بتن

آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن

آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن

آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن

آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن یکی از متداول ترین آزمایش هایی است که بر روی بتن انجام می شود. این آزمایش چنان به تغییرات در روش آزمایش حساس است که لازم است دقیقا بر اساس روش استاندارد انجام پذیرد تا نتایج بدست آمده در آزمایش های مختلف (حتی در یک آزمایشگاه) با یکدیگر قابل مقایسه باشد. به همین دلیل در این مقاله، آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن مطابق با استاندارد جهانی ASTM با ذکر برخی جزییات مورد نیاز شرح داده خواهد شد.

تعیین مقاومت فشاری بتن با دستگاه

جک بتن شکن

(خرید جک بتن شکن از فروشگاه تجهیزات آزمایشگاهی آزمان)

آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن می تواند با استفاده از هر دستگاه جک فشاری که دارای شرایط مناسب باشند انجام شود. در دستگاه جک فشاری (جک بتن شکن) دو قطعه سخت بارگذاری وجود دارد که یکی از آنها به صورت صلب است و نمونه بتنی روی آن قرار می گیرد و یک قطعه گوی شکل که روی سطح فوقانی نمونه قرار می گیرد.

اندازه قطر و قطعه ها

این قطعه ها باید با دقت 0.05 میلیمتر و به صورت مسطح باشند. برای استوانه های بتنی با قطر 150 میلیمتر حداکثر قطر قطعه گوی شکل نشیمن گاهی برابر 225 میلی متر است. باید دقت شود که نسبت حداکثر قطر قطعه بارگذاری به قطر نمونه، نباید از مقادیر داده شده در ASTM بیشتر باشد، یک قطعه بارگذاری که بسیار بزرگ باشد، معمولا منجر به مقادیر مقاومت های فشاری زیاد می شود.

میزان سرعت بارگذاری

از آنجا که مقاومت بستگی به سرعت بارگذاری دارد؛ نمونه باید با یک سرعت کنترل شده بین 0.15 تا 0.35 مگاپاسکال بر ثانیه برای جک های هیدرولیکی و یا سرعت تغییر شکل برابر یک میلیمتر در دقیقه برای جک های مکانیکی بارگذاری شود و این بارگذاری تا نقطه شکست ادامه دارد، که به عنوان حداکثر باری است که نمونه تحمل می کند. آنگاه حداکثر بار و نحوه شکست گزارش می شود.

آزمایش با نمونه مکعبی

قالب مکعب چدنی بتن

(خرید قالب مکعب بتن از فروشگاه تجهیزات آزمایشگاهی آزمان)

نمونه های مکعبی که با قالب مکعبی قالب گیری شده اند، برای آزمایش مقاومت فشاری در کشورهای انگلستان، آلمان و بعضی نقاط اروپا به کار می رود.

بر اساس استاندارد انگلستان (BS) نمونه های مکعبی ۱۵۰ میلیمتر هستند که در سه لایه پر شده اند و هر لایه ۲۵ مرتبه با یک میله سر مربعی ۲۵ میلیمتری کوبیده می شود. همچنین به عنوان یک روش جایگزین، این مکعب بتنی می تواند بوسیله ویبراتور هم متراکم شود.

تفاوت نمونه مکعبی و استوانه ای در آزمایش

عملیات بعدی شبیه نمونه های استوانه ای است که با قالب استوانه ای بتن قالب گیری شده اند مطابق تصویر زیر

قالب استوانه ای بتن

(خرید قالب استوانه ای بتن از فروشگاه تجهیزات آزمایشگاهی آزمان)

با این تفاوت که درجه حرارت نگهداری ۲۰ درجه سانتیگراد (یک درجه کمتر یا بیشتر) می باشد. نمونه ها در راستای عمود بر جهت بتن ریزی، بارگذاری می شوند. این بدان معناست که سطوحی از مکعب که در تماس با صفحات جک قرار می گیرند، عمود بر جهت صلب قالب ها ریخته شده اند، بنابراین سطوح بارگذاری به اندازه کافی مسطح هستند که نیاز به کلاهک گذاری و یا ساب زدن سطح وجود نخواهد داشت.

