ВИПРОБУВАННЯ НА МІЦНІСТЬ БЕТОНУ ЗА КОНТРОЛЬНИМИ ЗРАЗКАМИ (КУБАМИ)

Міцність бетону є основною механічною характеристикою, що визначає його здатність протистояти зовнішнім навантаженням. Вона безпосередньо впливає на несучу здатність конструктивних елементів, таких як фундаменти, стіни, перекриття. В Україні це питання регулюється низкою нормативних документів, головним з яких є ДСТУ Б В.2.7-170:2008 (ISO 1920-3:2004, NEQ) ‘Бетони. Методи визначення міцності за контрольними зразками’. Цей стандарт встановлює методику виготовлення, зберігання та випробування бетонних зразків для визначення їх міцності на стиск.

Структурна цілісність будівель та споруд повністю залежить від міцності бетону. Недотримання проектних показників може призвести до деформацій, тріщин і навіть руйнування конструкцій. Тому регулярний контроль міцності бетону на всіх етапах будівництва є критично важливим. Зазвичай випробування проводять на 7 та 28 добу після заливки, оскільки саме на 28 добу бетон досягає своєї марочної (проєктної) міцності, що є ключовим показником для подальших будівельних робіт. Клас бетону, наприклад B25 або C20/25 (де B – клас за міцністю на стиск у МПа, а C – європейський аналог, що вказує на міцність циліндра та куба відповідно), безпосередньо пов’язаний з його розрахунковою несучою здатністю.

Окрім ДСТУ Б В.2.7-170:2008, застосовуються й інші стандарти, що регулюють якість бетонних сумішей та виробів, наприклад, ДСТУ Б В.2.7-96:2000 ‘Бетони важкі та дрібнозернисті. Технічні умови’. Ці документи формують комплексну систему контролю, яка гарантує, що бетон, використаний у будівництві, відповідає всім встановленим вимогам безпеки та довговічності. Ігнорування цих норм є прямим порушенням будівельних регламентів і ставить під загрозу весь проект.

Важливо розуміти, що не лише міцність на стиск є єдиним показником якості бетону. Також враховуються морозостійкість, водонепроникність та стійкість до агресивних середовищ, особливо для конструкцій, що експлуатуються в складних кліматичних умовах України, де перепади температур та вологість можуть бути значними. Детальніше про комплексний підхід до будівництва можна дізнатися на сторінці КОЛЕО.

Процес відбору зразків бетону є критично важливим для отримання достовірних результатів випробувань. Відбір повинен здійснюватися безпосередньо на будівельному майданчику під час заливки бетонної суміші у конструкції, згідно з ДСТУ Б В.2.7-170:2008. Для цього використовують стандартні форми-куби, які забезпечують точну геометрію зразка. Найпоширеніші розміри кубів — 100х100х100 мм та 150х150х150 мм. Вибір розміру залежить від максимального розміру заповнювача у бетонній суміші; для великих фракцій (понад 40 мм) перевага надається більшим кубам.

Бетонну суміш для виготовлення зразків відбирають з одного замісу або з однієї партії, що подається на об’єкт. Для забезпечення репрезентативності, відбір здійснюють у декілька етапів під час заливки, наприклад, на початку, в середині та наприкінці процесу. Відібрана суміш повинна бути однорідною. Форми для зразків мають бути чистими, змащеними тонким шаром мінерального мастила, щоб уникнути прилипання бетону та полегшити розпалублення.

Заповнення форм здійснюється у кілька шарів (зазвичай 2-3), кожен з яких ретельно ущільнюється. Методи ущільнення можуть бути різними: штикування сталевим стрижнем (для рухомих та пластичних сумішей) або вібрування на вібростолі (для жорстких та малорухомих сумішей). Після ущільнення поверхню бетону в формах вирівнюють кельмою, видаляючи надлишки. Кожен етап має бути зафіксований у журналі робіт, включаючи дату, час заливки, тип бетону та відповідальних осіб.

Додатково, для отримання максимально точних результатів, форми повинні бути виготовлені з міцного матеріалу (наприклад, сталі або чавуну), мати жорстку конструкцію та відповідати вимогам до точності геометричних розмірів, встановлених у відповідних стандартах. Це мінімізує похибки, пов’язані з деформацією форми під час заливки та вібрування. Забезпечення високої якості армування, про яке можна прочитати тут: Інженерні системи: Система вентиляції, також є важливим для кінцевої міцності конструкції.

Умови зберігання бетонних зразків після їх виготовлення відіграють ключову роль у формуванні їхньої проєктної міцності. Неправильне зберігання може суттєво спотворити результати випробувань, не дозволяючи бетону набрати необхідні характеристики, навіть якщо вихідна суміш була якісною. Відповідно до ДСТУ Б В.2.7-170:2008, зразки повинні зберігатися у вологому середовищі при стабільній температурі. Перші 24 години після заливки зразки рекомендується тримати у формах, покритих вологою тканиною або поліетиленовою плівкою, щоб запобігти швидкому випаровуванню води та забезпечити належну гідратацію цементу.

Після розпалублення (зазвичай через 24 години), зразки поміщають у камери нормального твердіння. Це можуть бути спеціальні ванни з водою або камери з високою вологістю (не менше 95%) та постійною температурою повітря в діапазоні +20 ± 2 °C. Такий режим забезпечує оптимальні умови для подальшого твердіння бетону та набору міцності. Відхилення від цих умов, наприклад, зберігання при низькій вологості або значних температурних коливаннях, призводить до сповільнення гідратації та зниження потенційної міцності.

Дуже важливо не допускати пересихання зразків, особливо у перші дні твердіння, оскільки це може призвести до утворення мікротріщин і зниження міцності. У випадку, якщо зразки потрібно транспортувати до лабораторії, вони мають бути захищені від механічних пошкоджень та змін температурно-вологісного режиму. Наприклад, їх можна обгорнути у вологу тканину та помістити у герметичний контейнер.

Досвід експлуатації будівель в умовах України показує, що ігнорування правил зберігання зразків часто є причиною невідповідності фактичної міцності бетону проектним показникам, що, у свою чергу, може призвести до передчасного руйнування конструкцій або необхідності проведення дорогих ремонтних робіт. Це підкреслює необхідність суворого дотримання технологічних вимог на всіх етапах контролю якості бетону. Для більш детальної інформації про технології будівництва, завітайте на CLT House Construction.

Випробування бетонних зразків на міцність за стиском є стандартною процедурою, яка виконується за допомогою спеціального випробувального преса. Цей процес детально описаний у ДСТУ Б В.2.7-170:2008. Перед початком випробування зразки повинні бути підготовлені: їх поверхні, що контактують з плитами преса, очищаються від забруднень і за необхідності вирівнюються за допомогою тонкого шару цементної пасти або сірчаної заливки. Це забезпечує рівномірний розподіл навантаження по всій площі зразка.

Зразок встановлюється на нижню опорну плиту преса так, щоб його осі збігалися з віссю навантаження преса. Навантаження на зразок прикладається плавно, зі строго нормованою швидкістю, що становить приблизно 0,5 ± 0,1 МПа/с. Ця швидкість забезпечує стабільне і контрольоване навантаження, дозволяючи зафіксувати максимальне зусилля, яке витримує бетон до руйнування. Процес навантаження триває до моменту руйнування зразка, який супроводжується характерним тріском і утворенням тріщин.

Після руйнування прес автоматично фіксує максимальне навантаження (у кН), яке витримав зразок. Міцність бетону на стиск (R) розраховується за формулою: R = P/A, де P — максимальне навантаження, а A — площа опорної поверхні зразка (для куба 150х150 мм площа становить 22500 мм²). Результати зазвичай округлюються до 0,1 МПа. Для групи зразків (зазвичай 3-5 кубів з однієї партії) розраховується середнє арифметичне значення міцності.

