Prove di calcestruzzo indurito in trazione

Il cemento armato ha una resistenza maggiore rispetto al cemento non armato perché l'acciaio nella sezione armata può essere utilizzato per sopportare grandi forze di trazione, come verrà dimostrato in questi test di laboratorio.

Il calcestruzzo può resistere a sollecitazioni molto grandi sotto forze di compressione uniassiali. Tuttavia, i cedimenti osservati non sono di natura compressiva, ma cedimenti lungo piani di taglio dove si verificano le massime forze di trazione. Questo tipo di cedimento improvviso è inaccettabile nelle applicazioni strutturali e la maggior parte del calcestruzzo è rinforzato con acciaio per aumentarne la resistenza e la duttilità.

Nelle applicazioni pratiche, le barre vengono aggiunte in uno schema a gabbia d'acciaio per attraversare potenziali piani di rottura a trazione. L'armatura in acciaio serve a limitare la formazione di crepe e le larghezze delle fessure, aumentando la durata della struttura. I sali antigelo e altri prodotti chimici non penetrano e corrodono l'acciaio per armatura. La rigidezza degli elementi strutturali viene mantenuta e le deflessioni a lungo termine vengono ridotte e l'aspetto estetico delle strutture in calcestruzzo viene migliorato.

In questo video, condurremo test per determinare la resistenza alla trazione del calcestruzzo e confronteremo il cemento armato con quello non armato.

Nel calcestruzzo, uno strato molto sottile e debole tra la malta e l'aggregato, chiamato zona di transizione interfacciale, determina resistenze alla trazione molto basse. Poiché la progettazione di calcestruzzi comuni è guidata dalla necessità di massimizzare il contenuto aggregato e ridurre al minimo il volume della malta, la spaziatura delle particelle è molto piccola, con fino al 40% del volume della malta costituito dal materiale ITZ più debole. Il rapporto acqua/cemento locale, più grande, durante la miscelazione e l'indurimento nell'area dell'interfase, si traduce in una struttura cristallina più debole nell'ITZ. Questa condizione, unita alle concentrazioni di sollecitazioni attorno alle particelle irregolari dell'aggregato, porta alla crescita preferenziale di cricche in quest'area.

Per testare le proprietà di trazione del calcestruzzo, viene spesso utilizzato un metodo noto come test del cilindro diviso. Viene applicata una forza di compressione che determina una sollecitazione di trazione orizzontale uniforme, in posizioni lontane dal carico applicato.

In genere si osserva una correlazione tra le resistenze a trazione e compressione, sebbene i coefficienti di variazione tipici per queste relazioni siano elevati. Un altro metodo utilizzato è una configurazione di prova di flessione a quattro punti. In questo test, la fibra superiore è in compressione e quella inferiore in tensione. Quando la resistenza alla trazione viene raggiunta nella parte inferiore, si forma una crepa che causa un cedimento immediato.

Una correlazione simile tra resistenza a trazione e compressione si osserva per questo test. Il test del fascio produce previsioni della capacità di trazione, generalmente dal 30 al 50% più grande rispetto al test di tensione divisa. Ma poiché la fessurazione in molti elementi in calcestruzzo è dovuta alla flessione, i valori delle prove delle travi sono tipicamente utilizzati nella progettazione. Per confrontare il cemento non armato con il cemento armato, le barre d'acciaio vengono posizionate sul lato inferiore di trazione di una trave e quindi testate.

Nella prossima sezione, misureremo la resistenza alla trazione del calcestruzzo non armato utilizzando la prova di trazione divisa e confronteremo la resistenza alla trazione del calcestruzzo non armato e armato, utilizzando la prova di trazione della trave.

Per questi test, utilizzare i cilindri campione che sono stati preparati nel nostro video che discute del calcestruzzo fresco. Utilizzare una sottile striscia di legno di balsa e una barra d'acciaio rigida per distribuire uniformemente i carichi dalle teste di carico cilindriche nella macchina per prove di compressione. Tracciare una linea lungo il diametro su ciascuna estremità del campione, dividendo in due il cilindro. Quindi, centrare una striscia di legno e una barra d'acciaio rigida lungo il centro del blocco cuscinetto inferiore della macchina di prova.

