| Размер образца-куба, мм | Площадь рабочего сечения, см² | Масштабный коэффициент α | Применение |
|---|---|---|---|
| 70×70×70 | 49 | 0,85 | Мелкозернистый бетон, керны малого размера |
| 100×100×100 | 100 | 0,91 | Бетон с заполнителем до 20 мм, стандартные испытания |
| 150×150×150 | 225 | 1,00 | Базовый размер, тяжелый бетон |
| 200×200×200 | 400 | 1,05 | Крупнозернистый бетон с заполнителем до 70 мм |
| Возраст бетона, сутки | Набор прочности, % от R28 | Типичные значения для класса В25, МПа | Назначение испытания |
|---|---|---|---|
| 1 | 15-20 | 5,0-6,5 | Начальное схватывание |
| 3 | 40-50 | 13,0-16,5 | Ранняя прочность для распалубки |
| 7 | 60-75 | 20,0-24,5 | Промежуточный контроль, отпускная прочность |
| 14 | 80-90 | 26,0-29,5 | Технологический контроль |
| 28 | 95-100 | 31,0-32,7 | Проектная прочность, класс бетона |
| 90 | 105-115 | 34,0-37,5 | Длительное твердение |
| Условия производства | Коэффициент вариации Vm, % | Характеристика однородности | Требуемое превышение прочности над классом |
|---|---|---|---|
| Заводское производство с жестким контролем качества | 5-8 | Высокая однородность | 8-14% |
| Бетонный завод с автоматизированным дозированием | 9-11 | Хорошая однородность | 14-18% |
| Строительная площадка с передвижным бетоносмесителем | 12-14 | Удовлетворительная однородность | 18-22% |
| Монолитное строительство с ручным дозированием | 15-18 | Пониженная однородность | 22-28% |
| Класс бетона по прочности | Кубиковая прочность R, МПа | Коэффициент Rb/R | Призменная прочность Rb, МПа |
|---|---|---|---|
| В7,5 | 10 | 0,76 | 7,6 |
| В12,5 | 15 | 0,76 | 11,4 |
| В15 | 20 | 0,75 | 15,0 |
| В20 | 25 | 0,75 | 18,8 |
| В25 | 32,7 | 0,74 | 24,2 |
| В30 | 39,3 | 0,73 | 28,7 |
| В40 | 52,4 | 0,72 | 37,7 |
| В50 | 65,5 | 0,71 | 46,5 |
Нормативная база и требования к контрольным испытаниям бетона
Контроль прочности бетона на сжатие представляет собой основополагающий метод оценки качества бетонных смесей и готовых конструкций в строительной лаборатории. Процедура испытаний регламентируется комплексом межгосударственных стандартов, образующих единую систему нормативно-технической документации для специалистов-лаборантов.
Базовым документом служит ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам», введенный в действие с 1 июля 2013 года взамен ГОСТ 10180-90. Стандарт распространяется на бетоны всех видов согласно ГОСТ 25192-2012 и устанавливает методы определения предела прочности на сжатие, осевое растяжение, растяжение при раскалывании и растяжение при изгибе путем разрушающих кратковременных статических испытаний.
Статистическая обработка результатов и правила контроля прочности регулируются ГОСТ 18105-2018 «Бетоны. Правила контроля и оценки прочности», который определяет методики расчета коэффициента вариации, требуемой прочности бетонной смеси и фактического класса бетона в конструкциях. Этот документ критически важен для понимания статистической природы прочностных характеристик бетона.
ГОСТ 10180-2012 соответствует основным положениям европейских стандартов серии EN 12390 (части 1-6), что обеспечивает сопоставимость результатов испытаний с международной практикой. Документ гармонизирован с требованиями ASTM C39 для определения прочности цилиндрических образцов.
Для расчета железобетонных конструкций применяется СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции», где используются нормативные и расчетные сопротивления бетона, определяемые на основе призменной прочности. Связь между кубиковой прочностью лабораторных образцов и призменной прочностью для проектных расчетов осуществляется через переходные коэффициенты.
Изготовление форм для образцов регламентируется ГОСТ 22685-89 «Формы для изготовления контрольных образцов бетона», требования к прессовому оборудованию изложены в ГОСТ 28840-90 «Машины для испытаний материалов на растяжение, сжатие и изгиб».
