Pevnost betonu je klíčovou vlastností, která určuje jeho schopnost odolávat zatížení. Jednoduše řečeno, je to velikost napětí, které beton snese, než dojde k jeho porušení. Tato vlastnost se zjišťuje zkouškami, které se provádějí na zkušebních tělesech a podle jejich tvaru rozlišujeme pevnost v tlaku krychelnou nebo válcovou.
K rozdělení betonu do tříd podle pevnosti v tlaku se používá tabulka 7 normy ČSN EN 206+A2 pro obyčejný a těžký beton a tabulka 8 téže normy pro lehký beton. Pevnost v tlaku fck,cyl se stanovuje po 28 dnech na válcích o průměru 150 mm a délce 300 mm, nebo fck,cube na krychlích o délce hrany 150 mm.
Vláknobeton a jeho vlastnosti
Beton patří ke kompozitním materiálům s výrazně rozdílnými pevnostmi v tlaku a tahu. Pevnost v tahu je obvykle pouze kolem 1/10 pevnosti v tlaku. Zvýšení pevnosti betonu v tahu je možné přidáním drátků do betonu. Drátkobeton patří do širší skupiny vláknobetonů.
Vláknobeton existuje v celé řadě variant, které se liší použitým materiálem a tvarem vláken. V některých případech je výhodnější využití drátkobetonu ve srovnání s prostým betonem nebo železobetonem. Jedná se zejména o návrh průmyslových podlah a základů. V případě návrhu těchto konstrukcí je potřebný podrobný popis materiálových vlastností drátkobetonu. Vlastnosti drátkobetonu se prokazují zejména laboratorními zkouškami.
Zkoušení pevnosti drátkobetonu
Testování pevnosti betonu v jednoosém tahu je však náročné a často vzniká rozptyl naměřených hodnot. Mezi obvyklejší metody zkoušení patří testování pevnosti v tahu za ohybu. Zde však existuje celá řada variant. Konfigurace testů se liší rozměry zkušebních vzorků, metodou zkoušení a úpravou vzorků. Jedná se zpravidla o tříbodové nebo čtyřbodové zkoušky, vzorky se často upravují s vrubem do 1/3 výšky průřezu nebo alternativně 25 mm.
Čtěte také: Metody zkoušení cementu v tlaku
Při podrobnějším popisu mechanických vlastností drátkobetonu patří mezi časté problémy, že experimentální programy a zkoušky se zaměřují na vybranou materiálovou vlastnost. Vzniká zde také otázka homogenity a rozptylu naměřených hodnot. Tyto faktory následně komplikují použití naměřených materiálových vlastností pro numerické simulace skutečného chování konstrukčních prvků.
Zkoušení pevnosti v jednoosém tahu je náročné. Vzniká zde často velký rozptyl naměřených hodnot. Zkouška je citlivá na okrajové podmínky a to zejména na uchycení zkušebního tělesa. Právě tato mechanická vlastnost je však vyžadována jako fundamentální při využití pokročilých numerických simulací a analýz. Zkoušky pro určení tahové pevnosti v ohybu nebo pevnosti v příčném tahu je však možné využít k dopočtu pevnosti v jednoosém tahu pomocí známých vztahů, které jsou ověřeny na velkém množství experimentů. U betonu nižších pevností se doporučuje volit součinitele u dolní hranice.
Experimentální program
Laboratorní program zkoušení byl rozdělen do čtyř částí. Zkušební série zahrnují vzorky bez drátků a vzorky s drátky s dávkováním drátků 25, 50, 75 kg/m3. Pro širší možnost vyhodnocení bylo pro každou sérii zkoušek vyrobeno 6 krychlí a 3 válce. Pevnost betonu v tlaku je základní mechanickou vlastností, která se určuje na krychlích 150×150×150 mm nebo válcích průměru 150 mm a výšky 300 mm. kde fc,cube je krychelná pevnost v tlaku a fc válcová pevnost v tlaku. Rozptyl hodnot koeficientu je v intervalu od 0,79 do 0,89.