Ora, posiziona il cilindro sulla striscia e allinealo in modo che le linee segnate alle estremità del campione siano verticali e centrate sulla striscia. Quindi, posiziona la seconda striscia di legno e la barra d'acciaio nel senso della lunghezza sopra il cilindro. Quindi, abbassare la testa di carico superiore della macchina di prova fino a quando il gruppo non è fissato nella macchina.

Applicare il carico di compressione lentamente e continuamente fino a quando il provino non cede in tensione di spaccatura. Infine, registrare il carico massimo applicato. Esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturato. Ripeti questo processo per il secondo cilindro per avere un'idea della variazione.

Costruisci due travi di cemento, una senza rinforzo e una rinforzata con 2 barre numero tre situate a circa 0,5 pollici dal fondo. Le barre sono dotate di ganci alle estremità per evitare un guasto all'estrazione della barra. Entrambe le travi hanno una sezione trasversale di 4 pollici per 4 pollici con una lunghezza non supportata di 16 pollici.

Sollevare con cautela la trave di cemento e installarla nella configurazione. Quindi installare un apparecchio di prova di flessione a quattro punti nella macchina di prova come mostrato. Il test è chiamato test di flessione a quattro punti perché abbiamo due supporti alle estremità e due punti di carico al terzo punto.

Accendere la macchina di prova e attivare il software per leggere il carico e le deformazioni. Quindi, applicare il carico di compressione lentamente e continuamente fino a quando il campione non cede. Registrare il carico massimo applicato. Infine, esaminare la superficie di frattura e stimare la percentuale di aggregato che si è fratturata.

Ripetere lo stesso protocollo per la trave in cemento armato. In questo caso, l'armatura in acciaio sul lato inferiore o a trazione della trave, previene improvvisi cedimenti fragili. Quando il calcestruzzo inizia a rompersi, l'acciaio inizierà ad assorbire le forze di trazione. Questa tecnica funziona fintanto che le barre d'acciaio, che presentano deformazioni superficiali che le aiutano a trasferire le forze dal calcestruzzo, sono correttamente ancorate.

Calcolare la resistenza alla trazione per il carico di compressione massimo raggiunto durante la prova di trazione divisa. Per questi test, la media è stata di 388 psi con una deviazione standard di 22,2 psi.

Calcolare la resistenza alla trazione per il carico di compressione massimo raggiunto durante la prova di trazione della trave. Per questi test, la media è stata di 522,9 psi. Possiamo confrontare le travi in cemento non armato e quelle in cemento armato osservando le loro curve di deflessione del carico.

Inizialmente, entrambe le travi hanno seguito un percorso simile con lievi differenze nella rigidezza iniziale, probabilmente dovute a cambiamenti nelle condizioni di appoggio. La trave non rinforzata ha ceduto non appena si è verificata una fessurazione iniziale con un carico di circa 450 libbre, un carico vicino alla resistenza alla trazione prevista. La trave rinforzata si incrinava ad un carico più elevato ma riacquistava rapidamente la sua forza, anche se con una rigidità complessiva inferiore. Il carico continua ad aumentare fino a quando l'acciaio inizia a cedere, dopodiché la curva inizia ad appiattirsi. Poiché l'acciaio è molto duttile e si indurisce sotto deformazione, la rottura si verifica in caso di grandi deformazioni.

Un confronto tra le due curve mostra la drammatica differenza nelle prestazioni. La differenza di resistenza è molto grande, ma va notato che questa è correlata all'area di acciaio utilizzata.

Ora che ti rendi conto della necessità di rinforzi in acciaio nel calcestruzzo, diamo un'occhiata a un paio di applicazioni comuni. L'utilizzo di solo dall'uno all'1-1,5% di acciaio sull'area della sezione trasversale del calcestruzzo può realizzare strutture in calcestruzzo economiche, sicure e di buona manutenzione. Molti stadi di calcio, come il Soldier Field di Chicago, devono le loro forme uniche al cemento armato.

Frank Lloyd Wright ha introdotto il cemento armato nel mondo dell'architettura moderna. Sfruttando la sua capacità di mantenere la sua integrità in cantilever non supportati, Wright utilizzò il materiale in alcune delle sue più grandi opere, tra cui Fallingwater in Pennsylvania.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle prove di compressione su calcestruzzo indurito in trazione. Ora dovresti comprendere la natura fragile dei cedimenti a trazione nel calcestruzzo e conoscere i test di laboratorio standard per determinare la resistenza del calcestruzzo non armato e armato sotto tensione.

Grazie per l'attenzione!