Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. Építőmérnöki Kar. Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőmérnöki Kar Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék Beton felületi keménységmérése statikus és dinamikus módszerekkel TDK dolgozat Dobó Kristóf BSc építőmérnök hallgató Konzulensek: Dr. Borosnyói Adorján Szilágyi Katalin Budapest, 2010

2 Tartalomjegyzék: 1. Bevezetés 1.1. Témamegjelölés 1.2. Célkitűzések 2. Szakirodalmi összefoglaló 2.1. A keménység általános fogalma és a keménységmérési módszerek 2.2. A keménység kontakt mechanikai alapjai 2.3. Fémek keménységmérése a képlékeny benyomódás elvén 2.4. Beton keménységmérése a képlékeny benyomódás elvén 2.5. Beton keménységmérése a rugalmas visszapattanás elvén 2.6. A statikus és dinamikus elven működő keménységmérő eszközökkel nyert keménységi mérőszámok kapcsolata 3. Vizsgálati módszerek 3.1. Brinell-préssel végzett vizsgálat 3.2. Schmidt kalapáccsal végzett vizsgálat 3.3. Leeb készülékkel végzett vizsgálat 3.4. Nyomószilárdság vizsgálata 3.5. Rugalmassági modulus vizsgálata 4. Vizsgálati eredmények és értékelésük 4.1. Vizsgálati eredmények 4.2. Eredmények értékelése 5. Jövőbeni kutatás 6. Összefoglalás 7. Köszönetnyilvánítás 8. Felhasznált irodalom - 2 -

3 1. Bevezetés: 1.1. Témamegjelölés Az anyagok felületi keménységmérésének célja a vizsgált próbatest szilárdságának becslése. A keménység fogalma és mérése a 18. század óta foglalkoztatja a tudós és mérnöktársadalmat. A felületi keménységre, mint az anyag egyfajta anyagtulajdonságára mindenki által elfogadott definíció még nem létezik, rendszerint a vizsgálati módszerek alapján önkényesen bevezetett mennyiségként írják le a keménységet. A szerkezeti beton anyagjellemzőinek mérésére kidolgozott roncsolásmentes vizsgálatok során a beton felületi keménységét határozzák meg. A mérések során a statikus (Brinell-prés) valamint dinamikus (Schmidt-kalapács) elven működő mérőberendezéssel a beton felületi keménység értékének vizsgálata az elsődleges cél. A nemzetközi szakirodalomban megfigyelhető azonban, hogy az egymással megegyező módon elvégzett keménységmérési eredmények is nagy eltérést mutatnak. A különféle vizsgálati módszerrel mért keménységi mérőszámok között nincs megfogalmazva egyértelmű kapcsolat Célkitűzések: TDK munkám elsődleges célja a beton Brinell módszerrel mért felületi keménységének meghatározása volt különböző víz-cement tényezőjű és korú betonokra vonatkozóan, mivel ezzel a nemzetközi szakirodalomban még senki sem foglalkozott részletesen. Eredményeimet összehasonlítottam a dinamikus elven működő Schmidtkalapács és Leeb készülék által mért keménységi mérőszámokkal is. A laboratóriumi vizsgálatok célja a Meyer-féle hatványfüggvények paramétereinek meghatározása, valamint ezek víz-cement tényezőtől, valamint kortól való függésének vizsgálata volt

4 2. Szakirodalmi összefoglaló 2.1. A keménység általános fogalma és a keménységmérési módszerek A keménység szilárd anyagok tulajdonsága és egyfajta eredő jellemzője, azaz az anyag adott állapotát eredményező technológiai műveletek hatásai minősíthetők vele. Arányban áll a rugalmassággal, a szilárdsággal, a kopásállósággal; fordítottan arányos a képlékenységgel, a szívósággal, csillapítóképességgel. A keménység azzal az ellenállással jellemezhető, amit a szilárd anyagok kifejtenek a beléjük hatoló, illetve velük kölcsönhatásba kerülő keményebb vizsgálószerszámmal szemben. Ez a megfogalmazás utal a keménységmérés lehetőségeire, de a keménység konkrét definícióját nem adja meg, ugyanis annyiféle keménység definiálható, ahányféle vizsgálati módszer létezik. Az általános szóhasználatban két test közül az a keményebb, amelynél egy harmadik test hatása azok felületén ugyanolyan behatolási mélység esetén nagyobb ellenállást fejt ki, vagy más értelmezésben az, amelyik azonos nyomás esetén a kisebb benyomódást szenvedi el. A keménység fogalma más megfogalmazásban tehát egy test terhelésének hatására bekövetkező maradó alakváltozás (Meyer, 1908) A keménységmérési módszerek csoportosítása a vizsgálat típusa szerint A gyakorlatban bevált keménységmérő módszerek négy jellegzetes csoportba sorolhatók: szúró keménységmérés: a vizsgálandó anyagnál jóval keményebb, ún. szúrószerszámot nyomnak alkalmasan megválasztott terheléssel az anyagba, és a létrejövő lenyomat méretéből vagy a benyomódás mélységéből származtatják a keménységi mérőszámot ejtő keménységmérés: a vizsgálandó anyagra ejtett mérőtest visszapattanási magasságából határozható meg az ütközés rugalmas energiájával összefüggő keménységi mérőszám - 4 -

5 rezgő keménységmérés: a vizsgálandó anyagra szorított rezgőfej rezgésben tartásához szükséges energia méréséből fejezhető ki az anyag csillapítóképességével összefüggő keménységi mérőszám. karcolási keménységmérés: a vizsgált anyag felületére egy másik anyaggal karcolási nyomot készítve összehasonlítható a két test felületi keménysége Keménységmérési módszerek csoportosítása a terhelés módja szerint Az építőipari anyagvizsgálatban felületi keménységet elsősorban két elv alapján szokásos mérni: dinamikus módszer, rugalmas visszapattanás elve statikus módszer, képlékeny benyomódás mértékének vizsgálata o az eljárások egyik csoportja egy adott nagyságú terhelőerő és az általa létrehozott lenyomat felületének viszonyát tekinti mérőszámnak o a másik csoport az adott geometriájú szerszám adott erő hatására létrejövő mélységirányú elmozdulását tekinti mérőszámnak A keménységmérés során a vizsgált anyagról olyan anyagjellemzőt kapunk, mely meghatározza azt, hogy a kívánt felhasználási területre alkalmas-e az anyag, valamint azt, hogy ki lehet-e tenni rendkívüli használatnak. A keménységmérés fő célkitűzése, hogy megállapítsa a vizsgált test keménységi mérőszáma és más anyagjellemzője közötti összefüggéseket Keménységmérési módszerek csoportosítása a vizsgált anyag típusa szerint Az építőiparban használt anyagokra más-más alapelv alapján működő eszközöket használ a gyakorlat: Fémek keménységmérésére mind a rugalmas visszapattanás, mind a képlékeny benyomódás vizsgálatán alapuló eszközök használatosak, de leggyakoribb a szúró keménységmérő eszközök használata (Palotás, 1979). Műanyagok, gumi és fa keménységmérésére elsősorban képlékeny benyomódást vizsgáló eszközöket használunk (Palotás, 1979) - 5 -

6 Kőszerű anyagok (kő, beton, tégla) keménységmérésére napjainkban szinte kizárólag a rugalmas visszapattanás elvén működő Schmidt-kalapácsot használjuk. A beton felületi keménységének első képviselői nem a jelenleg ismert kialakítású Schmidt kalapácsok voltak, hanem a felületi benyomódást vizsgáló eszközök, melyek már korábban kialakításra kerültek, mint a visszapattanást vizsgáló berendezések Keménység fogalma és vizsgálatának története (Szilágyi, Borosnyói, 2008a, b, c) A felületi keménység az anyag ellenálló képessége idegen test behatolásával szemben. A felület keménységet ennél pontosabban nem fogalmazza meg az anyagvizsgálat, ennél fogva a vizsgálati módszerek sokrétűek. A felületi keménység mérése már jóval a szisztematikus anyagvizsgálat előtt megjelent a műszaki tudományokban. Réaumur volt az első, aki az anyagok szilárdságbecslésének céljára mind a karcolási keménység, mind a szúrókeménység fogalmát megalkotta, és lefektette a vizsgálatok alapelveit (Réaumur, 1722). Kvist 1768-ban már nyolc ásvány használatával javasolt egyfajta karcolási keménység skálát (Szymanski, 1989). A karcolási keménység meghatározásának egyik legelterjedtebb módja a Mohs-féle ásványi alapskála használata, amely a keménységmérésnek már egy kellően érzékeny változata (Mohs, 1812). Ennek alapján egy anyag keménységét a skála azon két ásványának keménysége közé kell felvenni, amelyek egyikével az adott anyag karcolható, a másikat pedig maga karcolja. A Mohs-féle skála tíz ásványa növekvő karcolási keménység sorrendjében megadva a következő: 1. talk, 2. gipsz, 3. kalcit, 4. fluorit, 5. apatit, 6. földpát, 7. kvarc, 8. topáz, 9. korund, 10. gyémánt. A keménységmérési eljárások többnyire jól használhatóak, de a keménységi mérőszámok közötti kapcsolat sok esetben nem adható meg. A keménységmérés széles körben elfogadott roncsolásmentes eljárás, mivel a vizsgálat egyszerű elvégezni. A roncsolásmentes betonvizsgálatok elsődleges célja általában a szilárdságbecslés. A szilárdságbecsléshez szükségünk van egy megbízható összefüggésre, függvénykapcsolatra, a szerkezeti beton nyomószilárdsága és a vizsgált roncsolásmentes anyagjellemző között. Ilyen függvénykapcsolatok megalkothatók tervezett laboratóriumi kísérletekkel, vagy szerkezetből kifúrt magminták alapján

7 2.2. A keménység kontakt mechanikai alapjai (Fisher-Cripps, 2007) A szúró keménységmérési eljárások során a vizsgált anyagba nyomott idomtest alatt a betonban kialakuló feszültségmező leírásával a kontakt mechanika foglalkozik. Az érintkezés jelenségével kapcsolatos kutatások gyökerei a 18. századig nyúlnak vissza. A kezdeti időkben még az érintkezésben résztvevő testeket merevnek tekintették, alapvetően azért, hogy a formulákat egyszerűen tudják kezelni. Ennek következtében azonban a testekben ébredő feszültségeket és alakváltozásokat nem tudták meghatározni. Az első analitikus megoldás, amely már rugalmas testekkel foglalkozott, Hertztől származik. A Hertz-féle érintkezési elmélet segítségével csak az érintkezési pont, vagy vonal közvetlen környezetében határozhatók meg a feszültségek és az alakváltozások. Ez az elmélet a kontakt mechanika fontos mérföldkövének tekinthető. Hertz elsősorban két érintkező felület lokális deformációjának és a közöttük lévő nyomás eloszlásának sajátosságaival foglalkozott. Arra törekedett, hogy meghatározza az érintkezési pontban kialakuló felület alakját, amely kielégíti az alábbi peremfeltételeket: az elmozdulásoknak és a feszültségeknek ki kell elégíteniük a rugalmas testek egyensúlyának differenciálegyenletét, és a feszültségeknek meg kell szűnniük, vagy nullára kell csökkenniük az érintkezési felülettől nagy távolságban (a feszültségek lokálisak) a két test súrlódásmentesen érintkezik a testek felületén, az érintkezés körvonalán kívül a normálfeszültség nulla, a körvonalon belül pedig egyenlő nagyságú és ellentétes előjelű a két test felületének távolsága az érintkezési körvonalon belül nulla, a körvonalon kívül nagyobb, mint nulla a körvonalon belüli nyomáseloszlásnak az érintkezés körvonala által határolt területre vonatkoztatott integrálja adja a két test között ébredő erőt. Ezek a feltételek olyan keretet definiálnak, amelyen belül matematikailag kezelhető a probléma. Hertz általánosította elemzését olyan módon, hogy egy másodfokú függvény megadásával ábrázolta a két szemben lévő felület érintkezési vonalát, különös tekintettel az érintkező gömbök esetére. A 4. feltétel és a két érintkező test másodfokú felülete - 7 -

8 együttesen definiálják az érintkező felület alakját. A két érintkező testet rugalmas, végtelen féltérnek tekintjük. A későbbi rugalmas elemzések általában végtelen féltér normálfeszültség eloszlásán alapultak. Az elektromos potenciál elméletének analógiájából Hertz azt a következtetést vonta le, hogy egy ellipszoidikus nyomáseloszlás kielégítené a probléma peremfeltételeit, és úgy találta, hogy gömbök esetében a normálfeszültség (σ Z ) eloszlása: = A nyomás eloszlása egy maximumot (az átlagos érintkezési nyomás 1,5-szeresét) ér el az érintkezés középpontjában és nullára csökken az érintkezés körvonalának szélén (r=a) (1.ábra). 1. ábra Kontakt nyomás eloszlása gömb alakú szúrószerszám esetén (Fisher-Cripps 2007) Hertz nem számította ki a feszültségek nagyságrendjét a tartomány belső pontjaiban, de javaslatot tett e pontok jellemzőinek meghatározására az általa számított felületi pontok és a szimmetriatengely mentén számított pontok közötti interpolálással. Két test érintkezésekor keletkező teljes feszültségmezőt részleteiben először Huber számította 1904-ben, majd később 1922-ben Moreton és Close

9 Újabban Sneddon integrál transzformációs eljárását alkalmazzák normálfeszültség tengelyszimmetrikus eloszlásának meghatározására, amely a szúrószerszám geometriájának többféle változatával hozható összhangba (Fisher-Cripps 2007) A benyomódás következtében kialakuló feszültségmező elemzése A benyomódás matematikai leírásához szükség van a pontszerű érintkezés állapotának elemzésére, amelyet Boussinesq tanulmányozott. Boussinesq megoldása pontszerű érintkezés esetén megengedi, hogy egy érintkezési területen belüli bármely feszültségeloszlást szuperpozícióval határozzunk meg. Bármelyik érintkező alakzat (gömb, henger) úgy tekinthető, mint a pontszerű teher egy meghatározott eloszlása változó intenzitással a próbatest felületén, és a feszültségeloszlás a testen belül megadható a pontszerű teher feszültségmezőjének szuperpozíciójából Gömb alakú behatoló test A próbatest felületén az érintkezési körvonalon belül kialakuló alakváltozások: = A próbatest felületén az érintkezési körvonalon kívül kialakuló alakváltozások: = Ez a két egyenlet a felület azon pontjainak elmozdulását adja meg, amelyek a fenti feszültségeloszlásnak vannak kitéve. Az érintkezés körvonalán belül a gyűrűirányú feszültség eloszlás a felületen: = és az érintkezés körvonalán kívül a felületen: = > - 9 -