Použitím vláken v betonu jsou ovlivněny především takové vlastnosti. Mezi nejrozšířenější způsoby testování pevnosti v tahu patří zkouška v příčném tahu. Je možné využít zkušebních těles ve tvaru krychle nebo válce. S ohledem na kapacitu laboratoře a provádění zkoušek bylo pro testování využito krychlí. kde Pmax je maximální zatížení, l délka dotykové přímky tělesa a d je zvolený příčný rozměr tělesa. Z výsledků testů je patrný nárůst pevnosti v tahu u vzorků s obsahem drátků. Pevnost v tahu se zvětšila o necelý 1 MPa, to je přibližně o 50 %. Nárůst tahové pevnosti u vyztužených vzorků je však už velice malý.
Tříbodový a čtyřbodový ohyb
Mezi další běžné zkoušky patří tříbodový a čtyřbodový ohyb. Existují různé konfigurace, které se liší především rozpětím podpor, polohou zatížení nebo hloubkou zářezu. V rámci experimentálního programu byly vybrány čtyři varianty a každá zkouška se prováděla vždy pro dva vzorky. Výpočet pevnosti v tahu je ovlivněn předpokladem rozložení napětí po průřezu a nelineárním chováním betonu. Dochází zde k plastizaci betonu a vznikání mikrotrhlin.
Čtěte také: Hydroizolace Fatra a její testování
Zkouška označená 3B600 je pro trámec nominální velikosti 150×150×700 mm, rozpětí 600 mm a průřez má zářez vysoký 50 mm. V případě této zkoušky je lokalizováno místo vzniku trhliny. Druhá varianta označená 3B500 je pro trámec nominální velikosti 150×150×600 mm a rozpětí 500 mm. Místo vzniku trhliny se v tomto případě lokalizuje pod silou v místě, kde je nejmenší pevnost.
K častým zkouškám zaměřených na tahovou pevnost patří také čtyřbodová zkouška na ohyb. Využívá se také například v doporučení/standardu [11]. V rámci experimentálního programu jsou opět navrženy také dvě varianty 4B600 a 4B500. Zde Pmax je maximální zatížení; L, b a h jsou rozměry: rozpětí, šířka a výška průřezu a e je vzdálenost mezi podporou a silou.
Zkouška označená 4B600 je pro trámec nominální velikosti 150×150×700 mm a rozpětí 600 mm. Vzdálenost mezi podporami a silami je 200 mm. Vznik trhliny se lokalizuje u dolního povrchu trámce mezi silami. Druhá varianta čtyřbodové zkoušky na ohyb je označená 4B500 a je určena pro trámec nominální velikosti 150×150×600 mm a rozpětí 500 mm. Zkouška se liší od předchozí umístěním sil. Z provedených zkoušek je možné stanovit funkční závislost mezi množstvím drátků v betonu x a pevnosti v tahu za ohybu.
Vyhodnocení zkoušek
Vyhodnocením zkoušek krychelné a válcové pevnosti v tlaku je možné velmi dobře rozlišit příznivý vliv drátků. Pevnost v tlaku však velmi výrazně závisí také na orientaci vláken a ta může mít za následek, že výsledná pevnost v tlaku s množstvím přidaných drátků klesá. Tento problém je možné také nalézt u jiných experimentálních programů. Výsledný přepočtový koeficient 0,83 mezi krychelnou a válcovou pevností je v dobré shodě s doporučeními, které nejčastěji uvádějí hodnotu 0,85.
Zkoušky v příčném tahu velmi dobře ilustrují vliv drátků na růst tahové pevnosti, a to i při množství drátků 25 kg/m3. S větším množství drátků však také roste rozptyl naměřených hodnot tahových pevností. Zejména to platí pro směs s drátky 75 kg/m3. Porovnáním výsledných funkční závislostí mezi tří a čtyřbodovou ohybovou zkouškou se ukázalo, že nižší hodnoty mají tahové pevnosti čtyřbodové zkoušky. Důvodem je větší oblast, kde se tahová trhlina může lokalizovat.
