مقاومت فشاری بتن چیست؟
مقاومت فشاری هر ماده را به صورت مقاومت در برابر خرابی تحت بار فشاری تعریف می کنند. مقاومت فشاری (Compressive Strength)، پارامتر مهمی جهت تعیین عملکرد مواد در طول مدتی که سرویس دهی می کنند، می باشد.
مقاومت فشاری بتن مهم ترین پارامتر مورد استفاده در طراحی سازه های بتنی است در حالی که بتن مقاومت کششی قابل توجهی ندارد. مهندسین سازه برای مدلسازی خواص مختلف مانند مقاومت کششی، پیش بینی ظرفیت خمشی و برشی اعضا، از مقاومت فشاری (Compressive Strength) استفاده می کنند. دیگر ویژگی های سازه ای مانند شکل پذیری و سختی را می توان همچنین به عنوان تابعی از مقاومت فشاری تعریف کرد.
آزمایش مقاومت فشاری بتن برای محاسبه مقاومت اعضا مورد نیاز است. نمونه های بتن ساخته شده و تحت نیروی فشاری برای به دست آوردن مقاومت فشاری آن، مورد آزمایش قرار می گیرند. مقاومت فشاری (Compressive Strength) با تقسیم بار شکست به مساحت اعمال بار محاسبه می شود. معمولاً این آزمون و محاسبات پس از ۲۸ روز از نگه داری و عمل آوری بتن انجام می شود.
مقاومت بتن، با تناسب بین سیمان، مصالح خوب درشت دانه، آب و مواد افزودنی مختلف، کنترل می شود. هر چه نسبت آب به سیمان کمتر باشد، استحکام فشاری بالاتر خواهد بود. ظرفیت بتن برحسب psi بر اینچ مربع در واحد ایالت متحده و برحسب مگاپاسکال در واحد SI گزارش می شود. برای موارد خاص و در ساختمان ها می توان بتن مخلوط با مقاومت فشاری بیش از ۵۰۰ مگاپاسکال به دست آورد که معمولاً بتن با مقاومت بالا نامیده می شود.
اندازه گیری مقاومت فشاری در بتن
آزمایش نمونه های استوانه ای و مکعبی در فشرده سازی، راحت ترین و رایج ترین روش برای اندازه گیری مقاومت است. استاندارد ASTM C39 یک روش استاندارد برای آزمایش نمونه های استوانه ای بتنی و گزارش نتایج آزمون را فراهم می کند.
ابزار و وسایل:
- دستگاه تست
- سطح باربر صفحات تحت فشار
- سن نمونه ها
- تعداد نمونه های آزمایش
دستگاه تست باید دارای دو صفحه فولادی با سطح سخت باشد. یکی از صفحات باید با یک توپ نصب شده در محل استقرار در قالب بخشی از یک کره محکم شود. مرکز آن باید در لحظه قالب ریزی روی نقطه مرکزی سطح قرار گیرد. صفحه فشاری نیز باید از بلوک سخت تهیه شده باشد. هر دو سطح، صفحه باربر باید به عنوان سطوح بزرگتر محسوب شوند و ترجیحاً بزرگتر از اندازه اسمی نمونه ای که تحت بار قرار گرفته است، باشد. خطا بیشتر از ۸ درصد از حداکثر بار وارده، مجاز نیست.
طراحیِ سطح باربر صفحات تحت فشار باید طوری باشد که سطح باربر قادر به دوران و کج شدن از طریق زوایای کوچک در هر جهت باشد. معمول ترین حالت سن بتن ۲۸ روزه و ۷ روزه است. این مدت زمان با توجه به میزان آب موجود در نمونه های خشک اضافه می شود. حداقل سه نمونه ترجیحاً از دسته های مختلف باید برای هر تست در هر مدت زمان مشخص شده، انتخاب شوند.
روش انجام آزمایش مقاومت فشاری بتن
- ترجیحاً تمام مواد قبل از شروع آزمایش به دمای اتاق (℃۳±۲۷) رسانده شود.
- نمونه های مصالح برای هر دسته از بتن ها باید دارای درجه بندی مطلوب و در شرایط هوای خشک قرار داشته باشند. نمونه های سیمان، هنگام ورود به آزمایشگاه، باید کاملاً به صورت خشک مخلوط شوند به گونه ای که حداکثر امکان ترکیب و یکنواختی در مواد فراهم شود.
- مقدار سیمان، سایز دانه ها و آب برای هر ترکیب باید طبق وزن، به دقت ۰.۱ درصد از وزن کل هر دسته اندازه گیری شود.
- نمونه های در آب باید بلافاصله بعد از خارج کردن از آب و تا زمانی که نمونه مرطوب است مورد آزمایش قرار گیرد.
- آب های سطحی و شن ها باید از نمونه ها حذف شده و در هر پروژه ای باید نمونه های خشک شده را حذف و تا مدت ۲۴ ساعت قبل از آزمایش گرفتن در آب قرار داد.
- نمونه استوانه ای استاندارد به ابعاد ۱۵۰×۳۰۰ میلی متر می باشد. در صورت استفاده از آزمونه های مکعبی باید مقاومت آن ها را به مقاومت نظیر آزمونه های استوانه ای تبدیل شود.
- سطحی از نمونه که تحت بارگذاری قرار می گیرد باید از شن و ماسه، قبل از آزمایش کردن، پاک شود.
- هیچ پوششی نباید بین سطح نمونه و سطحی از دستگاه که اعمال بار می کند باشد.
- حداکثر بار اعمال شده به نمونه پس از آن باید ثبت شود و به مدهای شکست باید توجه داشت.
