استاندارد تعیین مقاومت بتن

1- هدف

این استاندارد درباره ی ارزیابی بتن براساس روش هایی که در لایه سطحی بتن شکست موضعی ایجاد می کنند ، توصیه هایی را ارائه می دهد. این توصیه ها شامل روش های آزمایشی به شرح زیر است :

الف- آزمایش بیرون کشیدن

ب- آزمایش کشیدن از سطح

2- کلیات

باید توجه داشت ، روش هایی که در این استاندارد ارائه شده است فقط کیفیت بتن ، در نزدیک سطح را نشان می دهد و احتمال دارد که بتن در لایه سطحی نماینده ی بتن در عمق های بیشتر نباشد. احتمال دارد که لایه سطحی بتن توسط عوامل مخرب ، مانند آتش سوزی ، یخ یزدگی ف نفوذ عناصر شیمیایی و غیره آسیب دیده باشد. در چنین موارد ، لایه سطحی بتن نماینده ی توده بتن نیست و نباید از روش های ارائه شده در این استاندارد برای ارزیابی مقاومت بتن در سازه استفاده شود. مگر آنکه منظور از آزمایش ارزیابی مقاومت لایه آسیب دیده باشد.

3- دامنه ی کاربرد

3-1 تخمین مقاومت بتن در سازه

برای تخمین مقاومت بتن در سازه می توان از روش های «نزدیک به سطح» استفاده کرد. رابطه ی بین نتایج آزمایش و مقاومت فشاری بتن به صورت منحنی توسط سازنده دستگاه ارائه می شود که به منحنی همبستگی عمومی موسوم است. برای تخمین مقاومت بتن ، استفاده از منحنی همبستگی عمومی بلامانع است ولی برای طرح بزرگ و با اهمیت توصیه می شود که از منحنی همبستگی خاص استفاده گردد. نحوه ی تهیه منحنی همبستگی خاص در بند 7 ارائه شده است.

3-2 بررسی همگنی (یکنواختی) بتن

تعیین قسمت هایی از عضو سازه ای که از لحاظ کیفیت متفاوت هستند با استفاده از روش های نزدیک به سطح امکان پذیر است. همچنین این آزمایش ها برای بررسی یکنواختی بتن در بین اعضای یک سازه قابل استفاده است. برای این منظور باید آزمایش روی بتن های مشابه از نظر سن و شرایط رطوبت انجام گردد. به طور کلی ، این روش ها را ی توان برای بررسی یکنواختی بتن های درجا و پیش ساخته به کار برد.

3-3 تعیین مقاومت پیوستگی

به منظور تعیین مقاومت پیوستگی بین مصالح تعمیری و بتن سازه ، روش های نزدیک به سطح موثر و مناسب است.

3-4 تعیین روند خرابی

در مواردی که انتظار می رود خرابی سطح بتن در طول زمان افزایش یابد می توان با انجام دادن آزمایش های نزدیک به سطح به صورت دوره ای ، روند خرابی را معین کرد.

3-5 کاربردهای دیگر

برای تعیین زمان قالب برداری ، زمان حمل قطعات پیش ساخته و زمان اعمال نیروی پیش تنیدگی ، آزمایش های نزدیک به سطح مناسب است. این زمانها براساس حداقل مقاومت مورد نیاز در هنگام فعالیت های یاد شده مشخص می شود.

برای کنترل کیفیت یا پذیرش مقاومت بتن ،‌روش های نزدیک به سطح می تواند جایگزین نمونه های مغزه گردد زیرا این روشها نسبت به مغزه گیری سریعتر است و آسیب کمتری به سازه وارد می کند.

4- انتخاب روش آزمایش

انتخاب نوع آزمایش به عوامل متعددی مانند ؛ هدف از آزمایش ، چگونه دسترس به محل آزمایش ، اندازه عضو تحت آزمایش ، دقت مورد انتظار از نتایج و غیره بستگی دارد.

تاکنون تجربیات به دست آمده از انواع روش های ارائه شده براساس بتن هایی است که با حداکثر اندازه سنگدانه 20 میلیمتر ساخته شده اند. در صورتی که اندازه ی سنگدانه در بتن تحت آزمایش بزرگتر از اندازه مذکور است باید نتیجه گیری و ارزیابی با احتیاط همراه باشد.

