Испытание бетонных цилиндров: от стройплощадки до лаборатории

Бетонный цилиндр — это наиболее распространенный тип образца для испытаний прочности бетона на сжатие. Существуют и другие способы определения прочности бетона, некоторые из которых могут быть более экономичными или, возможно, даже лучшими, однако испытание бетонных цилиндров остается стандартом для приемки.

Качественно изготовленные бетонные цилиндры просты и недороги в производстве. Как правило, одного специалиста, находящегося на месте выгрузки или укладки бетона, достаточно для отбора проб и испытания бетонных смесей на подвижность (осадку конуса), содержание воздуха, объемную массу, а также для изготовления цилиндров. Технические специалисты должны следовать стандартным методикам и в большинстве регионов иметь сертификацию, однако обучение не является ни длительным, ни сложным.

Что нам говорят бетонные цилиндры?

Важно понимать, чем не являются испытания бетонных цилиндров. Большинство бетонных цилиндров, формуемых на строительной площадке, не предназначены для определения фактической прочности бетона в конструкции. Испытание бетона на прочность при сжатии — это, как правило, приемочный контроль смеси, доставленной на объект. Таким образом, большинство полевых (изготовленных на объекте) цилиндров предназначены для контроля качества и приемки продукции. Практика для данного типа испытаний заключается в следовании методу «стандартного ухода» (стандартных условий твердения), указанному в ASTM C31 / AASHTO T 23. На начальном этапе обеспечивается контролируемая и защищенная среда твердения, а в течение 48 часов образцы извлекают для окончательного твердения в лаборатории. Метод ASTM C192 / AASHTO R 39 описывает изготовление испытательных образцов в лаборатории, где отбор, подготовка и смешивание материалов строго контролируются для оценки характеристик проектного состава смеси.

В случаях, когда необходимо контролировать набор прочности в условиях окружающей среды на строительной площадке или внутри опалубки, стандарты ASTM/AASHTO предусматривают возможность «полевого ухода» (твердения в условиях стройплощадки). Вместо соблюдения отдельных требований к температуре и влажности для начального твердения, цилиндры, твердеющие в полевых условиях, подвергаются тем же условиям влажности и температуры, что и конструктивные элементы. Теоретически, они должны отражать набор прочности бетона в конструкции. Данная статья будет посвящена цилиндрам стандартного твердения, изготовленным для приемочных испытаний на прочность при сжатии.

Что необходимо для отбора проб свежеуложенного бетона?

Оборудование для отбора проб и формования бетонных цилиндров простое:

• Тачка или другая емкость для сбора объединенной пробы свежеуложенного бетона из различных типов бетоносмесителей, как описано в ASTM C172. Некоторые проектные спецификации могут требовать отбора проб на выходе из бетононасоса.
• Удобный по размеру совок, достаточно большой для отбора репрезентативной пробы и достаточно маленький для удобства обращения и укладки свежего бетона.
• Штыковка (стержень для уплотнения) указанного размера. Для цилиндров размером 100x200 мм и 150x300 мм требуются штыковки разной длины и диаметра.
• Для уплотнения также допускается использование вибратора, который обязателен для жестких смесей с осадкой конуса 25 мм или менее.

Поскольку формование бетонных цилиндров обычно происходит одновременно с испытаниями на подвижность, содержание воздуха и объемную массу, одно и то же оборудование для отбора проб и уплотнения часто используется для разных целей.

Формование образцов бетонных цилиндров

Бетонные цилиндры, формуемые для приемочных испытаний, обычно имеют размеры 100x200 мм или 150x300 мм (диаметр х длина). Доступен широкий ассортимент одноразовых или многоразовых форм для бетонных цилиндров, соответствующих ASTM C470/AASHTO M 205.

Цилиндры должны иметь соотношение длины к диаметру 2:1, а их диаметр должен как минимум в три раза превышать максимальный номинальный размер крупного заполнителя. Бетонные смеси с более крупным заполнителем необходимо просеивать в мокром состоянии для удаления частиц крупнее 50 мм. Меньший размер и вес цилиндров 100x200 мм делают их популярным выбором, когда это допускается методами испытаний и проектными спецификациями.