10 Látható, hogy a sugárirányú elmozdulások, és így a sugárirányú feszültségek, a felületen az érintkezés körvonalán kívül bármely szimmetrikus eloszlású nyomás esetén ugyanakkorák, mint az érintkezés körvonalán belül. A behatoló test alatt a felületi pontok sugárirányú elmozdulása a következő egyenletből adódik: = Az érintkezési területen kívül, a sugárirányú elmozdulások egyenletes nyomás esetén: = > A gyűrűirányú feszültség a felületen mindig egy főfeszültség és az érintkezés körvonalán kívül azonos nagyságú a sugárirányú feszültséggel: = > A próbatest belsejében a feszültségek a következőkből számíthatók: = = = =

11 ahol: = Az r-z sík főfeszültségei:, = + 2 ± + 2 = = 1 2 Az alábbi összefüggésekből meghatározhatóak a betonban kialakuló trajektória vonalak. = A főfeszültségi trajektóriák olyan görbeseregek, amelyeknek minden pontban a főfeszültségek az érintőik (2. ábra). 2. ábra A betonban létrejövő feszültség trajektória vonalak valamint azonos nyomási vonalak gömb alakú szúrószerszám esetén (a)ϭ 1, (b)ϭ 2, (c)ϭ 3, (d)τ max, (e)ϭ H, (f)ϭ 1 és ϭ 3 trajektória vonalak, (g) τ max trajektória vonalak (Fisher-Cripps 2007)

12 2.3. Fémek keménységmérése a képlékeny benyomódás elvén A felületi keménység mérésének napjainkban legelterjedtebb módszere az ún. szúró keménységvizsgáló eljárás. E vizsgálatok során meghatározott alakú és méretű tárgyat ugyancsak meghatározott nagyságú erővel és ideig nyomnak a vizsgálandó anyagba. A szúrókeménység-vizsgálatok közül általánosan használt a Brinell-, Vickers- és Rockwell-féle keménységmérő eljárás. Ha a vizsgálandó anyag felületére merőlegesen egy golyó alakú szúrószerszámot nyomunk, a keletkezett benyomódási forma gömbsüveg lesz, melynek felülete h, ahol D a szúrószerszám átmérője, h pedig a golyó benyomódás mélysége. A gömbsüveg magasságát (h) méréssel nehezen lehet meghatározni, de a golyó átmérőjéből (D) és a lenyomat átmérőjéből (d) kiszámolható: h= 2 A Brinell keménység számértéke a D átmérőjű golyó benyomásához használt F nagyságú erő és a lenyomatként keletkezett d átmérőjű gömbsüveg felületének hányadosa: = = 2, = = 1 2 = 2 1 1,í 2 = = A vizsgálathoz használt szabványos mérőgolyók 1; 2; 2,5; 5 és 10 mm átmérőjűek. A mérőgolyó keménységét ugyancsak szabvány írja elő. A lenyomatként keletkezett gömbsüveg átmérőjét egymásra merőleges irányban meg kell mérni, ezek számtani középértéke lesz a felületi keménységet meghatározó érték. A mérőgolyó átmérőjét a tárgy vastagsága határozza meg, tekintettel arra, hogy fémek esetén vékony lemezeknél nagy átmérőjű mérőgolyót használunk, vagy a lenyomat átmérője lesz túlságosan kicsi és így nem mérhető pontosan, vagy pedig ha a mérőgolyó

13 túlságosan mélyen hatol be a tárgyba, akkor a keménységmérés eredménye nem lehet pontos, mert a tárgytartó keménysége a mérés eredményét befolyásolja. Ezért a próbatestnek olyan vastagnak kell lennie, hogy a vizsgálat után a hátoldalon a benyomódás semmilyen alakváltozást ne okozzon. Ennek érdekében a próbatest legkisebb vastagsága a benyomódás mélységének legalább tízszerese (Gillemot, 1967). A golyóátmérőt és a hozzá tartozó terhelést úgy kell megválasztani, hogy a lenyomat átmérője 0,25 0,6 legyen. A Brinell keménység nem független az alkalmazott terhelőerőtől. Meyer szerint (Meyer, 1908) egy meghatározott átmérőjű golyót különböző nagyságú erővel benyomva az anyagba, nem mindig ugyanazt a felületi keménységet mutatja. Ezt fejezi ki a róla elnevezett hatványtörvény, amely szerint a terhelőerő és a lenyomat átmérője között az = összefüggés áll fenn. Az a és n paraméterek anyagjellemzők. Az n értéke a fémek anyagminőségétől függően 1,8 és 2,4 között változik. Ha n értékét középértékben 2-vel vesszük egyenlőnek, a hatványtörvény segítségével könnyen bizonyítható, hogy a Brinell-keménység értéke a terhelőerőtől nem független. Behelyettesítve ui. a hatványtörvényből a = összefüggést a Brinell-keménység képletébe 2 = adódik, amiből nyilvánvaló, hogy az F nem esik ki, tehát a keménység értéke az erőtől függő érték. Az = törvényszerűség a log P= log a + n log d képlettel is leírható, amelynek nyomán a log P-t az ordinátán, a log d-t az abszcisszán ábrázolva a függvény képe egyenes

14 lesz. Az n konstans az abszcissza tengellyel bezárt szöget határozza meg a log a értéke a ordinátatengely metszését adja (Meyer, 1908). A keménység önmagában fizikailag nem teljesen megalapozott mennyiség, hiszen általában egy adott erő és az általa létrehozott lenyomat felület (ezzel arányos mélység) hányadosát jelenti, azaz ha azonos erő adott szúrószerszámmal azonos lenyomatmélységet hoz létre, akkor a keménység azonos. Ezt a végleges mélységet azonban az erő növekedése során a legkülönbözőbb függvény szerint érheti el. Ennek alapján kijelenthető, hogy a szúrószerszám behatolására az anyag tulajdonságain keresztül az összetartozó erőbenyomódás görbével válaszol. Az ábra monoton növekedő és leszálló ágát is befolyásolják a Meyer-hatványtörvény a és n paraméterei. (3.ábra) terhelőerő benyomódás 3. ábra Terhelő erő-golyó benyomódás mélységének összefüggése (a: maradó alakváltozás; b: rugalmas alakváltozás; a+b: a terhelés hatására létrejövő maximális alakváltozás)(chandler, H.: Hardness Testing, 1999) A Brinell-vizsgálat eredményét a kísérlet időtartama is befolyásolja. Ennek oka az, hogy minden maradó alakváltozásnál az alakváltozás csak egy bizonyos idő után jut nyugalmi állapotba. Ez az idő annál rövidebb, minél lassabban folyt le a terhelés. A Brinell-vizsgálat során a terhelőerőt fokozatosan engedjük rá a próbatestre, majd az adott maximális terhelést egy ideig rajta hagyjuk a vizsgálati darabon. Ez az idő az anyag keménységének függvénye, minél keményebb az anyag, az időintervallum annál kisebb (Gillemot, 1967). A Brinell-vizsgálat feltételeinek pontos megadásához e három adat feltétlenül szükséges: a terhelőerő nagysága a golyó átmérője időtartam, amíg a maximális terhelőerő rajta volt a darabon

15 Csak azok a keménységmérési eljárások adnak egymással teljesen összemérhető értéket, amelyeknél a három adat megegyezik. Brinell-féle keménységmérés legnagyobb hibája, hogy az eredményt a vizsgálat körülményei jelentősen befolyásolják. A fontosabb befolyásoló tényezők: a golyó átmérője a terhelőerő nagysága a golyóátmérő és a vizsgált anyag vastagságának viszonya a golyó benyomódásának mértéke a benyomódás ideje a lenyomatok távolsága 2.4. Beton keménységmérése a képlékeny benyomódás elvén A Brinell-féle keménységvizsgálat betonra adaptálásának terén legkorábban a múlt század 20-as és 30-as éveiben az Egyesült Államokban Crepps és Mills, Olaszországban Sestini és Vandone, Belgiumban Dutron végeztek vizsgálatokat. A beton felületi keménységének mérésére szolgáló hordozható készüléket Németországban mutattak be először (Gaede, 1934). Kurt Gaede és Karl Steinwede golyóbenyomódásos kísérleteket végeztek a 30-es években a beton felületi keménységének meghatározására, statikus (Brinell prés) és dinamikus (Frank-féle rugóskalapács) mérési módszerrel. A felületi keménység HB értékének és a vizsgált beton nyomószilárdságának összefüggéseit keresték. A keresett összefüggés a két esetben nagy eltérést mutatott. Gaede mérései azt az eredményt mutatták, hogy a két mennyiség között lineáris összefüggés van (Gaede, 1967). 2 2 = = 4 2 A golyó benyomódása közben végzett alakváltozási munka: = =

16 A Brinell keménységből kifejezve m értékét = = 1 2 =1 2 = adódik, tehát = Ezzel azt kapjuk, hogy a golyó benyomódásához szükséges energia fordítottan arányos a vizsgált anyag Brinell keménységével. A Brinell keménységből kifejezve F értékét = = adódik, tehát = 1 2 =1 2 = = Az 1 1 egyszerűsítéssel adódik, hogy A Frank-féle rugóskalapács használatakor a golyóbenyomódást egy megfeszített rugó által mozgásba hozott ütőtömeg (ütőkos) kinetikus energiája hozza létre. A megfeszített rugó által létrehozott, és az ütésre fordított kinetikus energia ( W) egy része az ütőkos rugalmas visszapattanásaként, másik része mechanikai hullámok formájában veszik el, így a golyóbenyomódásra az energiának csak egy része, = W fordítódik. Felírva az eddigieket a rugóskalapács ütésre fordított kinetikus energiájának függvényében = W = 1 8 HB D π W = D π 1 1 = W = 1 32 HB D π d D 32 W D HB πd

17 Amennyiben = alakú, lineáris kapcsolatot tételezünk fel a beton nyomószilárdsága és a Brinell keménysége között, adódik, hogy: = 32 W D Gaede tanítványa, Steinwede kísérleteiből a beton nyomószilárdsága és a keménységi mérőszáma (HB) közötti összefüggésre másodfokú parabola adódott (4. ábra) y = 0,013x 2 + 0,667x fc (N/mm2) y = 0,0036x 2 + 0,896x R² = 0,9253 HB ábra Brinell-keménység és nyomószilárdság közötti összefüggés Steinwede szerint (Steinwede, 1937) 2.5. Beton keménységmérése a rugalmas visszapattanás elvén (Szilágyi,Borosnyói, 2008a,b,c) A dinamikus és statikus elven működő keménységmérési eljárások annyiban hasonlítanak egymáshoz, hogy mindkét esetben létezik olyan mérési módszer, amely a vizsgált anyag felületi keménységét a képlékeny benyomódás nagyságából származtatja. A dinamikus módszerek között van olyan vizsgálati módszer, amely a vizsgált anyag felületén kialakuló képlékeny benyomódás mértékéből (Frank-féle és Zorn rugóskalapács), és van olyan, amely a rugalmas visszapattanás mértékéből (Schmidt-kalapács, Leeb vizsgálóberendezés) származtatja a felületi keménységi mérőszámot. A Schmidt-kalapács elődjének három, alapelvét tekintve egyformának mondható eszköz tekinthető: Frank-féle rugóskalapács, a Williams-féle vizsgálópisztolyt és az Einbeckféle ingás kalapács (Malhotra, 1976)

18 5. ábra A beton keménységének egykori vizsgálati eszközei (a: Frank-féle rugóskalapács, b: Williams-féle rugóskalapács, c: Einbeck-féle ingás kalapács) (Szilágyi, Borosnyói, 2008a, b, c) A beton felületi keménységmérésének napjainkban legelterjedtebb eszköze a Schmidt-kalapács. A Schmidt-kalapácsos vizsgálatok során kapott visszapattanási értékek alapján a szerkezeti beton nyomószilárdságát tapasztalati összefüggések alapján becsüljük. A szerkezeti beton tényleges állapota (kor, nedvességtartalom stb.) és összetétele jelentősen befolyásolja a mért visszapattanási értékeket, ezért ezek figyelembe vétele az eredmények értékelésének fontos lépése. Ha a vizsgált beton semmilyen egyéb tulajdonságát nem ismerjük, vagy ha egyéb roncsolásmentes, vagy roncsolásos vizsgálattal nem egészítjük ki Schmidt-kalapácsos vizsgálatunkat, akkor azt általában csak durva becslésre tudjuk felhasználni. A Schmidt-kalapáccsal történő vizsgálat elve, hogy a készülékben lévő rugó egy ütőtömeget mozgásba lendít, amely egy, a felületre merőleges ütőszondán keresztül, adott energiával megüti a vizsgált felületet, és az ütés után az ütőtömeg visszapattanásának mértékét a készülék rögzíti. A visszapattanási érték (R) dimenzió nélküli szám: a mozgó tömeg ütés közben megtett útjának (x 0 ) és a visszapattanást követően megtett útjának (x r ) aránya százalékban kifejezve (R=x r /x 0 100). Ez egyben a felületi keménység mérőszáma. Azáltal, hogy az anyagok felületi keménysége és szilárdsága között empirikus összefüggés tételezhető fel, a visszapattanási értékből a betonszilárdság becsülhető

19 A betonok vizsgálatára az eszközt Ernst Schmidt svájci mérnök, feltaláló alakította ki 1948-ban, majd szabadalmaztatta 1950-ben (Schmidt, 1950). Az eszköz eredetileg két, párhuzamosan futó munkarugót tartalmazott, használata gyakorlatot és rendkívüli odafigyelést igényelt, ráadásul minden mérés előtt nullázni kellett az eszköz csúszkás kijelzőjét ben áttértek az egyszerűbben használható, egy munkarugós felépítésre, amelynek hatására az eszköz használata sokkal egyszerűbbé vált. (6. ábra) 6. ábra A Schmidt-kalapács belső szerkezete (a) két munkarugós modell 1950-ből, (b) napjainkban használt egy munkarugós modell (Szilágyi, Borosnyói, 2008a, b, c) A Schmidt kalapácsok közül normál, közönséges betonok vizsgálatára általában az N- típusú kalapácsot használjuk (7. ábra). Ez N/mm 2 nyomószilárdságú betonok esetében javasolható vizsgálati eszköz. Ütési energiája 2,207 Nm. 7. ábra A napjainkban használt Schmidt-kalapács (N típusú) (Szilágyi, Borosnyói, 2008a, b, c) Az N-típusú Schmidt-kalapács mellett a leginkább használatos eszköz az L-típusú, amelyet vékony falú (<100 mm), vagy kisméretű, normál beton, vagy kő szerkezeti elemek vizsgálatára szolgál. Ütési energiája egyharmada az N-típusúénak (0,735 Nm). A Schmidt-kalapácsok saját kalibrálású vizsgálóeszközök, ezért a használónak rendelkeznie kell szabványos kalibráló üllővel, amelyen minden mérést megelőzően és ezt követően ellenőriznie kell, hogy a műszer mechanikus alkatrészei rendeltetésszerűen működnek-e (előírt visszapattanási érték N-típusú Schmidt kalapács esetén 81±2)