↑ Вернуться к оглавлениюСтандартные размеры образцов-кубов и масштабные коэффициенты
Базовым размером контрольных образцов-кубов для определения кубиковой прочности бетона принят куб с ребром 150 мм. Площадь рабочего сечения такого образца составляет 225 см², что обеспечивает репрезентативность испытаний для тяжелого бетона с максимальным размером зерен заполнителя до 40 мм.
Зависимость размера образца от крупности заполнителя
Выбор размеров образца определяется наибольшим номинальным размером зерен крупного заполнителя в бетонной смеси. Согласно требованиям ГОСТ 10180-2012, размер куба должен превышать максимальный размер зерна заполнителя не менее чем в 3-4 раза для получения достоверных результатов.
Для мелкозернистых бетонов и растворов с размером зерен до 10 мм применяются образцы-кубы размером 100×100×100 мм или 70×70×70 мм. При работе с крупнозернистыми бетонами, содержащими щебень крупностью 40-70 мм, необходимо изготавливать кубы размером 200×200×200 мм.
Масштабный коэффициент приведения прочности
Прочность бетона при испытании образцов различных размеров отличается вследствие влияния сил трения между опорными плитами пресса и гранями образца. Это явление, известное как масштабный эффект, требует введения поправочных коэффициентов для приведения результатов к базовому размеру 150×150×150 мм.
Для образца-куба с ребром 100 мм масштабный коэффициент α составляет 0,91, что означает получение прочности на 9% выше, чем у базового образца из-за большего влияния сил трения. Малые образцы 70×70×70 мм имеют коэффициент 0,85, образцы 200×200×200 мм – коэффициент 1,05. Точные значения масштабных коэффициентов определяются экспериментально по методике ГОСТ 10180-2012.
При использовании поверенных калиброванных форм по ГОСТ 22685-89 допускается не измерять линейные размеры образцов, а принимать их равными номинальным. Однако погрешность измерения линейных размеров при контрольном измерении не должна превышать 1% для обеспечения точности расчета прочности.
Формула приведения прочности с учетом масштабного коэффициента имеет вид: Rприведенная = (F × α) / A, где F – разрушающая нагрузка в Н, α – масштабный коэффициент, A – площадь рабочего сечения в мм². Полученное значение выражается в МПа с точностью до 0,1 МПа.
↑ Вернуться к оглавлениюВозраст испытания образцов и кинетика набора прочности
Прочность бетона формируется в результате физико-химических процессов гидратации цемента, протекающих во времени. Стандартным возрастом для определения класса бетона по прочности на сжатие принято 28 суток нормального твердения при температуре 20±2°C и относительной влажности не менее 90%.
Кинетика набора прочности в нормальных условиях
В первые сутки после укладки бетонная смесь набирает 15-20% от проектной прочности 28 суток. Этот период характеризуется интенсивным схватыванием цементного теста и образованием первичной кристаллической структуры гидратных новообразований.
К третьим суткам твердения бетон на портландцементе достигает 40-50% марочной прочности. Данный срок является критическим для принятия решения о распалубке вертикальных конструкций при условии достижения распалубочной прочности не менее 70% от проектного класса.
Семисуточная прочность составляет 60-75% от R28 и используется для определения отпускной прочности сборных железобетонных изделий. Согласно технологическим регламентам заводов ЖБИ, изделия могут отгружаться потребителю при достижении отпускной прочности, составляющей не менее 70% проектной для конструкций, эксплуатируемых в закрытых помещениях, и 80-90% для наружных конструкций.
Промежуточные сроки контроля
Испытания в возрасте 14 суток (прочность 80-90%) проводятся при необходимости технологического контроля качества бетонирования монолитных конструкций. Четырнадцатисуточная прочность служит промежуточным критерием соответствия состава бетонной смеси проектным требованиям.
Стандартные 28 суток соответствуют 95-100% набора прочности при нормальных условиях твердения. Фактически процесс гидратации цемента продолжается значительно дольше – к 90 суткам прочность может достигать 105-115% от 28-суточной, а длительное твердение в течение года может дать прирост до 120-130%.
Скорость набора прочности существенно зависит от температурно-влажностных условий твердения. При снижении температуры до +5°C набор прочности замедляется в 3-4 раза, при температуре близкой к 0°C практически останавливается. При тепловой обработке в пропарочных камерах при температуре 80-90°C за 12-15 часов достигается 70-100% от 28-суточной прочности.