جدول 1- خلاصه ای از روش های آزمایش نزدیک به سطح

5- آزمایش بیرون کشیدن

5-1 کلیات

ماهیت آزمایش بیرون کشیدن بر این اصل استوار است که حداکثر نیروی کششی که به قطعه نصب شده در داخل بتن اعمال می گردد و قبل از آنکه بتن کسیخته شود با مقاومت فشاری بتن ، همبستگی دارد.

در آزمایش بیرون کشیدن ، زاویه گسیختگی حدود 31 درجه است و از آنجایی که این زاویه حدوداً مساوری زاویه اصطکاک بتن 37 درجه است می توان نتیجه گرفت که نیروی مورد نیاز برای بیرون کشیدن نسبت مستقیم با مقاومت فشاری بتن دارد. به طور کلی تخمین مقاومت بتن براساس آزمایش بیرون کشیدن در مقایسه با آزمایش کشیدن از سطح دارای دقت و قابلیت اطمینان بیشتری است.

معمولاً آزمایش بیرون کشیدن به دو روش انجام می شود :

- نصب در قالب یا آزمایش LOK

- نصب در بتن سخت شده یا آزمایش CaPo

در روش اول ف قطعه فلزی به قالب نصب می شود و سپس بتن ریزی می گردد. بنابراین قبل از ساخت سازه باید نسبت به انجام دادن آزمایش برنامه ریزی شود. در روش دوم ، در بتن سخت شده مته زنی

می شود و در داخل حفره ایجاد شده ، قطعه فلزی تعبیه می گردد. در نتیجه ،‌ این روش از لحاظ تصمیم گیری برای انجام دادن آزمایش در هر سنی از سازه ، انعطاف بیشتری دارد. در شکل 1 قطعه فلزی و خط گسیختگی بتن نشان داده شده است.

شکل 1- آزمایش بیرون کشیدن

5-2 ابزار

5-2-1 مغزی یا قطعه فلزی

این قطعه باید ضخامت و مقاومت کافی را دارا باشد ، که هنگام اعمال نیروی کششی به حد جاری نرسد. در روش نصب در قالب قطعه فلزی از دو قسمت صفحه مهاری و شفت تشکیل شده است.

برای کاهش اصطکاک بدنه مغزی یا بتن، در هنگام آزمایش باید صفحه مهاری دایره ای شکل و شفت مخروطی باشد. معمولاً قطر صفحه ی مهاری 25 میلیمتر و ضخامت آن 1 میلیمتر است. قطر شفت باید کمتر از 6/0 قطر صفحه مهاری باشد. شفت قابل جدا شدن از صفحه مهاری است و هنگام آزمایش با میله مخصوص سیستم بارگذاری جایگزین می شود. برای کاهش پیوستگی بین قطعه مغزی و بتن می توان از ماده جداکننده مانند روغن استفاده کرد و بر روی مغزی اعمال نمود.

در صورتی که از روش نصب در بتن سخت شده استفاد می شود ،‌ قطعه فلزی دارای حلقه منبسط شونده است.

5-2-2 دستگاه مته زنی و گشاد کننده زیرین

دستگاه مته زنی برای ایجاد حفره در بتن استفاده می شود و دستگاه گشاد کننده قطر در انتهای حفره برای گشاد کردن پایین حفره به کار می رود. محل گشاد شده در پایین حفره برای نصب قطعه فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. این دستگاه ها در روش نصب در بتن سخت شده یا Capo کاربرد دارد.

5-2-3 حلقه تکیه گاه

این حلقه بر روی سطح بتن و به صورت متقارن حول محور مغزی قرار داده می شود. قطر داخلی آن 2 تا 4/2 برابر قطر صفحه مهاری و قطر خارجی حلقه حداقل 25/1 برابر قطر داخلی آن است.

5-2-4سیستم بارگذاری

این سیستم قادر است به نحوی نیروی کششی را بر مغزی اعمال کند که نیروی عکس العمل از طریق حلقه تکیه گاه به سطح بتن منتقل شود. هنگام آزمایش باید اطمینان حاصل کرد که حلقه تکیه گاه کاملاً هم محور شفت و نیروی اعمال شده ، کاملاً عمود بر صفحه مهاری است. سیستم بارگذاری باید مجهز به ابزاری باشد که بتواند حداکثر نیروی کششی را با دقت 2 درصد نشان دهد.