20 A visszapattanási értékek és a nyomószilárdság összefüggése A Schmidt kalapácsos vizsgálatok során kapott visszapattanási értékek alapján a szerkezeti beton nyomószilárdsága tapasztalati összefüggések alapján határozhatjuk meg. A különböző javaslatok szigorúan véve csak az adott kísérleti háttér által szolgáltatott peremfeltételek között értelmezhetőek és használhatóak biztonsággal. Egy tényleges szerkezet esetén mindig igazolni kell a szilárdságbecslő összefüggés alkalmazhatóságát. A szakirodalomban található empirikus összefüggések általában 28 napos korú, légszáraz állapotú betonokra érvényesek. A szerkezeti beton tényleges állapota és összetétele jelentősen befolyásolja a mért visszapattanási értéket A Schmidt-kalapácsos vizsgálatok során nyerhető visszapattanási értéket befolyásoló legfontosabb tényezők a betonkeverék oldaláról: a cement fajtája és mennyisége, az adalékanyag fajtája a szerkezet oldaláról: a szerkezeti elem tömege, a szerkezeti beton tömörsége, a betonfelület minősége, a beton kora, az utókezelés módja, a karbonátosodás mértéke, a nedvességtartalom, a hőmérséklet és a feszültségi állapot. A szakirodalom az elmúlt 50 évben különböző empirikus összefüggéseket adott a Schmidt-kalapácsos visszapattanási értékek és a szerkezeti beton nyomószilárdsága között feltételezhető függvénykapcsolatra (8. ábra): 1. lineáris függvénykapcsolat: = +, 2. hatvány függvénykapcsolat: = +, 3. polinomiális függvénykapcsolat: = , 4. exponenciális függvénykapcsolat: = +,

21 5. logaritmikus függvénykapcsolat: = +, 6. összetett, nemlineáris függvénykapcsolat: =ζ R. (ahol f cm a szerkezeti beton nyomószilárdságának várható értéke, R a visszapattanási értékek várható értéke, továbbá a n empirikus paraméterek) A szakirodalomban már a legkorábban publikált javaslatok is utalnak arra, hogy a beton felületi keménysége és nyomószilárdsága között nem föltételezhető lineáris függvénykapcsolat (Gaede, 1952). A lineáris függvénykapcsolat kisszámú vizsgálati eredmény, vagy szűkebb értelmezési tartomány esetén kapható, mivel a módszer vizsgálaton belüli szórása egy látszólagos lineáris kapcsolatot eredményezhet. 8. ábra Összefüggések a beton nyomószilárdságának várható értékére vonatkozóan (Szilágyi, Borosnyói, 2008a, b, c)

22 A visszapattanási értékek és a beton nyomószilárdsága között egyértelmű, fizikai okokra visszavezethető összefüggés nincs, csak empirikus összefüggést találhatunk. Ennek elsődleges oka, hogy a beton makroszkopikus értelemben is heterogén, és a Schmidtkalapácsos vizsgálat a betonszerkezetnek csak néhány tíz mm vastag, felületi rétegét érinti. A mérési eredmények a felületi keménység relatív nagyságáról szolgáltatnak információt, és a beton egyéb szilárdságjellemzőivel nehezen hozhatók kapcsolatba. A Schmidt-kalapácsos visszapattanási érték a kalapács ütőtömege és a kalapácsnak a betonszerkezet felületéhez nyomott ütőszonda részben rugalmas ütközéséből, az ütközéssel közölt energiának a beton lokális morzsolódása és belső súrlódása következtében bekövetkező disszipálódásból, valamint az ütés által gerjesztett mechanikai hullámok terjedéséből és visszaverődéséből alakul ki. A visszapattanási érték a Schmidt-kalapács ütőtömege által az ütés közben megtett, illetve a visszapattanás közben megtett úthosszának az arányát mutatja, tehát arányos az ütőtömeg ütést megelőző és visszapattanást követő helyzeti energiájának arányával is (Schmidt, 1951). = 100= 100 ahol x 0 a mozgó tömeg ütés közben megtett útja; x r a mozgó tömeg visszapattanás közben megtett útja; E 0 a mozgó tömeg helyzeti energiája az ütést megelőzően; E r a mozgó tömeg helyzeti energiája a visszapattanást követően. A Schmidt-kalapácsos ütés, illetve visszapattanás során elnyelődő energia egy része a készüléken belül, az ütőtömeg mozgása közben súrlódással veszik el, más része a beton és a készülék ütőszondájának érintkezési felületén keresztül, az ütés pillanatában a betonban disszipálódik. Ez utóbbi energiaveszteség teszi lehetővé, hogy a Schmidt-kalapács a beton mechanikai tulajdonságainak vizsgáló eszköze lehessen. Az ütés pillanatában a betonban elnyelődő energia nagysága függ a beton nyomószilárdságától és rugalmassági modulusától is, ezáltal a beton feszültség-alakváltozás diagramjának függvénye. Kisebb szilárdságú, kisebb merevségű betonban több energia nyelődik el, így a tapasztalt visszapattanási érték is kisebb, mint egy nagyobb szilárdságú, nagyobb merevségű beton esetén. Ha fölírjuk a Schmidt-kalapácsos vizsgálat egyszerűsített energiamérlegét, láthatóvá válik, hogy minél

23 több a betonban elnyelődő energia, annál kisebb lesz az ütőtömeg ütés utáni mozgási energiája, tehát a Schmidt-kalapácsos visszapattanási érték: = + ú + = ú ahol E 0 a mozgó tömeg helyzeti energiája az ütést megelőzően; E r a mozgó tömeg visszapattanást eredményező helyzeti energiája; E súrl az ütőtömeg mozgása közben súrlódással elnyelődő energia; E dissz a beton és a készülék ütőszondájának érintkezésével az ütés pillanatában, a betonban disszipálódó energia, amely a beton helyi morzsolódásából és a beton belső súrlódása révén nyelődik el. Az elmúlt 50 évben elméleti megfontolások alapján nem sikerült megállapítani a Schmidt-kalapácsos visszapattanási értékek és a vizsgált anyagok fizikai, mechanikai jellemzői közötti összefüggést. Gaede és Schmidt (1964) elméleti megfontolások alapján fölírta ugyan a beton nyomószilárdsága és a visszapattanási értékek matematikai kapcsolatát, majd a fizikai modell használhatóságát laboratóriumi vizsgálatokkal is igazolták, azonban az összefüggések tartalmaztak olyan paramétereket, amelyek a nyomószilárdsággal, illetve a rugalmassági modulussal csak közvetetten hozhatók kapcsolatba. A beton nyomószilárdsága és a visszapattanási értékek fizikai kapcsolata függ a vizsgált anyag szerkezeti csillapításától, azonban a beton belső inhomogenitása miatt e csillapítás mértékének meghatározása nehézségekbe ütközik. Homogén, izotróp, félvégtelen, viszkoelasztikus, szilárd közeg felületén a visszapattanás mértéke elméleti megfontolások alapján is megadható, de ez a megközelítés a betonvizsgálatokhoz nem nyújt segítséget. A szerkezeti csillapítás leírására kiválaszthatjuk például a logaritmikus dekrementumot (δ). A logaritmikus dekrementum függvényében egy tömeg ejtési magasságának (h 0 ) és a visszapattanás magasságának (h r ) aránya egy homogén, izotróp, félvégtelen, viszkoelasztikus, szilárd közeg felületén a következő (Kolek, 1970): h h =

