Prüfung von Festbeton unter Spannung

Stahlbeton hat eine höhere Festigkeit als unbewehrter Beton, da der Stahl im bewehrten Profil zur Aufnahme großer Zugkräfte verwendet werden kann, wie in diesem Labortest gezeigt wird.

Beton kann sehr großen Belastungen unter einachsigen Druckkräften standhalten. Die beobachteten Ausfälle sind jedoch nicht druckbezogener Natur, sondern Ausfälle entlang von Schubebenen, in denen maximale Zugkräfte auftreten. Diese Art des plötzlichen Versagens ist bei strukturellen Anwendungen inakzeptabel, und der meiste Beton wird mit Stahl verstärkt, um seine Festigkeit und Duktilität zu erhöhen.

In praktischen Anwendungen werden Stäbe in einem Stahlkäfigmuster hinzugefügt, um potenzielle Ebenen des Zugversagens zu kreuzen. Die Stahlbewehrung dient dazu, die Rissbildung und die Rissbreiten zu begrenzen und so die Lebensdauer des Bauwerks zu erhöhen. Tausalze und andere Chemikalien werden daran gehindert, in den Betonstahl einzudringen und ihn zu korrodieren. Die Steifigkeit der Bauteile bleibt erhalten, langfristige Durchbiegungen werden reduziert und das ästhetische Erscheinungsbild von Betonkonstruktionen verbessert.

In diesem Video führen wir Versuche durch, um die Zugfestigkeit von Beton zu bestimmen und bewehrten mit unbewehrtem Beton zu vergleichen.

Bei Beton führt eine sehr dünne, schwache Schicht zwischen Mörtel und Zuschlagstoff, die sogenannte Grenzflächenübergangszone, zu sehr geringen Zugfestigkeiten. Da die Konstruktion gängiger Betone von der Notwendigkeit bestimmt ist, den Zuschlagstoffgehalt zu maximieren und das Mörtelvolumen zu minimieren, ist der Partikelabstand sehr klein, wobei bis zu 40 % des Mörtelvolumens aus dem schwächeren ITZ-Material bestehen. Das lokale, größere Wasser-Zement-Verhältnis beim Mischen und Aushärten im Interphasenbereich führt zu einer schwächeren Kristallstruktur in der ITZ. Dieser Zustand, gepaart mit den Spannungskonzentrationen um die unregelmäßigen Zuschlagstoffpartikel, führt zu einem bevorzugten Risswachstum in diesem Bereich.

Um die Zugeigenschaften von Beton zu testen, wird häufig ein Verfahren verwendet, das als Split-Cylinder-Test bekannt ist. Es wird eine Druckkraft aufgebracht, die zu einer gleichmäßigen, horizontalen Zugspannung an Stellen führt, die von der aufgebrachten Last entfernt sind.

Typischerweise besteht eine Korrelation zwischen der Zug- und der Druckfestigkeit, obwohl die typischen Variationskoeffizienten für diese Beziehungen hoch sind. Eine weitere verwendete Methode ist eine Vierpunkt-Biegeversuchskonfiguration. In diesem Test befindet sich die obere Faser in Kompression und die untere in Spannung. Wenn die Zugfestigkeit am Boden erreicht ist, bildet sich ein Riss, der zum sofortigen Versagen führt.

Eine ähnliche Korrelation von Zug- und Druckfestigkeit zeigt sich bei diesem Versuch. Der Balkenversuch führt zu Vorhersagen der Zugkapazität, die in der Regel 30 bis 50 % größer ist als der Split-Tension-Versuch. Da die Rissbildung in vielen Betonelementen jedoch auf die Biegung zurückzuführen ist, werden in der Regel die Werte aus den Balkenversuchen in der Bemessung verwendet. Um unbewehrten Beton mit Stahlbeton zu vergleichen, werden Stahlstäbe in die untere Zugseite eines Trägers eingelegt und dann geprüft.

Im nächsten Abschnitt messen wir die Zugfestigkeit von unbewehrtem Beton mit dem Spaltzugversuch und vergleichen die Zugfestigkeit von unbewehrtem und bewehrtem Beton mit dem Balkenzugversuch.

Verwenden Sie für diese Tests die Beispielzylinder, die in unserem Video über Frischbeton vorbereitet wurden. Verwenden Sie einen dünnen Streifen Balsaholz und eine steife Stahlstange, um die Lasten gleichmäßig von den zylindrischen Belastungsköpfen in der Druckprüfmaschine zu verteilen. Zeichnen Sie an jedem Ende der Probe eine Linie entlang des Durchmessers, die den Zylinder halbiert. Zentrieren Sie anschließend einen Holzstreifen und eine steife Stahlstange entlang der Mitte des unteren Lagerbocks der Prüfmaschine.

Platzieren Sie nun den Zylinder auf dem Band und richten Sie ihn so aus, dass die an den Enden der Probe markierten Linien senkrecht und zentriert über dem Band verlaufen. Legen Sie dann den zweiten Holzstab und die Stahlstange der Länge nach auf den Zylinder. Senken Sie dann den oberen Ladekopf der Prüfmaschine ab, bis die Baugruppe in der Maschine gesichert ist.

Die Druckbelastung wird langsam und kontinuierlich aufgebracht, bis die Probe in Spaltspannung versagt. Notieren Sie abschließend die maximal aufgebrachte Last. Untersuchen Sie die Bruchfläche, und schätzen Sie den Prozentsatz des Aggregats, der gebrochen ist. Wiederholen Sie diesen Vorgang für den zweiten Zylinder, um eine Vorstellung von der Abweichung zu bekommen.

Konstruieren Sie zwei Betonbalken, einen ohne Bewehrung und einen mit 2 Stäben mit der Nummer drei, die sich etwa 0,5 Zoll von der Unterseite entfernt befinden. Die Stangen haben an den Enden Haken, um ein Versagen des Stangenauszugs zu verhindern. Beide Balken haben einen Querschnitt von 4 Zoll x 4 Zoll und eine freitragende Länge von 16 Zoll.

Heben Sie den Betonbalken vorsichtig an und installieren Sie ihn in der Aufstellung. Anschließend installieren Sie wie abgebildet eine Vierpunkt-Biegeprüfvorrichtung in der Prüfmaschine. Der Test wird als Vierpunkt-Biegeversuch bezeichnet, da wir an den Enden zwei Stützen und am dritten Punkt zwei Belastungspunkte haben.

Schalten Sie die Prüfmaschine ein und aktivieren Sie die Software zum Auslesen von Lasten und Verformungen. Als nächstes wird die Druckbelastung langsam und kontinuierlich aufgebracht, bis die Probe versagt. Notieren Sie die maximal aufgebrachte Last. Untersuchen Sie abschließend die Bruchfläche, und schätzen Sie den Prozentsatz des Aggregats, der gebrochen ist.

Wiederholen Sie das gleiche Protokoll für den Stahlbetonträger. In diesem Fall verhindert eine Stahlverstärkung an der Unterseite oder Zugseite des Trägers plötzliche Sprödbrüche. Wenn der Beton zu reißen beginnt, beginnt der Stahl, die Zugkräfte aufzunehmen. Diese Technik funktioniert, solange die Stahlstangen, die Oberflächenverformungen aufweisen, die ihnen helfen, Kräfte aus dem Beton zu übertragen, richtig verankert sind.

Berechnen Sie die Zugfestigkeit für die maximale Druckbelastung, die während des Spaltzugversuchs erreicht wird. Bei diesen Tests lag der Durchschnitt bei 388 psi mit einer Standardabweichung von 22,2 psi.

Berechnen Sie die Zugfestigkeit für die maximale Druckbelastung, die während des Balkenzugversuchs erreicht wird. Bei diesen Tests lag der Durchschnitt bei 522,9 psi. Wir können die unbewehrten und die Stahlbetonträger vergleichen, indem wir uns ihre Lastdurchbiegungskurven ansehen.

Anfangs folgten beide Balken einem ähnlichen Weg mit leichten Unterschieden in der Anfangssteifigkeit, wahrscheinlich aufgrund von Änderungen der Lagerbedingungen. Der unbewehrte Balken versagte, sobald die ersten Risse bei einer Last von etwa 450 Pfund auftraten, einer Belastung, die nahe der prognostizierten Zugfestigkeit lag. Der verstärkte Träger riss bei höherer Belastung, erlangte aber schnell seine Festigkeit wieder, wenn auch bei geringerer Gesamtsteifigkeit. Die Belastung nimmt weiter zu, bis der Stahl nachzugeben beginnt, woraufhin die Kurve abzuflachen beginnt. Da Stahl sehr duktil ist und kaltverfestigt wird, tritt ein Versagen bei großen Verformungen auf.

Ein Vergleich der beiden Kurven zeigt den dramatischen Unterschied in der Leistung. Der Unterschied in der Festigkeit ist sehr groß, aber es ist zu beachten, dass dies mit dem verwendeten Stahlbereich zusammenhängt.

Nachdem Sie nun die Notwendigkeit einer Stahlbewehrung in Beton erkannt haben, schauen wir uns einige gängige Anwendungen an. Durch die Verwendung von nur einem bis 1 bis 1,5 % Stahl im Bereich des Betonquerschnitts können Betonkonstruktionen hergestellt werden, die wirtschaftlich, sicher und langlebig sind. Viele Football-Stadien, wie das Soldier Field in Chicago, verdanken ihre einzigartigen Formen dem Stahlbeton.

Frank Lloyd Wright brachte Stahlbeton in die Welt der modernen Architektur. Wright nutzte seine Fähigkeit, seine Integrität in freitragenden Auslegern zu bewahren, und verwendete das Material in einigen seiner größten Werke, darunter Fallingwater in Pennsylvania.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Druckversuche an festem Beton unter Zug gesehen. Sie sollten nun die Sprödigkeit von Zugbrüchen in Beton verstehen und die üblichen Labortests zur Bestimmung der Festigkeit von unbewehrtem und bewehrtem Beton unter Zug kennen.

Danke fürs Zuschauen!