نمونه بتنی آنگاه با سرعت ۰٫۲۵ مگاپاسکال برثانیه تا نقطه شکست بارگذاری می شود.

ایراد اصلی برای نمونه مکعبی این است که اصطکاک بین صفحات جک و سطوح انتهایی نمونه، مقدار محصورسازی (فشار سه محوری) بیشتری را در مقایسه با نمونه های استوانه ای بزرگتر ایجاد می کند.

این موضوع باعث میشود مقادیر بزرگتر مقاومت فشاری برای نمونه های مکعبی در مقایسه با نمونه های استوانه ای به دست آید. با این وجود اگرچه نسبت بین مقاومت مکعبی به نمونه های استوانه ای، معمولا ۱٫۲۵ فرض می شود، ولی در واقع این نسبت مقدار ثابتی نیست و بین ۱٫۳ برای بتن های با مقاومت کم و ۱/۰۴ برای بتن های با مقاومت زیاد تغییر می کند؛ همان گونه که در تصویر زیر نشان داده شده است.

رابطه مقاومت فشاری نمونه استوانه ای و مکعبی

عوامل موثر بر مقاومت فشاری

نتایج بدست آمده از آزمایش مقاومت فشاری به طور قابل ملاحظه ای تحت تاثیر عوامل مختلف است. برای اینکه بتوانیم مقادیر مقاومت بدست آمده به وسیله شیوه های استاندارد را تجزیه تحلیل کنیم لازم است با جزییات بررسی شود که چگونه مقدار مقاومت فشاری به وسیله پارامتر های آزمایش تاثیر پذیر است.

این عوامل عبارتند از:

نحوه توزیع تنش در نمونه ها و اثر آن بر آزمایش

با آزمایش فشار فرض می کنیم که یک حالت فشار تک محوری خالص بر نمونه اعمال می شود، در حالی که این موضوع به دلیل اصطکاک بین سطوح نمونه و صفحات جک صحت ندارد. این نیروی اصطکاکی ناشی از این موضوع است که بدلیل اختلاف مدول الاستیسیته و ضریب پواسون بین فولاد و بتن، کرنش جانبی در صفحات جک به طور قابل ملاحظه ای کمتر از کرنش جانبی سطوح انتهایی نمونه بتنی است، چنانچه این سطوح برای برای جابجایی آزاد بودند.

بنابراین به واسطه اصطکاک، برای انبساط جانبی سطوح انتهایی نمونه، صفحات جک مانند یک تکیه گاه عمل می کنند و یک فشار محصور سازی در مجاورت سطوح بالا و پایین نمونه اعمال می شود. این فشار محصور سازی (که همچنین باعث تنش برشی هم می شود) درست در انتهای نمونه بیشترین مقدار را دارد.

علت بروز ظاهری فشار محصور سازی

بروز ظاهری این فشار محصور سازی در این است که اغلب یک مخروط (یا هرم) بتنی که در جریان آزمایش آسیب نمی بیند و سالم می ماند در نمونه های آزمایشی وجود خواهد داشت. بنابراین برای یک استوانه استاندارد با L/d=2 فقط در یک بخش مرکزی کوچک استوانه واقعا شرایط تک محوری فشاری وجود دارد و در بخش باقی مانده در بالا و پایین حالت تنش سه محوری حاکم است.

تاثیر این نوع قید نهایی این است که یک مقاومت فشاری ظاهری بزرگتر از مقاومت فشاری واقعی بدست می آید.

با افزایش حجم نسبی نمونه که تحت اثر قید جانبی قرار می گیرد مقاومت ظاهری زیادتر می شود. این موضوع در مواردی که L/d کوچکتر از 2 باشد با افزایش مقاومت ظاهری نشان داده شده، و اهمیت پیدا می کند.

این امر این گونه نیز بروز می کند که در حالت عمومی نمونه های مکعبی مقاومت های بیشتری از نمونه های استوانه ای نشان می دهند. دلیل این امر این است که نمونه های مکعبی آنقدر بلند نیستند تا اثر قید انتهایی مستهلک شود و برای یک نمونه با اندازه ها و هندسه داده شده، تنش های محصور سازی بزرگتر، موجب مقاومت های ظاهری زیادتر می شود.

بر عکس باید متذکر شد که اگر یک مصالح نرم بین دو قسمت بالا و پایین یک نمونه قرار گیرد و حالت اصطکاکی صفحات جک حذف شود، جریان رو به بیرون مصالح تحت فشار ممکن است نیروی کششی جانبی را در دو انتهای نمونه ایجاد کند.

این موضوع باعث کاهش مقاومت میشود و نمونه ها ممکن است به صورت جداشدگی قائم بشکنند و این یک حالت متداول است. به هر حال این مصالح کاهنده اصطکاک قادر نیستند تا به طور کامل اثرات محصورسازی را حذف کنند.

چرا حالت کامل شکست فشاری وجود ندارد؟

چنانچه موضوع را به صورت اصولی مورد توجه قرار دهیم باید اذعان کرد که به طور کلی در بتن (و بیشتر مصالح) حالت کامل شکست “فشاری” وجود ندارد، زیرا فشار اصولا تمایل دارد تا اتمها را فشرده و مولکول ها را به هم نزدیک کند. بنابراین خیلی سخت است که تصور کنیم چگونه یک حالت فشار خالص می تواند به شکست نمونه منجر شود.

عامل ترک خوردگی در نمونه بتن

ترک در نمونه بتن تحت فشار

در یک آزمایش فشاری، تنش های کششی ثانویه در جهت عمود بر محور نمونه به وجود خواهد آمد. از آنجایی که بتن به طور نسبی در کشش ضعیف است، این تنش های کششی هستند که باعث ترک خوردگی نمونه می شوند. همچنین مشخص شده است که شکست بتن در کشش، در تغییر شکل هایی که در محدوده مقادير ۰/۰۰۰۱ تا ۰,۰۰۰۲ می باشد، انجام می گیرد.

برای بتن های معمولی با ضریب پواسون تقریبی ۰٫۲، این کرنش های کششی جانبی در نیروهای فشاری کم اتفاق می افتد و این موضوع باعث شکست نمونه می شود. این حالت احتمالا حالت طبیعی شکست در حالت فشار خالص می باشد. تنش های ایجاد شده به دلیل قید انتهایی ممکن است موجب یک شکست مخروطی ظاهری شود.
از آنجایی که ما نمی توانیم از وجود مقداری قید انتهایی اجتناب کنیم، احتمالا شکست نمونه به واسطه نوعی ترکیب نیروها اتفاق می افتد. ترکهای کششی احتمالا در بخشی از نمونه که تحت اثر تنش های محصورسازی جانبی قرار دارد، قادر نیستند گسترش یابند.

تاثیر دستگاه بر نتایج آزمایش

علاوه بر آنکه سطوح انتهایی نمونه باید مسطح باشند، آنها باید عمود بر محور نمونه نیز باشند. از آنجا که حصول کامل این موضوع بسیار سخت است، صفحات نشيمنگاهی جک یک حالت گوی شکل دارد؛ در این حالت یک انحراف کوچک سطوح انتهای نمونه از حالت موازی بودن، مقاومت فشاری را متاثر نخواهد کرد.