24 Valamely, hasonlóan leegyszerűsített összefüggés a Schmidt-kalapácsos vizsgálatok esetén nem tartalmazná az ütőszonda alatt létrejövő lokális beton morzsolódás hatását, és az ütés közben kialakuló mechanikai hullámok terjedéséből származó hatásokat sem. Az ütés pillanatában, a beton felületén kialakuló mikro-mechanikai deformáció mechanikai hullámokat indít el a betonban. E mechanikai hullámok hasonló módon terjednek szilárd közegben, mint a hang terjedése a levegőben, vagy a földrengések lökéshullámai a Föld kérgében. Az ütőszondából, mint pontbeli hullámforrásból kiindulva P- típusú longitudinális (tágulási) és S-típusú transzverzális (nyíró) hullámok terjednek a betontestben, gömbfelületet alkotó hullámfrontok formájában és R-típusú felületi hullámok terjednek a betontest felületén. A P- és S-hullámok közeghatárhoz érkezve részben visszaverődnek. A P-hullámok képesek szilárd és cseppfolyós közegben is terjedni, míg az S- hullámok a szilárd-cseppfolyós fázishatáron teljes mértékben visszaverődnek. Ha a visszaverődő mechanikai hullámok hullámfrontja eléri a hullámforrást, még mielőtt az ütőszonda és a betonfelület között a kapcsolat megszűnne, akkor a mért visszapattanási értékre ez hatással van. A Schmidt-kalapács ütőszondájában kialakuló mechanikai (feszültség-) hullámok jelentősen eltérnek a lineárisan rugalmas tökéletesen képlékeny anyagmodellel jellemezhető fémek, illetve a viszkoelasztikus - morzsolódó anyagmodellel jellemezhető beton esetén. Az ütés pillanatában kialakuló mechanikai hullámok lefutásával már Kurt Gaede is foglalkozott 1964-ben publikált cikkében. A mechanikai hullám tulajdonságait oszcilloszkóppal vizsgálta. A mérések kimutatták, hogy az ütés pillanatában Hz frekvenciájú hullám a beton sajátrezgése miatt csillapodik. Ez a csillapodás az ütközési idő (5 10 ) alatt be is következik.(9. ábra) 9. ábra Az ütés pillanatában kialakuló mechanikai hullámok lefutása (Gaede, 1964)

25 2.5.3.A visszapattanási értéket befolyásoló főbb tényezők A Schmidt-kalapácsos vizsgálat során kapott visszapattanási értéket a készülék ütőszondájának közvetlen környezetében lévő beton tulajdonságai határozzák meg. Ennél fogva a vizsgálat igen érzékeny a vizsgálati körülményekre. Például, ha egy nagyobb adalékanyag szemcse, vagy egy nagyobb légzárvány fölött mérünk, akkor a szerkezeten egyébként tapasztalt átlagos visszapattanási értékekhez képest lényegesen nagyobb, illetve lényegesen kisebb visszapattanási érték lesz mérhető (Herzig, 1951). A betonfelszín közvetlen közelében futó (elégtelen betonfedésű) betonacélok szintén befolyásolják a mért visszapattanási értéket. A visszapattanási értéket befolyásoló főbb tényezők: Az ütésirány Az ütésirányt mindig a gravitációhoz képest értelmezzük. A Schmidt-kalapács használatának alapértelmezett ütésiránya a vízszintes irány. Amennyiben ugyanazon betonszerkezet visszapattanási értékeket mérünk, függőleges lefelé irányuló ütés esetén rendre kisebb, míg függőleges fölfelé irányuló ütés esetén rendre nagyobb visszapattanási értékeket kapunk, mint a vízszintes ütésiránnyal megkapható visszapattanási értékek. (Schmidt, 1950). A mérési eredményeket ezért mindig korrigálni kell az ütésiránytól függően ahhoz, hogy a vízszintes ütésirányra kidolgozott empirikus összefüggéseket alkalmazni tudjuk az eredmények értékelése során A beton kora A beton korának tárgyalása során meg kell különböztetnünk a karbonátosodás és szilárdulás ütemének a hatását. Karbonátosodás folyamata: a betonban található kalciumhidroxid átalakulása kalcium-karbonáttá a levegő széndioxid tartalmának hatására. Az 56 napnál idősebb betonok esetén már figyelembe kell venni a beton karbonátosodásának hatását, mert a karbonátosodás a beton felületi keménységének növekedésével jár. A karbonátosodás következtében a beton felületi keménysége oly mértékben megváltozhat, hogy annak figyelembevétele nélkül a becsült nyomószilárdság akár 50%-nál nagyobb mértékben is eltérhet a valóságtól (Gaede, Schmidt, 1964). A karbonátosodás hatását a szakirodalomban fellelhető javaslatok általában egy 1,0-nél kisebb szorzótényező bevezetésével javasolják figyelembe venni, a beton korának függvényében. E javaslatok

26 azonban nagy bizonytalanságot hordoznak magukban, mivel önmagában a beton kora és a karbonátosodás között nem lehet egyértelmű kapcsolatot teremteni. Ugyanis a karbonátosodás, pontosabban fogalmazva a karbonátosodás mélysége, elsősorban a beton kapilláris porozitásának, illetve a tárolási és környezeti viszonyoknak a függvénye. A karbonátosodás hatásának figyelembe vételét követően, a beton szilárdulásának, utószilárdulásának hatását is számításba kell venni. Ehhez ismernünk kell a vizsgált beton összetételét, elsősorban az alkalmazott cement fajtáját, hogy a hidratáció ütemére következtetni lehessen A beton nedvességtartalma A beton nedvességtartalma befolyásolja a mért visszapattanási értéket. Egyes szakirodalmi források szerint, ha a beton víztelített állapotban van, a visszapattanási érték 20%-nál nagyobb mértékben is csökkenthet, a légszáraz állapotban mérhetőkhöz képest. A megállapítás még akkor is igaz, ha a beton külső felülete száraz. Más szakirodalmi források is alátámasztják ezt a tapasztalatot, de az eltérés mértékét kisebbnek adják meg. A beton nedvességtartalmának közvetlen figyelembe vételére viszont a szakirodalom általában nem ad meg összefüggéseket Az adalékanyag Mind az adalékanyag típusa, mind pedig az adalékanyag szemcseméret-eloszlása hatással van a mért visszapattanási értékre. Az adalékanyag rugalmassági modulusának hatása kiemelkedő. Az adalékanyag típusa, illetve szemeloszlása hatásának figyelembe vételére szakirodalmi források esetenként adnak javaslatot (pl. Malhotra, Carino, 2004) A cement Mind a cement fajtája, mind pedig a cementtartalom jelentős hatással van a mért visszapattanás értékére, a különbségek meghaladhatják az 50%-ot. A cement őrlésfinomságának hatását nem tekintik szignifikánsnak, a hatás nem haladja meg a 10%-ot. A cement fajtája és mennyisége hatásának figyelembe vételére szakirodalmi források esetenként adnak javaslatot (pl. Talabér, Borján, Józsa, 1979). A javaslatok többnyire nagy bizonytalanságot hordoznak, és csak a hivatkozott esetekre érvényesek, ezen kívül

27 rendszerint azt sem veszik figyelembe, hogy két azonos víz-cement tényezőjű beton közül a nagyobb cementtartalmúnak kisebb a nyomószilárdsága. Összefoglalóan megállapítható, hogy laboratóriumi körülmények között készített, utókezelt és vizsgált betonok esetén a Schmidt-kalapácsos szilárdságbecslés 15-20%-os bizonytalansággal, míg valós szerkezetek esetén 25% körüli bizonytalansággal szolgáltat eredményt (Malhotra, 1976) A statikus és dinamikus elven működő keménységmérő eszközökkel nyert keménységi mérőszámok kapcsolata: A dinamikus elven működő Schmidt-kalapáccsal és a statikus elven működő Brinellpréssel számolható keménységi mérőszámok közötti kapcsolatot a nemzetközi szakirodalomban nagyon kevés cikk tárgyalja, melyek közül Kolek cikke foglalkozik ezzel a problémával a legrészletesebben (Kolek, 1958). Kísérletében Schmidt-kalapácsos vizsgálatot végzett beton próbatesten. A kísérlet során a visszapattanási értékeket (R), valamint az ütés miatt a beton felületén kialakult benyomódás átmérőjét (d) mérte. A visszapattanási értéket valamint a benyomódás átmérőjét kettős logaritmikus léptékben ábrázolva a 10. ábrán látható: 10. ábra A visszapattanási érték (R) és az ütés miatt a beton felületén kialakult benyomódás átmérő (d) összefüggése kettős logaritmikus léptékben ábrázolva ( Kolek, 1958)

28 A kísérlet során megkapott pontokra egy regressziós egyenest illesztett, amelynek meredeksége -4 érték volt. Ezt a következő levezetéssel támasztotta alá: = 4 vagy = A Brinell-keménység HB értéke kifejezhető a terhelő erő és a benyomódási terület hányadosaként: = h ahol F s a Brinell-vizsgálatnál alkalmazott terhelő erő, D a szúrószerszám átmérője, h a beton felületén keletkezett lenyomat legnagyobb mélysége. Ha a beton felületén keletkezett lenyomat átmérőjének (d) és a szúrószerszám átmérőjének (D) hányadosa kisebb, mint 0,7, akkor felírható: , há = 1 1 1,í 2 = 4 amely formula csak a statikus elvű kísérletek esetén igaz. Dinamikus vizsgálat esetén, más módon fejezhetjük ki a keménységi mérőszámot, mivel a terhelő erő nagyságát nem ismerjük. A kezdeti energia felírható: = 2 ahol l a rugó maximális megnyúlása, n pedig a rugóállandó. A visszapattanás során elvesztett energia: = h ahol a vizsgálat feltételeiből származtatható konstans érték

29 Azt feltételezve, hogy ugyanakkora átmérőjű lenyomat keletkezik mindkét vizsgálati módszerrel, ha azonos terhelő erőt alkalmazunk, ezért F s erő helyettesíthető F d erővel: = 16 E helyére az = kifejezést helyettesítve a következő formulát kapjuk: = 16 vagy = amely összefüggés hasonlít az első formulához. Ily módon tehát a vizsgálat során a rugalmas visszapattanási érték és a Brinell-keménység mérőszáma egymásból kifejezhetőek (Kolek, 1958). Kolek összefüggését az általa előállított vizsgálati eredmények alátámasztották, mivel a vizsgálat során mért pontokra olyan trendvonalat fektetett, amelynek meredeksége pontosan -4 volt. A vizsgálati pontok saját számítógépes vizsgálata során kiderült, hogy a pontsorra illesztett trendvonal eltér a Kolek által beillesztett trendvonaltól. A regressziós egyenes meredekségére -2,584 adódott, amely szaggatott vonallal van ábrázolva (11. ábra). Így megállapítható, hogy Kolek elméleti levezetése nem támasztható alá az általa végzett vizsgálat eredményeivel. 1,7 1,6 y = -2,5844x + 3,3508 R² = 0,6695 log R 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 0,6 0,7 0,8 0,9 log d 11. ábra Kolek által felvett -4 meredekségű, és számítógép által felvett -2,58 meredekségű regressziós egyenesek

30 3. Vizsgálati módszerek A laboratóriumi vizsgálatok során különböző korú beton próbatesteken esetén megmértem az anyag felületi keménységét statikus és dinamikus módszerrel is. A kísérleteket a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszékének laboratóriumában végeztem el februártól októberig. A beton próbatestek anyagát három különböző víz-cement tényezőjű (1. v/c=0,40; 2. v/c=0,50; 3. v/c=0,65) receptúra alapján készítettem el. Mivel a kísérlet során a beton nyomószilárdságát és rugalmassági modulusát is szabványos módon megmértem, ezért a kísérletekhez kocka (150 mm) és hasáb (120x120x360 mm) próbatesteket gyártottam. A betonreceptúrában szereplő összes tételt pontosan kimértem hitelesített mérleggel, majd az összekevert anyagot fekvődobos betonkeverőben összekevertem. A zsaluzatba öntött betont az összes próbatest gyártásakor ugyanolyan mértékben tömörítettem vibroasztal segítségével. A megfelelő tömörítés fontos volt a próbatest legyártása során, mivel a mérések során a beton felületéhez közel lévő légbuborék jelentősen változtatta volna az mért golyóbenyomódási, illetve visszapattanási értékeket. A betont a zsaluzatban egy napig hagytam, annak érdekében, hogy a zsalu levétele közben a próbatestek ne sérüljenek, így a későbbi vizsgálatok során a felületi hibák ne befolyásolják az eredményeket. A szabványos méretű próbatestek legyártása után a megfelelő utókezelés érdekében meszes vízben tároltam 7 napig a próbatesteket. A vizsgálatsorozat a különböző korú beton próbatestek statikus és dinamikus módszerrel való vizsgálatából állt. A méréseket a beton próbatest legyártását követő 3., 7., 14., 28., 56., 90. napon ismételtem meg Brinell-préssel végzett vizsgálat A Brinell vizsgálatot a hasáb alakú próbatesteken végeztem el. A Brinell mérések előtt megmértem a próbatest rugalmassági modulusát. A laboratóriumi kísérleteket hasáb alakú próbatesteken végeztem a Brinell-préssel. A beton próbatestek azon két, egymással párhuzamos oldalán készítettem golyóbenyomódási kísérleteket, amelyek a zsaluzatban függőlegesen helyezkedtek el, ezzel kikerülve annak a veszélyét, hogy esetleg a