Інтерпретація результатів є ключовим етапом. Отримані значення порівнюються з проєктним класом бетону. Якщо фактична міцність менша за встановлену нормативами, це може вказувати на невідповідність якості бетону або порушення технології його виготовлення чи догляду. У таких випадках можуть бути призначені додаткові випробування або прийняті рішення щодо посилення конструкцій, що, звісно, впливає на фінансову модель проекту. Докладніше про фінансові моделі у будівництві можна прочитати тут: Стипендія.

Випробування міцності бетону проводяться у кілька термінів, кожен з яких має своє значення для контролю будівельного процесу. Найбільш поширеними та критично важливими є випробування на 7 та 28 добу після заливки. Ці терміни не випадкові та базуються на динаміці набору міцності цементного каменю.

Випробування на 7 добу дає попереднє уявлення про міцність бетону. Зазвичай, на цей момент бетон набирає близько 60-70% своєї марочної (проєктної) міцності. Цей показник важливий для прийняття рішень щодо термінів розпалублення та можливості подальшого навантаження конструкції. Наприклад, для перекриттів або вертикальних елементів знання 7-денної міцності дозволяє оцінити, чи достатньо бетон зміцнів для встановлення наступних ярусів або демонтажу опалубки без ризику пошкодження.

Ключовим терміном є 28 доба, оскільки саме на цей час бетон, за стандартних умов твердіння, повинен досягти своєї повній проєктній міцності. Результати 28-денних випробувань є остаточними для оцінки відповідності бетону встановленим вимогам. Якщо міцність на 28 добу не відповідає проєктній, це сигналізує про серйозні проблеми з якістю матеріалу або технологією його укладання та догляду. У такому разі забудовнику можуть бути висунуті претензії, що вимагатиме корекції проекту або навіть демонтажу конструкцій.

Для монтажу будівельних елементів, особливо при зведенні багатоповерхових будівель, своєчасне отримання достовірних даних про міцність бетону дозволяє оптимізувати графік робіт, забезпечуючи безпеку та ефективність. Затримки з набором міцності можуть призвести до значного збільшення термінів будівництва та додаткових витрат. Тому інженери та виконроби повинні суворо контролювати не тільки процес заливки, а й умови твердіння бетону. Наприклад, зимовий бетон, що заливається в холодних умовах, потребує спеціальних добавок та обігріву для досягнення проектної міцності у нормовані терміни.

Навіть при наявності чітких стандартів, на будівельних майданчиках нерідко допускаються типові помилки, які спотворюють результати випробувань на міцність бетону. Розуміння цих помилок є ключовим для їх запобігання та забезпечення достовірності контролю якості. Перша поширена помилка – це неправильний відбір проби. Бетон для зразків має відбиратися випадково з різних частин партії або замісу, а не лише з одного місця. Якщо відбір відбувається з верхнього шару, який може бути більш рідким, або навпаки, з нижнього, де може осідати важкий заповнювач, зразки не будуть репрезентативними.

Друга група помилок пов’язана з виготовленням зразків. Це може бути недостатнє або надмірне ущільнення бетону у формах. Недостатнє ущільнення призводить до наявності пустот та пористості, що знижує міцність. Надмірне ущільнення, особливо вібруванням, може спричинити розшарування суміші та виведення надлишкового повітря, що також впливає на структуру бетону. Також часто ігнорується ретельне змащування форм, що призводить до прилипання бетону та пошкодження зразків під час розпалублення.

Третя, і чи не найважливіша, категорія помилок – неправильне зберігання зразків. Зразки залишають на відкритому сонці, під дощем або на морозі без належного захисту. Це призводить до передчасного висихання або замерзання води, що критично порушує процес гідратації цементу і, як наслідок, знижує міцність бетону. Також поширеною є помилка, коли зразки після розпалублення зберігаються в сухому приміщенні замість вологої камери. Всі ці фактори призводять до отримання занижених показників міцності, що може створити хибне уявлення про якість бетону та призвести до необґрунтованих рішень.

Щоб уникнути цих проблем, необхідно суворо дотримуватися вимог ДСТУ, проводити інструктаж персоналу та забезпечувати належний контроль на кожному етапі. Якісна система технічного нагляду, про яку можна прочитати на сторінці Архітектор, є запорукою уникнення подібних помилок та успішної реалізації проекту.

Водоцементне співвідношення (В/Ц) є одним з найважливіших факторів, що визначають міцність бетону. Це відношення маси води до маси цементу в бетонній суміші. Чим нижче водоцементне співвідношення (в розумних межах, що дозволяють забезпечити необхідну рухомість суміші), тим вищою буде міцність бетону після твердіння. Це пояснюється тим, що для повного гідратації цементу потрібна відносно невелика кількість води – приблизно 0,25-0,30 від маси цементу. Вся вода, що перевищує цю кількість, є ‘зайвою’ та після випаровування утворює пори і капіляри в структурі бетону.

Наявність цих пор знижує щільність та, відповідно, міцність бетону. Кожна додаткова літра води понад необхідну може знизити міцність бетону на кілька відсотків. Тому оптимізація водоцементного співвідношення є ключовим завданням при проєктуванні бетонної суміші. Для досягнення високої міцності при збереженні необхідної рухомості суміші (для зручності укладання) часто використовуються хімічні добавки, такі як пластифікатори та суперпластифікатори. Ці добавки дозволяють зменшити кількість води, не знижуючи рухомості суміші, що дозволяє досягти високих класів бетону (наприклад, В30 і вище) з меншим В/Ц співвідношенням.

Значення водоцементного співвідношення для різних класів бетону встановлюються проєктом та контролюються на бетонних заводах і будівельних майданчиках. Для бетону класу В25, наприклад, В/Ц може становити 0,45-0,50. При заливці важливо не допустити додавання ‘зайвої’ води на об’єкті для підвищення рухомості, оскільки це негативно позначиться на міцності та довговічності конструкції. Проєктна міцність бетону, перевірена на контрольних кубах, безпосередньо залежить від суворого дотримання цього показника. Надійні конструкції, такі як модульні будинки, залежать від точного контролю якості бетону.

Окрім традиційних методів випробування міцності бетону за допомогою контрольних кубів, сучасне будівництво активно впроваджує неруйнівні методи контролю. Ці методи дозволяють оцінювати міцність бетону безпосередньо у конструкціях, не пошкоджуючи їх, що є надзвичайно цінним для поточного моніторингу та оцінки стану вже зведених споруд. Неруйнівні методи доповнюють, а не замінюють, стандартні випробування кубів, надаючи додаткову інформацію про однорідність бетону в масиві.

Серед найбільш поширених неруйнівних методів виділяють:

• Метод ударного імпульсу (склерометрія): Застосовується склерометр (молоток Шмідта), який вимірює відскок бойка після удару по поверхні бетону. За величиною відскоку визначається поверхнева твердість, яка корелює з міцністю. Цей метод швидкий та зручний для оперативної оцінки, але його точність залежить від якості поверхні та калібрування приладу.
• Ультразвуковий метод: Вимірюється швидкість поширення ультразвукових хвиль у бетоні. Чим вища швидкість, тим щільніший і міцніший бетон. Цей метод дозволяє оцінювати однорідність бетону по глибині конструкції, виявляти дефекти (порожнечі, тріщини) та зони з низькою міцністю. Він є більш точним, ніж склерометрія, і менш чутливий до поверхневих умов.
• Метод відриву зі сколюванням: Цей метод є напівруйнівним, але вважається одним з найточніших неруйнівних. На поверхні бетону формується лунка, в яку встановлюється анкер. Потім анкер виривається з бетону, а зусилля відриву фіксується. За цим зусиллям розраховується міцність бетону.

Інтеграція цих методів дозволяє отримати повнішу картину якості бетону в реальних конструкціях, що особливо актуально для об’єктів підвищеної відповідальності або для оцінки старіючих будівель. Такий підхід забезпечує не тільки контроль на етапі заливки, але й моніторинг протягом усього життєвого циклу споруди. В контексті енергоефективності та довговічності споруд, такі технології є важливим елементом при будівництві ZEB (Будівель з нульовим споживанням енергії).