• Одноразовые пластиковые формы для бетонных цилиндров удобны и экономичны в тех случаях, когда регулярно обрабатывается большое количество образцов. Их меньший вес облегчает транспортировку и обращение, и их не нужно чистить. Дополнительные плотно прилегающие пластиковые крышки эффективно предотвращают потерю влаги из бетонных образцов.
• Многоразовые стальные или чугунные формы для цилиндров обеспечивают точные и воспроизводимые размеры образцов при меньших объемах работ. При надлежащем уходе и чистке такие формы могут служить десятилетиями.

ASTM C31/AASHTO T 23 требует, чтобы формы устанавливались на ровную, устойчивую поверхность и заполнялись необходимым количеством свежего бетона; формы 100x200 мм заполняются двумя равными слоями, а формы 150x300 мм требуют трех равных слоев. Каждый слой штыкуется 25 раз, а затем по форме постукивают резиновым молотком для уплотнения образца. При использовании вибратора обе формы (и 100х200 мм, и 150х300 мм) заполняются двумя равными слоями. Для каждого слоя вибратор погружается один раз в формы 100x200 мм и дважды в формы 150x300 мм. Для выравнивания поверхности и получения плоской, ровной отделки используется мастерок или штыковка.

Проектные составы обычного бетона рассчитаны на достижение целевой прочности в возрасте 28 суток. Поскольку набор прочности происходит предсказуемо, ранние испытания цилиндров могут дать оценку конечной прочности. Несколько испытательных цилиндров, изготовленных из одной и той же пробы свежего бетона, позволяют раньше спрогнозировать возможные проблемы с прочностью. Точное количество цилиндров в серии или время проведения ранних испытаний в основном определяется проектировщиком, но обычно включает от 3 до 5 цилиндров. Контрольное испытание в возрасте 28 суток заключается в определении среднего значения прочности двух цилиндров. Другие образцы могут включать испытание в возрасте 3 или 7 суток для оценки набора прочности и «резервный» цилиндр на случай расхождений в результатах 28-суточных испытаний.

Начальное твердение: выбирайте с умом!

В этот чувствительный период на строительной площадке образцы проходят начальное и конечное схватывание бетонной смеси и начинают набирать прочность за счет гидратации. На этом этапе они особенно уязвимы к ударам, перемещению и вибрации, поэтому место, предназначенное для начального твердения, должно быть выбрано тщательно.

Формование бетонных цилиндров на месте их начального твердения или вблизи него экономит время и усилия и минимизирует беспокойство образцов. Если это невозможно, цилиндры должны быть немедленно перемещены на место их начального твердения после формования и отделки.

Подходящее место для начального твердения должно отвечать трем основным требованиям:

1. Температура окружающей среды должна поддерживаться в диапазоне от 16 до 27 °C. Для смесей с проектной прочностью 40 МПа или выше температура должна быть в диапазоне от 20 до 26 °C; быстрый взгляд на прогноз погоды покажет, нужно ли нагревать или охлаждать изолированные контейнеры. Обязательно учитывайте тепло, выделяемое при естественной гидратации цемента в бетоне. Цилиндры, твердеющие в закрытом ящике, могут сами по себе выделять удивительное количество тепла. Охлаждение может осуществляться проточной или испаряющейся водой, льдом или электрическими охлаждающими устройствами.
2. Необходимо предотвратить потерю влаги из образцов. Простой и эффективный способ сохранить влагу в образцах — использовать плотно прилегающие пластиковые крышки на одноразовых формах для цилиндров. Другие стратегии, описанные в спецификации, включают частичное погружение в воду, полное погружение в воду, насыщенную гидроксидом кальция, и поддержание высокого уровня влажности с помощью влажного песка или мокрой мешковины.
3. Образцы должны быть защищены от сотрясений и вибрации. Необходимо избегать ударов от проходящего оборудования или людей. Но влияние вибрации иногда упускается из виду. Вибрация от близкорасположенного оборудования или даже шагов людей, передающаяся через непрочный пол строительного вагончика, может привести к незаметным повреждениям и заниженным результатам испытаний прочности.

Свежеизготовленные образцы должны оставаться нетронутыми в этой контролируемой среде в течение всего периода начального твердения, который может длиться до 48 часов.

Стандарт ASTM/AASHTO предлагает несколько приемлемых вариантов контроля среды начального твердения, но хорошо спроектированная камера для твердения (ящик для твердения) отвечает всем этим требованиям. Различные модели обеспечивают нагрев или нагрев и охлаждение, а также опции для добавления воды, влажного песка или мокрой мешковины для предотвращения потери влаги. Минимально-максимальные термометры документируют уровни температуры в период твердения и входят в комплект некоторых камер.

Транспортировка бетонных образцов-цилиндров

Временной интервал, допустимый стандартом C31/T 23 для извлечения бетонных образцов, варьируется от 8 часов после окончательного схватывания (определяемого по ASTM C403) до 48 часов с момента формования. Для обычных смесей часто считается, что с образцами можно безопасно обращаться (перемещать) через 16–24 часа. Во время транспортировки цилиндры должны быть защищены от тряски, замерзания и потери влаги. Для дополнительной защиты их следует перевозить в формах. Недопустимо перевозить их незакрепленными в кузове пикапа под открытым небом!

Ручная переноска отдельных цилиндров, особенно образцов размером 15х30 см, неэффективна и утомительна. Устройства для переноски и захваты для подъема цилиндров позволяют удобно перемещать два цилиндра одновременно в полевых или лабораторных условиях.

Стеллажи для транспортировки бетонных цилиндров — это безопасный и удобный способ перевозки бетонных образцов в любом транспортном средстве. Размещение использованных неопреновых выравнивающих прокладок на дне стеллажей обеспечивает дополнительную защиту во время движения.

Окончательное твердение в лаборатории

На этапе окончательного твердения бетонных цилиндров основное внимание уделяется обеспечению контролируемых и постоянных условий влажности и температуры для максимального набора прочности.

Когда бетонные цилиндры поступают в испытательную лабораторию, их следует незамедлительно зарегистрировать в лабораторном журнале учёта бетонных образцов, извлечь из форм и поместить в условия окончательного твердения. Если оставить их на открытом воздухе, это приведет к потере влаги и риску физического повреждения.

Существует два варианта сред для окончательного твердения бетонных цилиндров, соответствующих требованиям спецификации ASTM C511/AASHTO M 201. Оба варианта требуют поддержания температуры твердения 23,0° ±2,0°C, которая постоянно контролируется с помощью регистраторов температуры или логгеров данных.

• Вариант 1: Камеры влажного хранения — это закрытые помещения с устройствами распыления воды для постоянного поддержания наличия конденсата на поверхности бетонных образцов. Доступны панели управления, которые сочетают методы распыления и контроль температуры для обеспечения соответствия спецификациям. Измерение и регистрация уровня влажности с помощью гигрометров не обязательны. Стандарт C511/M 201 просто указывает, что все образцы должны выглядеть и ощущаться влажными. Камеры влажного хранения обеспечивают наиболее эффективное использование площади для большого количества образцов при хранении на стеллажах или поддонах.
• Вариант 2: Камеры водного твердения (ванны) заполняются насыщенной известью водой и оснащаются нагревателями и циркуляционными насосами для твердения бетонных цилиндров и балок. Камеры водного твердения экономически выгодны для временных установок или умеренного количества образцов.

Выравнивание торцов бетонных цилиндров

Подготовка торцов каждого испытуемого цилиндра обеспечивает равномерное распределение прилагаемых усилий и строго осевое приложение сжимающих нагрузок.