میزان سرعت بارگذاری در آزمایش مقاومت فشاری بتن
از آنجا که مقاومت بستگی به سرعت بارگذاری دارد؛ نمونه باید با یک سرعت کنترل شده بین ۰.۱۵ تا ۰.۳۵ 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.
تدوین مدارک مربوط به مقاومت فشاری متوسط
مجموعه مدارکی که نشان می دهند نسبت های پیشنهادی اختلاط، مقاومت فشاری متوسطی، حداقل معادل مقاومت فشاری متوسط لازم را تأمین می کند، می تواند مشتمل بر پرونده ای از آزمایش های مقاومت در شرایط کارگاهی یا چند پرونده از آزمایش های مقاومت یا مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی باشد.
- پرونده آزمایش های مقاومت باید معرف مصالح و شرایط مورد انتظار در عمل باشد. تغییرات در مصالح و نسبت های اختلاط نباید محدودیتی بیشتر از حدود تعیین شده در طرح مورد نظر داشته باشد. به منظور تدوین مدارکی که نشان دهد مخلوط بتن مقاومت متوسط لازم را خواهد داشت، می توان پرونده ای مشتمل بر حداقل ۱۰ آزمایش متوالی یا ۳۰ آزمایش متفرق را به کار برد مشروط بر آن که این پرونده آزمایش های انجام شده در مدت حداقل ۴۵ روز را در بر گیرد. نسبت های لازم برای اختلاط بتن را می توان بر اساس درون یابی خطی بین مقاومت ها و نسبت های اختلاط ذکر شده در حداقل ۲ پرونده آزمایش، مطابق سایر ضوابط این بند به دست آورد.
در صورت ناقص بودن مستندات:
- در صورتی که در کارگاه پرونده های قابل قبول از نتایج آزمایش ها موجود نباشد می توان نسبت های اختلاط بتن را براساس مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی و با مراعات شرایط زیر تعیین کرد:
- اختلاط مصالح باید همان باشد که در طرح مورد نظر به کار خواهد رفت.
- مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی با نسبت های اختلاطی و روانی لازم برای کار مورد نظر باید حداقل با سه نسبت مختلف آب به سیمان یا سه مقدار سیمان ساخته شوند، به طوری که محدوده ای از مقاومت های فشاری متوسط لازم را در بر گیرند.
- مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی باید طوری طراحی شوند که اختلاف اسلامپ آنها با مقدار حداکثر مجاز اسلامپ در محدوده ±۲ میلیمتر باشد و برای بتن حباب دار، اختلاف مقدار هوا با هوای حداکثر مجاز در محدوده ±۰.۵ درصد باشد.
- برای هر نسبت آب به سیمان یا هر مقدار سیمان باید حداقل سه آزمونه، ساخته و عمل آورده شوند. آزمونه ها باید در سن ۲۸ روزه یا هر سن دیگری که در طرح برای تعیین مقاومت مشخصه بتن مقرر شده آزمایش شوند.
- بعد از حصول نتایج آزمایش های فشاری آزمونه ها باید نموداری رسم کرد که رابطه بین نسبت آب به سیمان با مقاومت فشاری در زمان آزمایش را نشان دهد.
- حداکثر نسبت آب به سیمان یا حداقل مقدار سیمان برای بتن مورد استفاده در طرح ، باید نظیر قسمتی از نمودار باشد که بر اساس آن مقاومت فشاری (Compressive Strength) متوسط تأمین شود، مگر آن که مقداری کمتر برای نسبت آب به سیمان یا مقدار بیشتر برای عیار سیمان مورد نظر باشد.
آزمایش با نمونه مکعبی
نمونه های مکعبی که با قالب مکعبی قالب گیری شده اند، برای آزمایش مقاومت فشاری بتن 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 مقاومت فشاری بتن
عملیات بعدی شبیه نمونه های استوانه ای است که با قالب استوانه ای بتن قالب گیری شده اند (مطابق تصویر زیر)، 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 می شود مقادیر بزرگتر مقاومت فشاری (Compressive Strength) 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 1/25 فرض می شود، ولی در واقع این نسبت مقدار ثابتی نیست و بین 1/3 برای بتن های با مقاومت کم و 1/04 برای بتن های با مقاومت زیاد تغییر می کند.
عوامل موثر بر مقاومت فشاری بتن
نتایج بدست آمده از آزمایش مقاومت فشاری بتن 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 بتن 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 جابجایی آزاد بودند.
به واسطه اصطکاک، برای انبساط جانبی سطوح انتهایی نمونه، صفحات جک مانند یک تکیه گاه عمل می کنند. بنابراین 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. 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 ۲ 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 است که نمونه های مکعبی آنقدر بلند نیستند تا اثر قید انتهایی مستهلک شود. 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 می شود 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 اتم ها 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
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 مقادیر 0.0001 تا 0.0002 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. همین موضوع است که 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. ترک های 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 نشیمنگاهی 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.
استاندارد ASTM C39 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. 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 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. این موضوع به تشکیل خلل بزرگتر و بنابراین بار شکست کوچکتر منجر خواهد شد.
تاثیر مقدار رطوبت
اکثر استانداردها، نظیر ASTM C39 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
حرارت نمونه در زمان آزمایش بر مقاومت فشاری بتن اثرگذار است. حرارت زیادتر حتی برای بتن هایی که در شرایط استاندارد یکسان عمل آوری شده اند، موجب کاهش مقاومت می شود. 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 انجام آزمایش مقاومت فشاری بتن:
طبق مطالبی که تا به اینجا مطرح شد، مشخص شد که مقاومت فشاری (Compressive Strength) 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.
مطالب مرتبط:
ساخت و عمل آوری نمونه های بتنی
آزمایش مغزه گیری از بتن (کرگیری)
و در پایان با فیلم آموزشی آزمایش مقاومت فشاری بتن با ما همراه باشید:
