Badanie wytrzymałości betonu na ściskanie - metody pomiarowe

Wytrzymałość na ściskanie betonu jest kluczowym parametrem określającym jego jakość i zdolność do przenoszenia obciążeń. Jest to jedna z najważniejszych właściwości mechanicznych betonu, mająca bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo i trwałość konstrukcji budowlanych. Dokładne określenie wytrzymałości na ściskanie pozwala na prawidłowe projektowanie i ocenę stanu technicznego obiektów. Istnieje wiele metod pomiaru wytrzymałości betonu, które można podzielić na destrukcyjne i niedestrukcyjne, wykonywane zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i in situ.

Metody destrukcyjne badania wytrzymałości betonu

• Badanie próbek walcowych i sześciennych

  Najbardziej powszechną i uznaną metodą jest badanie wytrzymałości na ściskanie standardowych próbek betonu w kształcie walców (np. o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm) lub sześcianów (np. 150×150×150 mm).

  • Przygotowanie próbek: Próbki są formowane bezpośrednio na budowie podczas wykonywania elementów betonowych. Po uformowaniu są one przechowywane w kontrolowanych warunkach (temperatura 20±2°C, wilgotność ≥95%) przez 28 dni lub inny wymagany okres.

  • Badanie w prasie wytrzymałościowej: Po okresie dojrzewania próbki są umieszczane w prasie i poddawane równomiernemu obciążeniu aż do momentu zniszczenia. Rejestrowana jest maksymalna siła niszcząca.

  • Obliczenie wytrzymałości: Wytrzymałość na ściskanie $f_{c}f\_c$ oblicza się według wzoru:

gdzie: - $F$ – maksymalna siła niszcząca [N], - $A$ – powierzchnia przekroju poprzecznego próbki [mm²].

Metody niedestrukcyjne (nieniszczące) badania wytrzymałości betonu

• Młotek Schmidta (sklerometr) - Badanie młotkiem schmidta

  Metoda oparta na pomiarze odbicia sprężyny młotka od powierzchni betonu, co pozwala na oszacowanie twardości i pośrednio wytrzymałości betonu.

  • Procedura pomiaru: Wykonuje się serię co najmniej 10 uderzeń w różnych miejscach na powierzchni betonu. Należy unikać stref blisko krawędzi i miejsc z zanieczyszczeniami.

  • Interpretacja wyników: Odczyty sklerometryczne są przeliczane na wytrzymałość przy użyciu tabel kalibracyjnych dostarczanych przez producenta urządzenia. Dokładność metody zależy od kalibracji i jednorodności betonu.

• Ultradźwiękowy pomiar prędkości propagacji fal (UPV)

  Metoda wykorzystuje zależność między prędkością propagacji fal ultradźwiękowych w betonie a jego wytrzymałością.

  • Wykonanie pomiaru: Sonda nadająca i odbierająca ultradźwięki jest umieszczana na przeciwległych powierzchniach betonu. Mierzony jest czas przejścia fali przez materiał.

  • Analiza danych: Wyższa prędkość propagacji wskazuje na wyższą gęstość i potencjalnie wyższą wytrzymałość betonu. Wyniki wymagają kalibracji na podstawie próbnych badań destrukcyjnych.

• Metoda Pull-out - Badanie pull off betonu

  Polega na pomiarze siły potrzebnej do wyciągnięcia specjalnego elementu zakotwionego w betonie.

  • Przygotowanie: Element kotwiący jest umieszczany w świeżym betonie na określoną głębokość.

  • Przeprowadzenie testu: Po stwardnieniu betonu mierzona jest siła wyciągnięcia elementu za pomocą urządzenia hydraulicznego.

  • Wyniki: Siła wyciągnięcia jest skorelowana z wytrzymałością na ściskanie na podstawie kalibracji.

• Metoda Pull-off

  Służy do oceny wytrzymałości warstwy powierzchniowej betonu poprzez pomiar siły potrzebnej do oderwania przyklejonej płytki metalowej.

  • Procedura: Płytka jest przyklejana do powierzchni betonu za pomocą specjalnego kleju. Po jego utwardzeniu płytka jest odrywana prostopadle do powierzchni.

  • Interpretacja: Uzyskana siła oderwania pozwala ocenić przyczepność i wytrzymałość powierzchniową betonu.

Pobieranie rdzeni (Coring)

• Opis metody

  Pobieranie rdzeni polega na wywierceniu cylindrycznych próbek z istniejącej konstrukcji za pomocą wiertnicy diamentowej.

  • Przygotowanie próbek: Rdzenie o standardowej średnicy (najczęściej 100 lub 150 mm) są wycinane z konstrukcji w miejscach reprezentatywnych.

  • Badanie laboratoryjne: Rdzenie są przygotowywane (przycięcie, wyrównanie powierzchni) i poddawane testom na ściskanie.

  • Korekcja wyników: Wyniki są korygowane o współczynniki uwzględniające wiek betonu, średnicę rdzenia oraz kierunek wiercenia.

Metoda Maturity (dojrzałości betonu)

• Zasada działania

  Metoda polega na określaniu wytrzymałości betonu na podstawie historii jego temperatury i czasu dojrzewania.

  • Monitorowanie temperatury: W betonie umieszcza się czujniki temperatury, rejestrując ją w funkcji czasu.

  • Obliczanie dojrzałości: Dojrzałość $MM$ oblicza się jako sumę iloczynów czasu i różnicy między temperaturą betonu a temperaturą odniesienia:

gdzie: - $T_i$ – temperatura betonu w okresie $ii$ [°C], - $T_0$ – temperatura odniesienia (zwykle 0°C), - $\mathrm{\Delta }{t}_i$ – czas trwania okresu $i$ [h].

• Przewidywanie wytrzymałości: Na podstawie kalibracji z próbkami wzorcowymi, dojrzałość przekłada się na zakładany przyrost wytrzymałości betonu.

Metody elektromagnetyczne

• Radar betonowy

  Wykorzystuje fale elektromagnetyczne do detekcji niejednorodności w strukturze betonu.

  • Zastosowanie: Ocena jednorodności betonu, lokalizacja zbrojenia i pustek, pośrednia ocena wytrzymałości.

  • Ograniczenia: Wymaga specjalistycznego sprzętu i interpretacji wyników przez doświadczonych operatorów.

Inne metody

• Metoda Penetracyjna Windsor

  Polega na wbijaniu w beton metalowych trzpieni za pomocą pistoletu prochowego i pomiarze głębokości penetracji, która jest odwrotnie proporcjonalna do wytrzymałości betonu.

  

Wybór odpowiedniej metody

• Kryteria wyboru

  • Cel badania: Kontrola jakości, diagnostyka istniejących konstrukcji, badania naukowe.

  • Inwazyjność: Metody niedestrukcyjne są preferowane w istniejących konstrukcjach, gdzie uszkodzenia są niewskazane.

  • Dokładność i wiarygodność: Metody destrukcyjne są bardziej dokładne, ale czasochłonne i kosztowne.

  • Dostępność sprzętu i specjalistów: Niektóre metody wymagają zaawansowanego sprzętu i wykwalifikowanego personelu.

Normy i wytyczne

• PN-EN 12390-3: Badania betonu – Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badań.

• PN-EN 12504-2: Badania betonu w konstrukcjach – Część 2: Badania niedestrukcyjne – Określanie liczby odbicia młotka Schmidta.

• PN-EN 12504-4: Badania betonu w konstrukcjach – Część 4: Oznaczanie prędkości propagacji fal ultradźwiękowych.

• ACI 228.1R: In-Place Methods to Estimate Concrete Strength.

Podsumowanie

Dokładne określenie wytrzymałości na ściskanie betonu jest niezbędne dla zapewnienia bezpieczeństwa i trwałości konstrukcji. Wybór metody pomiaru powinien być dostosowany do specyfiki projektu, wymagań technicznych oraz dostępnych zasobów. Łączenie różnych metod badawczych często pozwala na uzyskanie bardziej wiarygodnych i kompleksowych informacji o stanie betonu.

Klasy wytrzymałości betonu stanowią podstawową charakterystykę mechaniczną betonu, określając jego zdolność do przenoszenia obciążeń. Wytrzymałość na ściskanie jest kluczowym parametrem przy projektowaniu i wykonawstwie konstrukcji betonowych, wpływając na ich bezpieczeństwo, trwałość i funkcjonalność. Zgodnie z obowiązującymi normami, klasy betonu są zdefiniowane w sposób jednoznaczny, umożliwiając ich zastosowanie w praktyce inżynierskiej.

Badanie betonu jest kluczowym elementem procesu budowlanego, pozwalającym na ocenę jego właściwości mechanicznych, fizycznych oraz trwałości. Poprzez różnorodne metody badawcze możemy zapewnić, że beton użyty w konstrukcjach spełnia wymagania normowe i projektowe, co przekłada się na bezpieczeństwo oraz długowieczność obiektów. Metody badania betonu dzielą się na badania świeżej mieszanki betonowej oraz betonu stwardniałego, a także na metody destrukcyjne i niedestrukcyjne.

Wykrywanie zbrojenia w żelbecie stanowi kluczowy element nieniszczącej diagnostyki konstrukcji żelbetowych. Proces ten umożliwia nieinwazyjne określenie położenia, rozmieszczenia oraz głębokości prętów zbrojeniowych, co jest niezbędne przy ocenie stanu technicznego obiektów budowlanych oraz planowaniu działań remontowych i modernizacyjnych.

Badania NDT betonu, czyli badania nieniszczące, polegają na ocenie stanu technicznego konstrukcji betonowych bez naruszania ich integralności. Dzięki nim jesteśmy w stanie uzyskać szczegółowy obraz wewnętrznych struktur, wykryć defekty oraz zidentyfikować kluczowe elementy, np. zbrojenie. Poniżej przedstawiamy kompleksowy przegląd metod, zastosowań oraz procesu badań nieniszczących betonu.