Традиционным методом подготовки торцов, указанным в ASTM C617/AASHTO T 231, является выравнивание с помощью серного состава. Смесь серы, летучей золы и минерального наполнителя нагревается в плавильном тигле до текучего состояния. Горячий материал заливается в специальную форму (обойму), и торец бетонного цилиндра погружается в расплавленный материал. После остывания торец становится ровным, гладким и перпендикулярным оси цилиндра. Несмотря на широкое применение и безопасность, этот метод использует очень горячие материалы, которые могут быть опасны при неправильном обращении.

Неопреновые прокладки, также известные как не связанные выравнивающие прокладки или просто эластичные прокладки, представляют собой неопреновые диски, помещаемые на оба торца бетонного цилиндра непосредственно перед испытанием. Прокладки удерживаются стальным опорным кольцом и равномерно распределяют нагрузки по поверхности цилиндра без необходимости работать с горячими серными составами. Требования к этому методу изложены в ASTM C1231.

Торцешлифовальные станки для бетонных цилиндров — это прямой способ обеспечить перпендикулярность торцов для точного испытания бетонных цилиндров на сжатие. Они применимы для бетона любой проектной прочности и являются предпочтительным методом для бетонных смесей с прочностью, превышающей 48,3 МПа (исходно 7,000 psi). Экономическая эффективность этого метода наиболее высока в лабораториях с большим объемом испытаний высокопрочных цилиндров.

Испытание бетона на прочность при сжатии

Испытание бетонных цилиндров на сжатие является заключительным этапом этого процесса и выполняется в соответствии со стандартным методом испытаний ASTM C39/AASHTO T 22. Подготовленные бетонные образцы-цилиндры помещаются в пресс для испытаний на сжатие и нагружаются вдоль оси с контролируемой скоростью до разрушения.

В контексте испытаний строительных материалов прессы для испытаний бетона на сжатие относятся к числу используемых нагрузочных устройств с самой высокой мощностью, и их назначение просто. Однако существуют определяющие характеристики, на которые следует обратить внимание при выборе машины для испытаний бетона на разрушение (разрывной машины).

Важные этапы процедуры испытания на прочность при сжатии

Бетонные цилиндры для испытания на прочность при сжатии должны испытываться во влажном состоянии, сразу после извлечения из камеры влажного хранения или ванны для твердения. Основные этапы проведения испытания:

1. Установите цилиндр на нижнюю опорную плиту пресса и тщательно выровняйте его по оси нагружения.
2. Обнулите индикатор нагрузки пресса.
3. Вручную наклоните верхнюю плиту пресса со сферическим шарниром, чтобы она плотно прилегла к верхней поверхности цилиндра.
4. Приложите нагрузку. При использовании не связанных выравнивающих прокладок проверьте перпендикулярность образца с помощью поверочного устройства до того, как нагрузка достигнет 10% от ожидаемой прочности.
5. Первую половину от общей ожидаемой нагрузки можно прикладывать с более высокой контролируемой скоростью, если это необходимо. Вторая половина предполагаемой нагрузки должна прикладываться к образцу со скоростью 0,25 ± 0,05 МПа/с (исходно 35 ± 7 psi/s).
6. Продолжайте нагружать образец до тех пор, пока показания индикатора нагрузки не начнут неуклонно снижаться и цилиндр не получит видимых разрушений.
7. Зафиксируйте максимальную нагрузку и рассчитайте прочность на сжатие.
8. Опишите и зарисуйте или сфотографируйте тип разрушения, как показано на Рис. 1.

Примечание: Характеристики некоторых бетонных смесей, рамы нагружения или системы выравнивания торцов могут привести к внезапному или взрывному разрушению некоторых испытуемых цилиндров. Во время нагружения каждого цилиндра:

• Убедитесь, что защитные экраны от осколков на машине установлены и исправны.
• Не стойте непосредственно перед или позади пресса для испытаний на сжатие.
• Операторы и находящиеся поблизости лица должны использовать средства индивидуальной защиты (СИЗ).