod warunkiem, że są one kwalifikowane przez badania towarzyszące z użyciem nakładek siarkowych. Wymagania dotyczące twardości Durometra dla nakładek neoprenowych wahają się od 50 do 70 w zależności od badanego poziomu wytrzymałości. Podkładki należy wymienić w przypadku nadmiernego zużycia.
• Cylindry nie powinny wyschnąć przed badaniem.
• Średnicę cylindra należy zmierzyć w dwóch miejscach pod kątem prostym do siebie w połowie wysokości próbki i uśrednić w celu obliczenia pola przekroju poprzecznego. Jeśli dwie zmierzone średnice różnią się o więcej niż 2%, butla nie powinna być badana.
• Końce próbek nie powinny odbiegać od prostopadłości do osi butli o więcej niż 0,5º, a końce powinny być płaskie z dokładnością do 0,002 cala (0,05 mm).
• Cylindry powinny być wyśrodkowane w maszynie do prób ściskania i obciążone do całkowitego zniszczenia. Szybkość obciążenia na maszynie hydraulicznej powinna być utrzymywana w zakresie od 20 do 50 psi/s (0,15 do 0,35 MPa/s) podczas drugiej połowy fazy obciążania. Typ pęknięcia powinien być rejestrowany. Powszechnym typem pęknięcia jest pęknięcie stożkowe (patrz rysunek).
• Wytrzymałość betonu oblicza się dzieląc maksymalne obciążenie w momencie zniszczenia przez średnią powierzchnię przekroju poprzecznego. C 39 posiada współczynniki korekcyjne, jeżeli stosunek długości do średnicy cylindra wynosi od 1,75 do 1,00, co zdarza się rzadko. Co najmniej dwie butle są badane w tym samym wieku, a średnia wytrzymałość jest podawana jako wynik badania z dokładnością do 10 psi (0,1 MPa)
• Technik wykonujący badanie powinien zapisać datę otrzymania próbki do laboratorium, datę badania, identyfikację próbki, średnicę butli, wiek badanej próbki, maksymalne obciążenie, wytrzymałość na ściskanie, rodzaj pęknięcia oraz wszelkie wady butli lub kapturków. Masa butli, jeśli została zmierzona, powinna być również odnotowana.
• Większość odstępstw od standardowych procedur wykonywania, utwardzania i badania próbek betonu spowoduje obniżenie zmierzonej wytrzymałości.
• Różnica pomiędzy towarzyszącymi butlami z tego samego zestawu i badanymi w tym samym wieku powinna wynosić średnio około 2 do 3% średniej wytrzymałości. Jeżeli różnica pomiędzy dwoma towarzyszącymi cylindrami zbyt często przekracza 8% lub 9,5% dla trzech towarzyszących cylindrów, należy ocenić i skorygować procedury badawcze w laboratorium.
• Wyniki badań wykonanych przez różne laboratoria na tej samej próbce betonu nie powinny różnić się o więcej niż około 13% średniej z dwóch wyników badań.
• Jeżeli jeden lub oba z zestawu cylindrów pękają przy wytrzymałości poniżej ƒ´c, należy ocenić cylindry pod kątem oczywistych problemów i zachować badane cylindry do późniejszego zbadania. Często przyczyna nieudanej próby może być łatwo zauważona w butli, albo natychmiast, albo przez badanie petrograficzne. Jeśli butla zostanie wyrzucona, można stracić łatwą okazję do skorygowania problemu. W niektórych przypadkach wykonuje się dodatkowe cylindry rezerwowe, które mogą być badane, jeżeli jeden cylinder z zestawu pękł przy niższej wytrzymałości.
• Test 3 lub 7-dniowy może pomóc w wykryciu potencjalnych problemów z jakością betonu lub procedurami badawczymi w laboratorium, ale nie jest podstawą do odrzucenia betonu, z wymogiem wytrzymałości 28-dniowej lub w innym wieku.
• ASTM C 1077 wymaga, aby technicy laboratoryjni biorący udział w badaniu betonu posiadali odpowiednie certyfikaty.
• Raporty z badań wytrzymałości na ściskanie dostarczają cennych informacji zespołowi projektowemu dla obecnych i przyszłych projektów. Raporty powinny być przekazywane producentowi betonu, wykonawcy i przedstawicielowi właściciela tak szybko jak to możliwe.

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, listopad 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

Powrót do porad dotyczących betonu

UŻYTO ZA ZGODĄ NRMCA