Čtěte také: Pevnost betonu v tlaku
Předložený článek prezentuje vybrané možnosti zkoušení a určení pevností v tahu pro drátkobebeton založený na běžném betonu nižší třídy. Experimentální program zahrnuje čtyři série vzorků pro beton a drátkobeton s dávkováním drátků 25, 50, 75 kg/m3. K určení pevnosti v jednoosém tahu se využívá více zkoušek. Jedná se o ohybové zkoušky a zkoušky v příčném tahu. Pro získané hodnoty tahové pevnosti jsou stanoveny funkční závislosti s ohledem na množství drátků. Získané funkce velice dobře vystihují rostoucí trend tahové pevnosti. Výsledné rozdíly v tahových pevnostech pro odlišné zkoušky je možné považovat za malé.
ČSN EN 196-1: Metody zkoušení cementu - Stanovení pevnosti
Tato část normy EN 196 určuje metodu pro stanovení pevnosti v tlaku a případně pevnosti v tahu za ohybu cementové malty. Tato metoda platí pro cementy pro obecné použití a ostatní cementy a materiály, jejichž normy se na tuto metodu odkazují. Nemusí být použitelná pro jiné cementy, které mají například velmi krátký počátek tuhnutí. Metoda slouží pro posouzení, zda pevnost cementu v tlaku je ve shodě s jeho specifikací a pro posouzení vhodnosti normalizovaného písku CEN, EN 196-1 nebo alternativního zhutňovacího zařízení. Norma popisuje referenční zkušební zařízení i postup a umožňuje použití alternativního zhutňovacího zařízení a postupů, které mohou být použity za předpokladu, že jejich vhodnost byla posouzena podle příslušných ustanovení tohoto dokumentu.
Příprava malty pro zkoušení cementu
Míchání malty: Do nádoby míchačky se vnese voda a cement a dbá se, aby nedošlo ke ztrátám vody nebo cementu. Ihned po styku vody a cementu se spustí míchání nízkou rychlostí a současně se zahájí odměřování času míchacích etap ("nulový čas"). Po 30 sekundách míchání se v následujících 30 sekundách přidá písek. Poté se míchání přepne na vysokou rychlost a v míchání se pokračuje dalších 30 sekund. Míchání se zastaví na 90 sekund. Během prvních 30 sekund se pomocí stěrky setře malta, která ulpí na stěnách a spodní části nádoby a umístí se do jejich středu. V míchání se pokračuje dalších 60 sekund vysokou rychlostí.
Zhotovení zkušebních těles: Do formy s nástavcem se po zapnutí vibračního stolku během 45 sekund plní maltou jednotlivé oddíly formy ve dvou vrstvách. Po naplnění formy se nechá forma vibrovat. Celková doba vibrace je 120 ± 1 s. Po sundání nástavce se zarovná povrch a přebytečná malta se setře. Na formu se položí deska ze skla (plexisklo) a forma se umístí do vlhkého uložení (φ > 90 %).
Zkouška pevnosti v tahu za ohybu
Pevnost betonu v tahu za ohybu je zkouška, která se provádí na betonovém trámci rozměrů 400x150x150 mm. Vždy se zkouší nejméně tři vzorky. Před zkouškou je potřeba ověřit geometrii tělesa a pak ho správně osadit do zkušebního zařízení - lisu. Podle způsobu zatížení se jedná o tříbodové nebo čtyřbodové uspořádání.