Для быстротвердеющих портландцементов характерен более интенсивный набор прочности в ранние сроки – до 80% за 7 суток. Применение пластифицирующих и ускоряющих твердение добавок позволяет достичь отпускной прочности за 3-5 суток при нормальной температуре.
↑ Вернуться к оглавлениюКоэффициент вариации прочности и статистическая обработка результатов
Прочность бетона представляет собой статистическую величину, изменяющуюся в пределах одной партии бетонной смеси вследствие естественной неоднородности материалов, погрешностей дозирования компонентов, колебаний режимов приготовления и укладки смеси.
Определение коэффициента вариации
Коэффициент вариации Vm характеризует однородность бетона по прочности и рассчитывается как отношение среднеквадратического отклонения прочности к средней прочности партии, выраженное в процентах. Для тяжелого бетона заводского производства с автоматизированным дозированием компонентов коэффициент вариации составляет 5-8%, что соответствует высокой однородности.
При производстве бетона на бетонных узлах строительных площадок с менее жестким контролем качества коэффициент вариации возрастает до 12-14%. Монолитное строительство с ручным дозированием компонентов может давать Vm = 15-18%, что требует существенного превышения требуемой прочности над проектным классом для обеспечения гарантированной прочности.
Влияние коэффициента вариации на требуемую прочность
Согласно методике ГОСТ 18105-2018, требуемая прочность бетонной смеси Rтр определяется с учетом коэффициента вариации и обеспеченности класса бетона 0,95. При коэффициенте вариации 7% требуемая прочность превышает класс на 8-14%, при Vm = 13,5% – на 18-22%, при Vm = 18% превышение достигает 25-28%.
Для примера, при производстве бетона класса В25 (кубиковая прочность 32,7 МПа) на заводе с коэффициентом вариации 8% требуемая средняя прочность партии составит 36-37 МПа. При монолитном строительстве с Vm = 15% требуемая прочность возрастает до 40-42 МПа для того же класса.
Снижение коэффициента вариации на 1-2% позволяет существенно экономить цемент при сохранении гарантированного класса бетона. Оптимизация системы контроля качества и автоматизация дозирования являются экономически целесообразными мероприятиями для бетонных заводов.
Статистическая обработка серии образцов
Прочность бетона в партии определяется как среднее арифметическое значение результатов испытаний серии образцов. Минимальное количество образцов в серии составляет 2 штуки при контроле по образцам, изготовленным из бетонной смеси. При контроле прочности в конструкциях неразрушающими методами с последующей калибровкой требуется испытание не менее 3 образцов для построения достоверной градуировочной зависимости.
Среднеквадратическое отклонение Sm рассчитывается по формуле с использованием индивидуальных значений прочности каждого образца в серии. Коэффициент вариации определяется как Vm = (Sm / Rm) × 100%, где Rm – средняя прочность серии.
↑ Вернуться к оглавлениюПереходные коэффициенты от кубиковой к призменной прочности
Кубиковая прочность, определяемая при испытании образцов-кубов, представляет собой условную характеристику бетона, используемую для классификации и контроля качества. Реальные железобетонные конструкции имеют форму, существенно отличающуюся от кубической, что приводит к иному характеру напряженно-деформированного состояния при сжатии.
Физическая природа различия прочностей
При испытании кубических образцов силы трения между опорными плитами пресса и гранями образца создают эффект обоймы, препятствующий поперечным деформациям опорных зон. Это приводит к формированию объемного напряженного состояния и повышению измеряемой прочности по сравнению с одноосным сжатием.
Призменная прочность Rb определяется при испытании образцов-призм с отношением высоты к размеру стороны основания h/a ≥ 4. При таком отношении влияние сил трения на торцах становится минимальным, и в центральной зоне образца реализуется близкое к одноосному напряженное состояние, характерное для реальных конструкций.
Эмпирическая зависимость коэффициента перехода
Для бетонов средней прочности (классы В15-В50) связь между призменной и кубиковой прочностью описывается эмпирической формулой: Rb/R = 0,77 - 0,001×R, где R – кубиковая прочность в МПа. Данная зависимость показывает, что коэффициент перехода уменьшается с ростом класса бетона.
Для низкомарочных бетонов класса В7,5-В15 коэффициент составляет 0,75-0,76, что означает призменную прочность на уровне 75-76% от кубиковой. Для бетонов класса В25-В30 коэффициент снижается до 0,73-0,74. Высокопрочные бетоны класса В50 и выше характеризуются коэффициентом 0,70-0,71.
В нормах проектирования СП 63.13330.2018 используется нормативное сопротивление бетона осевому сжатию Rbn, определяемое на основе призменной прочности с обеспеченностью 0,95. Расчетное сопротивление Rb получается делением нормативного на коэффициент надежности по бетону γb = 1,3 для тяжелого бетона.
Практические аспекты использования переходных коэффициентов
В лабораторной практике переходные коэффициенты применяются при необходимости пересчета результатов испытаний кубов в призменную прочность для проверочных расчетов конструкций. Прямое определение призменной прочности испытанием призм размером 150×150×600 мм более трудоемко и требует в четыре раза больше расхода бетона, поэтому применяется редко.
Следует учитывать, что для высокопрочных бетонов классов выше В60 формула Rb/R = 0,77 - 0,001×R дает заниженные значения коэффициента. Экспериментальные исследования показывают необходимость корректировки зависимости для таких бетонов.
↑ Вернуться к оглавлениюМетодика проведения испытаний на прессовом оборудовании
Испытание контрольных образцов бетона на сжатие осуществляется на гидравлических или механических прессах с максимальным усилием, соответствующим ожидаемой разрушающей нагрузке. Для бетонов класса В25 при испытании кубов 150×150×150 мм требуется пресс с усилием не менее 1000 кН.
Подготовка образцов к испытанию
Перед испытанием образцы выдерживаются в камере нормального твердения при температуре 20±2°C и относительной влажности не менее 90% в течение установленного срока. За 2-4 часа до испытания образцы извлекаются из камеры для стабилизации влажностного состояния.
Опорные грани образца должны быть плоскими с отклонением от плоскостности не более 0,2 мм на всей площади грани. При использовании стальных форм с обработанными поверхностями это требование обеспечивается автоматически. Выступы бетона на гранях образца более 1 мм срезаются абразивным инструментом.
Если опорные грани не удовлетворяют требованиям по плоскостности, их выравнивают шлифованием на специальных станках или нанесением выравнивающего слоя быстротвердеющего материала на основе глиноземистого цемента или серы толщиной не более 5 мм с прочностью не менее ожидаемой прочности бетона.
Центрирование образца и режим нагружения
Образец устанавливается на нижнюю опорную плиту пресса центрально, геометрическая ось образца должна совпадать с осью нагружения пресса. Несоосность установки приводит к появлению изгибающих моментов и искажению результатов испытаний.
Скорость нарастания нагрузки для бетона класса В30 и ниже составляет 0,6±0,2 МПа/с, что соответствует приросту усилия на прессе 130-150 кН/мин для образца 150×150×150 мм. Для бетонов класса В35 и выше скорость нагружения увеличивается до 0,8±0,2 МПа/с. Отклонение от установленной скорости нагружения недопустимо, так как влияет на получаемые значения прочности.
При разрушении образца возможно разлетание фрагментов бетона, поэтому испытания должны проводиться в прессах с защитными ограждениями. Оператор обязан использовать защитные очки. Запрещается проведение испытаний при неисправных предохранительных устройствах пресса.
Фиксация результатов и расчет прочности
Разрушающая нагрузка фиксируется по показаниям силоизмерительного устройства пресса в момент начала разрушения образца. Прочность единичного образца рассчитывается по формуле R = (F × α) / A, где F – разрушающая нагрузка в Н, α – масштабный коэффициент, A – площадь рабочего сечения образца в мм².
Результаты испытаний заносятся в журнал с указанием номера образца, размеров, разрушающей нагрузки, вычисленной прочности и характера разрушения. При наличии дефектов в образце или нетипичном характере разрушения результат бракуется и не учитывается при статистической обработке.
Средняя прочность серии определяется как среднее арифметическое значений прочности всех образцов серии с точностью до 0,1 МПа. При наличии резко отклоняющихся значений применяются статистические критерии для исключения промахов согласно приложениям ГОСТ 18105-2018.
↑ Вернуться к оглавлению