31 szétosztályozódott adalékanyagú betonrész befolyásolta volna a kísérletek eredményét. A méréseket különböző nagyságú terhelési lépcsőkben végeztem el. A maximális terhelőerő a beton felületén 30 másodpercig működött. A kísérleteket d=10 mm gömb alakú edzett acél szúrószerszámmal végeztem el. A Brinell-prést az eredeti tartozék súlyokkal használtam. Mindegyik terhelési lépcső esetén a beton felületén öt golyóbenyomódási kísérletet végeztem azért, hogy az eredmények kiértékelése során a benyomódás átmérőjének meghatározásakor elég adat álljon a rendelkezésemre Schmidt kalapáccsal végzett vizsgálat A laboratóriumi kísérleteket kocka alakú beton próbatesteken végeztem el Schmidtkalapáccsal. A kísérletsorozat előtt az alkalmazott Schmidt-kalapács mért visszapattanási értékeit hitelesítő üllőn megvizsgáltam. A 10 ütésből álló vizsgálat során az eszköz által mutatott értékek a 81±2 (N-jelű kalapács) és 75±2 (L-jelű kalapács) intervallumon belül voltak, így a Schmidt-kalapácsok hitelesek voltak a mérések során. A próbatest két, egymással párhuzamos oldalán oldalanként darab, vízszintes irányú ütést végeztem. A beton kocka két párhuzamos acél nyomólap közé volt beszorítva annyira, hogy a kísérlet során el ne mozduljon. A visszapattanási értékeket jegyzőkönyvben vezettem. A kísérletek során ügyeltem arra, hogy a vizsgált betonfelületre a kalapács ütőszege merőlegesen helyezkedjen el Leeb készülékkel végzett vizsgálat A készülékkel végzett vizsgálatokat hasáb alakú beton próbatesten végeztem el. A mérőfejet ráállítottam merőlegesen a mérendő tárgy felületére, majd megnyomtam az indítógombot, így az ütőtest becsapódott a tárgy felületére, majd visszapattant. A készülék méri a tárgy felülete felett 1 mm-re mind a becsapódási (A), mind a visszapattanási (B) sebességet, amelyekből - a módszer kidolgozójáról: Dietmar Leebről elnevezett - Leeb keménység mérőszáma: =

32 3.4. Nyomószilárdság vizsgálata A nyomószilárdság vizsgálathoz mm névleges méretű próbakockákat használtam. A nyomószilárdság meghatározásához az alábbi eszközöket használtam: Alpha S gyártmányú 3000 kn-os hidraulikus törőgép, tolómérő; 0,1 mm pontosságú, digitális mérleg; 0,01 kg pontosságú. A vizsgálatokat 3, 7, 14, 28, 56, 90 és 240 napos korban végeztem el. Az 3 és a 7 napos vizsgálat esetén +/- 2 órás pontossággal, a 14 napos vizsgálat esetén +/- 2 órás pontossággal, 28 napos korban +/- 5 órás korban, míg a 28 napos kort meghaladott próbatestek esetében a kornak megfelelő napon végeztem el a vizsgálatokat. A mérés során 2 db próbatestet vizsgáltam. Miután a próbatesteket kivettem a vízből, letöröltem a nedvességet a felületükről, majd megmértem méreteiket és tömegüket, ezután törésig terheltem őket. Kiszámítottam a nyomószilárdság tapasztalati egyedi értékét (f ci,cube,test ), valamint a két próbatest nyomószilárdságából átlagot számítottam (f cm,cube,test ). f ci,cube,test = F u *1000/A képlettel számítottam ki. ahol: f ci,cube,test : nyomószilárdság [N/mm 2 ] F u : törő erő [kn] A: nyomott felület [mm 2 ] Rugalmassági modulus vizsgálata A rugalmassági modulust 2 db mm névleges méretű próbatesten mértem. A mérést 3, 7, 14, 28, 56, 90 és 240 napos korú próbatesteken végeztem el. A vizsgálat során a hasábokat fokozatosan növekvő nagyságú erővel terheltem ciklikusan a nyomószilárdság 30%-ának megfelelő feszültségszintig, miközben mértem az alakváltozásokat. A mérést mérőerősítő segítségével számítógépen rögzítettem a későbbi kiértékeléshez. A terhelő erők meghatározásának alapja a vizsgálat korával egyező nyomószilárdság vizsgálat átlaga volt (f cm,cube,test ). Ennek értékét felhasználva az alábbiak

33 alapján számítottam a terhelő erőket, figyelembe véve a 150 mm élhosszúságú kocka alakú próbatesten mért nyomószilárdság méretű hasáb alakú próbatestre való átszámítását: 1. terhelési ciklus: 85, 0,3 2. terhelési ciklus: 85, 0,3 3. terhelési ciklus: 85, 0,3 4. terhelési ciklus: 85, 0,3. A rugalmassági modulus számítását az = / összefüggéssel végeztem

34 4. Vizsgálati eredmények és értékelésük 4.1. Vizsgálati eredmények Laboratóriumi kísérleteim során, a statikus elven működő Brinell-préssel megmért összetartozó terhelő erő, benyomódási átmérő összefüggést vizsgáltam. Ezt az összefüggést Meyer-törvénynek nevezzük, melynek általános alakja az = hatványfüggvénnyel írható le. A benyomódási átmérőket kétszer mértem le tized milliméter pontossággal, egymásra merőleges irányokban. Ezen leolvasások átlagértékét tekintettem a beton felületén kialakult benyomódás tényleges átmérőjének Meyer hatványfüggvények Az erő-benyomódás összetartozó értékpárokra regressziós görbét állítva felírható az adott korú és adott víz-cement tényezőjű beton Meyer-törvénye. ( ábra) 2500 v/c = 0, nap 56 nap 28 nap 14 nap 7 nap 3 nap y = 16,549x 2,4399 R 2 = 0,9876 y = 13,405x 2,5432 R 2 = 0,9788 F, kg y = 10,414x 2,605 R 2 = 0, y = 11,138x 2,5437 R 2 = 0, y = 15,654x 2,1484 R 2 = 0,955 y = 8,7437x 2,3433 R 2 = 0, ,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 d, mm 12. ábra v/c=0,65 beton próbatest Meyer-törvényei a próbatest korától függően

35 v/c = 0, F, kg nap 56 nap 28 nap 14 nap 7 nap 3 nap y = 20,631x 2,4696 R 2 = 0,9808 y = 11,998x 2,7778 R 2 = 0,9787 y = 22,691x 2,3636 R 2 = 0,9724 y = 19,959x 2,3602 R 2 = 0, y = 14,702x 2,4793 R 2 = 0,9793 y = 7,7743x 2,6375 R 2 = 0, ,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 d, mm 13. ábra v/c=0,50 beton próbatest Meyer-törvényei a próbatest korától függően v/c = 0, nap 56 nap 28 nap 14 nap 7 nap 3 nap y = 37,487x 2,2412 R 2 = 0,9984 y = 26,135x 2,4059 R 2 = 0,9763 y = 34,308x 2,2104 R 2 = 0,9794 F, kg 1000 y = 33,072x 2,2633 R 2 = 0,9903 y = 25,841x 2,2963 R 2 = 0,9895 y = 14,594x 2, R 2 = 0, ,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 d, mm 14. ábra v/c=0,40 beton próbatest Meyer-törvényei a próbatest korától függően