Čtyřbodové uspořádání zkoušky má vyšší vypovídací hodnotu o pevnosti betonu v tahu za ohybu - těleso se poruší ve střední třetině mezi oběma silami od zatížení. Protože jsou v této části nosníku při uvedeném zatížení posouvající síly rovny nule, dojde k porušení v oblasti namáhání čistým ohybem. U tříbodového uspořádání zkoušky se vždy jedná o kombinaci ohybu a smyku. Pevnost v tahu za ohybu se vyjádří průměrnou aritmetickou hodnotou ze tří jednotlivých výsledků sady tří trámečků, kdy každý výsledek je vyjádřen s přesností 0,1 MPa. Zkouška se provádí na polovinách trámečků zlomených. Odlišuje-li se jeden výsledek ze šesti o víc než ±10 % od jejich průměrné hodnoty, vyřadí se a aritmetický průměr se vypočítá ze zbývajících pěti výsledků.
Tabulka níže shrnuje klíčové aspekty ČSN EN 196-1.
| Typ produktu | Označení základního dokumentu | Třídicí znak | Katalogové číslo | Název dokumentu | Datum vydání | Harmonizace |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Česká technická norma (ČSN) | ČSN EN 196 - 1 | 722100 | 500789 | Metody zkoušení cementu - Část 1: Stanovení pevnosti | 01.10.2016 | Norma není harmonizována |
Další metody zkoušení cementu
Jemnost mletí
Příprava vzorku: Vzorek cementu se po dobu 2 min. protřepává v uzavřené nádobě, k rozptýlení shluků částic a opatrně se promíchá. e - porozita cementového lůžka (e = 0,500).
Příprava cementového lůžka: Děrovaná destička se uloží na opěrný kroužek vnitřní strany komory a přikryje se filtračním papírkem aby zcela pokryl děrovaný kotouček. Odvážené množství cementu m se bez střásání vsype do komory. Na urovnaný cement se uloží filtrační papírek. Vloží se píst až se dotkne filtračního papírku a pak se opatrně stlačí dolů, až se spodní strana pístu dotkne tělesa komory. Píst se o 5 mm vysune, pootočí o 90° a znovu pevně dotlačí na cementové lůžko, až se píst dotkne tělesa komory. Cementové lůžko je nyní zpevněno a připraveno ke zkoušení.
Postup zkoušky: Kuželová část průtokové komory se nasadí do kuželového hrdla na horní straně manometru, které se případně lehce namaže tukem, aby bylo zajištěno vzduchotěsné spojení. Při tom je nutno dbát toho, aby se neporušilo cementové lůžko. Horní část průtokové komory se uzavře zátkou. Kohout se otevře a natáhne se kapalina k horní značce. Kohout se uzavře. Je nutno dbát na to, aby hladina kapaliny zůstala stálá. Pak se sejme zátka z horní části průtokové komory. Hladina kapaliny začne klesat. Jakmile hladina kapaliny dosáhne druhé značky, spustí se stopky a vypnou se v okamžiku, kdy hladina dosáhne značky třetí. Čas t se zaznamená na 0,2 s a teplota na 1°C.
Prosévací metoda slouží pouze ke stanovení hrubých částic cementu. Metoda prosévání proudem vzduchu stanovuje zbytek po prosévání a je vhodná pro částice, které v zásadě prošly zkušebním sítem 2,0 mm, a může být použita pro stanovení zrnitosti materiálů obsahujících shluky velmi jemných částic. Tato metoda se používá pro stanovení hodnot na sítech. Permeabilní metodou (Blaine) se měří měrný povrch (povrch vztažený na hmotnost) v porovnání s měrným povrchem referenčního vzorku. Stanovení měrného povrchu slouží především pro kontrolu rovnoměrnosti mlecího procesu při výrobě v daném závodě.
Stanovení normální konzistence, počátku a konce tuhnutí
Princip: Cementová kaše normální konzistence projevuje určitý odpor proti vnikání normalizovaného penetračního válečku. Množství vody, potřebné pro takovou kaši, se stanovuje pokusným vnikáním penetračního válečku do kaší s různým obsahem vody. Tuhnutí se sleduje vnikáním jehly do cementové kaše normální konzistence, až je dosaženo určité předepsané hodnoty.
