Zusammenhang zwischen Zylinder- und Würfeldruckfestigkeit

Abstract

From its first appearance on, concrete has always been essentially defined by its compressive strength, thus requiring its detailed determination. Prior to the introduction of the EN standard and the resulting standardization of the regulations for compressive strength of hardened concrete testing, almost every country had its own test conditions with different specimen dimensions, unequal concrete ages and various specimen storage. It became apparent early on however, that these very different conditions have a considerable influence on the strength of concrete. The main focus of this master thesis is the geometry of the test specimen; more precisely the correlation between cube and cylinder compressive strength. In literature a constant conversion factor of 0.8 between the two strengths is broadly accepted whose origin, founder and research period however are unknown at the beginning of the thesis. Extensive literature research unravels the origin of the factor, thus making it possible to analyze and compare its historic groundwork with contemporary measurements and subsequently confirming or denying its correctness. A comparison reveals not only differences in the concrete composition, but also in the concrete age, the crosssectional shapes and the test specimen sizes themselves. The theoretical part of this thesis (Chapter 2) documents the development of the conversion factor over the course of history and lists the abovementioned deviations during testing. Furthermore individual influences on compressive strength such as geometry, specimen size, cross-sectional shape, testing machine, frictional bond between machine and test specimen, w/c ratio, cement type, testing age, compaction, storage or shrinkage and loading speed are mentioned, including new research and current findings regarding this topic. Current testing standards for determining compressive strength are quoted in Chapter 3. This standard forms the basis for the compression tests carried out in Chapter 4. The experimental investigations are intended to verify the validity of the established factor. For this purpose, compression tests conducted by employees of the Institut für Tragkonstruktionen Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau are evaluated and own compression tests are carried out. These tests are performed using concretes of different consistency, strength-category and maximum grain size. In analyzing the results obtained by the institute, geometry, concrete composition and concrete age are taken into account. In personally conducted tests the formwork material is incorporated into the analysis as well, since previous tests have shown that formwork also has an influence on the compressive strength. In these tests standardized cylinders and cubes are subjected to failure in a hydraulic compression testing machine within a specified period of time. The ultimate loads were recorded, statistically evaluated and compared together. The results of the tests show that the ratio value of the compression strengths is always greater than the previously assumed value of 0.8 with only two exceptions. Additionally, it demonstrates that the cube samples scatter more than the cylinder samples, which raises the question of whether it is appropriate to convert a more unreliable strength into a more reliable one by scaling it with a constant value. More intensive research is needed to provide a reliable and generally valid conversion recommendation.

Die Druckfestigkeit ist seit der Geburtsstunde des Betons die wesentliche Charakteristik des Baustoffes, und daher auch die Bestimmung derselben von zentraler Bedeutung. Vor der Einführung der EN-Norm und den damit vereinheitlichten Bestimmungen zur Betondruckprüfung herrschten beinahe in jedem Land eigene Prüfbedingungen mit unterschiedlichen Abmessungen der Probekörper, verschiedenem Betonalter und ungleicher Lagerung der Prüfkörper. Schon früh hat sich herausgestellt, dass jedoch eben diese so differenten Bedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit haben. Im Zuge dieser Masterarbeit wird vor allem auf die Prüfkörpergeometrie, genauer, auf den Zusammenhang zwischen Würfel- und Zylinderdruckfestigkeit, eingegangen. Aus der Literatur geht ein konstanter Umrechnungsfaktor von 0,8 zwischen den beiden Festigkeiten hervor, dessen Entstehung, Begründer und Forschungszeitraum zu Beginn der Arbeit unbekannt sind. Eine umfangreiche Literaturrecherche führt zum Ursprung des Faktors und macht es dadurch möglich, die Forschungen von damals mit den heutigen Untersuchungen zu vergleichen und somit die Aktualität des Verhältniswerts zu überprüfen. Es ergeben sich nicht nur Unterschiede in der Betonzusammensetzung, sondern auch im Betonalter, den Querschnittsformen und den Prüfkörpergrößen selbst. Im Theorieteil dieser Arbeit (Kapitel 2) wird die Entwicklung des Umrechnungsfaktors im Laufe der Geschichte dokumentiert, die oben erwähnten Abweichungen bei der Prüfung angeführt und auf die einzelnen Einflüsse auf die Druckfestigkeit wie die Geometrie, die Größe der Proben, die Querschnittsform, die Prüfmaschine, den Reibungsverbund zwischen Maschine und Prüfkörper, den W/Z Gehalt, die Zementsorte, das Prüfungsalter, das Verdichten, die Lagerung bzw. das Schwinden und die Belastungsgeschwindigkeit eingegangen. Außerdem werden neue Forschungen und aktuelle Erkenntnisse zu diesem Thema und in Kapitel 3 die aktuellen Prüfnormen zur Bestimmung der Druckfestigkeit zitiert. Diese Norm bildet die Grundlage für die in Kapitel 4 ausgeführten Druckversuche. Die experimentellen Untersuchungen sollen die Gültigkeit des früher begründeten Faktors überprüfen. Dazu werden Versuche von Mitarbeitern des Institutes für Tragkonstruktionen Forschungsbereich Stahlbeton- und Massivbau ausgewertet und eigene Druckversuche durchgeführt. Die Versuche werden mit Betonen unterschiedlicher Konsistenz, Festigkeitsklasse und verschiedenem Größtkorn gemacht. Bei den Festigkeitswerten der Mitarbeiter des Institutes wird auf die Geometrie, die Betonzusammensetzung und das Betonalter eingegangen, bei den eigens durchgeführten Versuchen wird zusätzlich dazu noch das Schalungsmaterial dokumentiert. Bei früheren Versuchen hat sich nämlich herausgestellt, dass auch die Schalung einen Einfluss auf die Druckfestigkeit hat. Für die eigenen Versuche werden jeweils die heutigen Normzylinder und -würfel in einer hydraulischen Druckprüfmaschine innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums zum Versagen geführt. Die dadurch erhaltenen Festigkeitswerte werden statistisch ausgewertet und verglichen. Es stellt sich heraus, dass der Verhältniswert der Festigkeiten bis auf zwei Ausnahmen stets größer als der bisher angenommene Wert 0,8 ist. Außerdem zeigt sich deutlich, dass die Würfelproben stärker streuen als die Zylinderproben, was die Frage aufwirft, ob es überhaupt sinnvoll ist, eine unzuverlässigere Größe durch die Skalierung mit einem konstanten Wert 2 in eine zuverlässigere umzurechnen. Um eine verlässliche und allgemein gültige Umrechnungsempfehlung geben zu können, bedarf es noch intensiverer Forschungsarbeit.