39 ASTM C تصریح می کند که سرگوی شکل باید با مقداری روغن متعارف چرب شود (به جای گریس های تیپ فشار)، به این ترتیب زمانی که آن سر گوی در تماس کامل با نمونه قرار گرفت، کج شدگی بیشتر اتفاق نخواهد افتاد. چنانچه درجه روغنکاری نشیمنگاه گوی شکل تغییر کند، تغییرات ظاهری در مقاومت اتفاق خواهد افتاد.
چنانچه نوع صفحات در جک فشاری تغییر کند، نتایج نیز تغییر خواهد کرد. از آنجایی که حتی صفحات فلزی زیر بار، مقدار جزئی تغییر شکل می گیرد، صفحات با سختی متفاوت به توزیع تنش های مختلف در دو انتهای نمونه ها منجر می شود.

تاثیر شکل نمونه

از آنجا که شکل های مختلف نمونه (استوانه ای یا مکعبی) مقادیر متفاوت مقاومت را بدست می دهند، بنابراین پرسشی که مطرح می شود این است که کدام شکل نمونه “بهترین” است؟

به وضوح نمونه های مکعبی برای آزمایش راحت تر هستند، زیرا برای این نمونه ها نیازی به کلاهک گذاری وجود ندارد. با این حال تمایل بیشتری به نمونه های استوانه ای به ویژه در تحقیقات وجود دارد، زیرا این احساس وجود دارد که به نحو مناسب تری مقاومت بتن را نشان می دهد. ولی همان گونه که دیدیم نمونه های کوچک بتنی به طور مشخص مقاومت بتن در سازه را نشان نمی دهند، بلکه آنها صرفا داده های مقایسه ای را ارائه می کنند.

بنابراین چنانچه نمونه ها به نحو صحیح مورد استفاده قرار گیرند، این که چه شکل نمونه ای را به کار ببریم، تفاوت کمی خواهد داشت.

تاثیر سرعت بارگذاری

معمولا هر چه سرعت بارگذاری بیشتر باشد، مقاومت اندازه گیری شده برای بتن بزرگتر خواهد بود. دلیل این موضوع کاملا مشخص نیست، اما ممکن است به این دلیل باشد که در سرعت های کم بارگذاری، اجازه رشد بیشتری از ترک هایی که کمتر بحرانی هستند، داده خواهد شد که این موضوع به تشکیل خلل بزرگتر و بنابراین بار شکست کوچکتر منجر خواهد شد.

تاثیر مقدار رطوبت

اکثر استانداردها، نظیر 39 ASTM C الزام می کند که بتن تا قبل از بارگذاری در شرایط اشباع نگهداری شود و سپس مورد آزمایش قرار گیرد. براساس نتایج آزمایش های موجود بتنی که خشک شده باشد افزایش در مقاومت را نشان می دهد.

تاثیر حرارت در آزمایش

نمودار تاثیر حرارت بر مقاومت فشاری

نمودار تاثیر حرارت بر مقاومت فشاری

به دلایلی که هنوز دقیقا مشخص نیست، حرارت نمونه در زمان آزمایش بر مقاومت بتن اثرگذار است. حرارت زیادتر حتی برای بتن هایی که در شرایط استاندارد یکسان عمل آوری شده اند، موجب کاهش مقاومت می شود. حداقل بخشی از اثر حرارت این است که موجب از دست رفتن رطوبت از نمونه می شود آن هم در زمانی که نمونه در حرارت های زیادتر نگهداری شده است.

بهترین روش آزمایش

از آنچه تا بحال مطرح شد، مشخص شد که مقاومت فشاری نه یک خاصیت ذاتی و نه یک خاصیت ثابت و تعریف شده بتن است. به این دلیل که مقاومت فشاری به وضوح به روش اندازه گیری بستگی دارد. بنابراین، از آنجا که نتایج مقاومت فشاری در وهله اول جنبه مقایسه ای دارد، باید روش آزمایشگاهی که انتخاب و استفاده می کنیم حتما مطابق یکی از روش های استاندارد باشد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.