Zkušební zařízení: Vicatův přístroj s ručním ovládáním s penetračním válečkem s délkou nejméně 45mm a průměrem 10,00 ± 0,05 mm. Celková hmotnost pohyblivé části je 330 ± 1g. Před každou zkouškou zajistíme, aby nedocházelo k většímu tření pohyblivých částí přístroje. Vicatův prstenec z tvrzené pryže, plastů nebo mosazi, kuželový tvar s výškou 40,0 ± 0,2 mm a vnitřní průměr 75 ± 10 mm. Umísťuje se na podložní skleněnou destičku. Její tloušťka musí být nmin.
Míchání cementové kaše: S přesností ± 1g se naváží 500g cementu a zvolené množství vody (např. 125g). V co nejkratším čase do míchačky vneseme vodu a cement a dbá se na to, aby nedošlo ke ztrátám cementu ani vody. Míchačka se uvede do provozu nízkou rychlostí. Zapnutím míchačky začínáme měřit čas 90 sekund. Poté míchání zastavíme na dobu 30 sekund, během níž se stěrkou setře všechna cementová kaše, která ulpí na stěnách a spodní části nádoby a umístí se do středu nádoby. Míchačka se uvede znovu do chodu nízkou rychlostí na dalších 90 sekund.
Plnění prstence: Vicatův prstenec a podložní destičku lehce potřeme olejem. Po zamíchání se kaše bez nadměrného hutnění nebo otřesů naplní s přebytkem do Vicatova prstence, umístěného na podložní destičce. Vzduch v kaši se odstraní poklepáváním prstence. Vicatův přístroj s předem připojeným penetračním válečkem se před zkouškou nastaví do nulové polohy - penetrační váleček se spustí na podložní destičku a ukazatel se nastaví na nulovou rysku stupnice. Nato se penetrační váleček zvedne do horní výchozí polohy. Vicatův prstenec na podložní destičce se ihned po uhlazení povrchu kaše postaví středem pod penetrační váleček. Penetrační váleček se pak posune dolů tak, aby byl ve styku s povrchem cementové kaše. V této poloze zůstane 1 - 2 sekundy, aby se zabránilo počáteční rychlosti nebo většímu zrychlení pohyblivé části. Nato se pohyblivá část rychle uvolní a penetrační váleček se nechá vnikat svisle do středu cementové kaše. Uvolnění válečku musí být provedeno 4minuty ± 10sekund po "nulovém čase". Odečtená hodnota, která udává vzdálenost mezi spodní plochou penetračního válečku a podložní destičkou, se zaznamená do protokolu o zkoušce spolu s obsahem vody v cementové kaši v procentech hmotnosti cementu. Zkouška se opakuje s cementovými kašemi, obsahujícími různé množství vody tak dlouho, až je dosaženo vzdálenosti mezi spodní plochou penetračního válečku a podložní destičkou 6 ± 2 mm.
Stanovení počátku tuhnutí: Vicatův přístroj s jehlou se před zkouškou nastaví do nulové polohy - jehla se spustí středem nádobky na podložní destičku a ukazatel se nastaví na nulovou rysku stupnice. Připevní se jehla s nástavcem o průměru asi 5 mm umožňující pozorovat malé vpichy. Celková hmotnost pohyblivé části musí být 300 ± 1 g. Naplněný prstenec se uloží na podložní destičku do nádobky, doplní se vodou tak, aby povrch kaše byl nejméně 5 mm pod hladinou a vloží se do prostředí s kontrolovanou teplotou při 20,0 ± 1°C. Poté se nádobka s podložní destičkou a prstencem postaví pod jehlu Vicatova přístroje. Jehla se pak posune dolů tak, aby byla ve styku s povrchem cementové kaše. V této poloze zůstane 1 - 2 sekundy, aby se zabránilo počáteční rychlosti nebo většímu zrychlení pohyblivé části. Nato se pohyblivá část rychle uvolní a jehla se se nechá vnikat svisle do středu cementové kaše. Odečtená hodnota, která udává vzdálenost mezi koncem jehly a podložní destičkou se uvede do protokolu o zkoušce spolu s dobou, která uplynula od nulového času. Vpichy jehly se opakují na stejné cementové kaši v prstenci v různých místech (nejméně 8 mm od okraje prstence, 5 mm od sebe a nejméně 10 mm od předchozího vpichu) ve vhodných časových intervalech (např. 10 minut). Po každém vpichu se jehla ihned očistí.
Stanovení konce tuhnutí: Naplněný Vicatův prstenec použitý u stanovení počátku tuhnutí se na podložní destičce obrátí tak, aby vpichy pro stanovení konce tuhnutí mohly být prováděny na straně původně přilehlé k podložní destičce. Prstenec na podložní destičce se ponoří do nádobky a uchovává se v prostředí s kontrolovanou teplotou při teplotě 20,0 ± 1°C. Po vhodné době se prstenec, podložní destička a nádobka postaví pod jehlu Vicatova přístroje, která se pak opatrně posune dolů tak, aby byla ve styku s povrchem. V této poloze zůstane 1 - 2 sekundy, aby se zabránilo počáteční rychlosti nebo většímu zrychlení pohyblivé části. Nato se pohyblivá část rychle uvolní a jehla se nechá vnikat svisle do cementové kaše. Vpichy jehly se opakují na stejné cementové kaši v prstenci v různých místech (8 mm od okraje prstence a 5 mm od sebe, nejméně 10mm od předchozího vpichu) ve vhodných časových intervalech (např. 30 minut). Zaznamená se čas, kdy jehla poprvé vnikla jen 0,5 mm do cementové kaše spolu s dobou, která uplynula od "nulového času". Koncem tuhnutí je pak doba, kdy kruhový nástavec jehly poprvé zanechal kružnicový obrys na povrchu tvrdnoucí cementové kaše.
Objemová stálost
Princip: Objemová stálost se stanoví podle změny objemu cementové kaše normální konzistence.
Postup zkoušení: Připraví se cementová kaše normální konzistence. Lehce naolejovaná Le Chatelierova objímka se postaví na mírně naolejovanou podložní destičkou, ručně se naplní kaší bez výrazného zhutňování nebo potřásání a povrch se zarovná. Objímka se přikryje lehce naolejovanou krycí destičkou a umístí se do vlhkého uložení (t = 20 ± 1°C a rel. Poté se změří vzdálenost mezi hroty tyčinek s přesností 0,5 mm. Objímka se pak zahřívá ve vodní lázni postupně v době 30 ± 5 minut k varu a vaření se udržuje po dobu 3 hodin ± 5 minut. Objímka se vyjme z vodní lázně, ochladí se na teplotu laboratoře a změří se vzdálenost mezi hroty tyčinek s přesností 0,5 mm. Míry se zaznamenají a vypočte se rozdíl s přesností na 1 mm. Je-li rozepnutí větší než je předepsaná hodnota pro cement, provede se opakované stanovení.
Měrná hmotnost
Princip: Suchý a zvážený pyknometr se naplní destilovanou vodou a po osušení se opět zváží. Vodu vylejeme a po vysušení do ní vlijeme kapalinu nereagující s cementem a opět zvážíme. Dále vysušíme pyknometr a vložíme do něj přibližně 2 - 4 g cementu. Cement zalijeme kapalinou tak, aby hladina kapaliny sahala cca 5 mm nad cement, odstraníme vzduchové bublinky a pak doplníme doplna a pyknometr opět po osušení zvážíme. Měrnou hmotnost stanovujeme celkem třikrát.
Složení cementů
Metoda je založena na sledování počtu zrn portlandského slinku a strusky mikroskopem. Zrna portlandského slinku se pod mikroskopem jeví jako tmavá, zrna strusky se jeví jako světlá. Požadavky na složení, značení, třídy a vlastnosti cementů jsou specifikovány v normě ČSN EN 197-1.
tags: #zkouska #cementu #tahu #ohybem #princip #metodika