5-3 روش آزمایش

5-3-1 نقاط آزمایش

نقاط آزمایش باید حداقل 200 میلیمتر از یکدیگر فاصله داشته باشند. همچنین فاصله مراکز تا لبه عضو بتنی تحت آزمایش باید حداقل 100 میلیمتر باشد. قطعه فلزی باید در وضعیتی نصب گردد که آرماتور خارج از مخروط گسیختگی قرار بگیرد. ضخامت عضو بتنی تحت آزمایش باید حداقل 100 میلیمتر باشد.

5-3-2 نصب قطعه مغزی

در روش نصب در قالب (آزمایش LOK)‌، قطعه مغزی باید به قالب محکم اتصال داده شود. اگر هدف از آزمایش تعیین زمان قالب برداری است باید قسمتی از قالب که قطعه مغزی نصب می شود ، قابل جدا شدن از قالب باشد. قبل از قالب برداری باید از جدا شدن شفت از قالب اطمینان حاصل کرد.

در روش نصب در بتن سخت شده (آزمایش Capo) ، برای نصب مغزی باید در بتن ، حفره ای شود و سپس در پایین حفره نیز شکاف ایجاد گردد. معمولاً قطر حفره باید 18 میلیمتر و عمق آن 45 میلیمتر باشد و شکاف در عمق 25 میلیمتر از سطح بتن و به قط 25 میلیمتر ایجاد گردد. سپس حلقه منبسط شونده در داخل شکاف قرار داده می شود.

5-3-3 بارگذاری

پس از به هم پیوستن سیستم بارگذاری به قطعه مغزی ، بار باید با سرعت یکنواخت اعمال گردد. توصیه می شود ، سرعت بارگذاری 2/0± 5/0 باشد. بارگذاری باید تا گسیختگی بتن ادامه یابد.

5-4 نتایج آزمایش

نتایج باید برحسب مقاومت گسیختگی به کیلو نیوتن و به نزدیکترین KN5/0 گزارش شود.

5-5 رابطه بین مقاومت بتن و نیروی بیرون کشیدن

معمولاً منحنی رابطه همبستگی بین مقاومت بتن و نیروی بیرون کشیدن توسط کارخانه سازنده دستگاه ارائه می شود. این منحنی محدوده ی وسیعی از انواع بتن ها را در بر می گیرد و از دقت کافی برخوردار است. ولی به هر حال برای افزایش دقت در نتایج می توان رابطه همبستگی خاص را برای نوع بتن تحت آزمایش برقرار نمود. اگر برای تخمین مقاومت بتناز منحنی رابطه عمومی استفاده شود ، دقت نتایج 20± درصد است ، ولی در مواردی که منحنی رابطه خاص به کار می رود ،‌دقت در محدوده ی 10± درصد خواهد بود.

6- آزمایش کشیدن از سطح

6-1 کلیات

ماهیت آزمایش کشیدن از سطح بر این اصل استوار است که مقدار نیروی کششی که لازم است بر دیسک فولادی اعمال شود تا دیسک همراه با لایه سطحی بتن جدا گردد ، با مقاومت بتن رابطه همبستگی دارد.

آزمایش کشیدن از سطح به دو روش انجام می شود (شکل 2) :

- بدون مغزه گیری

-با مغزه گیری

در روش بدون مغزه گیری ؛ دیسک فولادی مستقیماً بر سطح بتن متصل می شود. در این حالت فقط سطح بتن تحت تنش قرار دارد و نتایج به دست آمده با مقاومت کل بتن رابطه ضعیفی خواهد داشت.

در روش با مغزه گیری ؛ ابتدا مغزه گیری نسبی (مغزه ای که از بتن جدا نشده است) انجام و سپس دیسک فولادی با چسب مخصوص بر سطح مغزه چسبانده می شود. مزین این روش در ایجاد سطح گسیختگی در عمق بتن است.

   6-2 ابزار

6-2-1 دیسک فولادی

این دیسک باید سطحی کاملاً صاف داشته باشد و برای اتصال بتن از چسب رزین مناسب استفاده شود. سیستم بارگذاری به دیست فولادی متصل می شود و نیروی کششی عمود بر سطح مشترک بتن و دیسک اعمال می گردد. ضخامت دیسک نباید کمتر از 40 درصد قطر آن باشد.

6-2-2 حلقه تکیه گاه

این حلقه وظیفه انتقال نیروی عکس العمل از سیستم بارگذاری به سطح بتن را دارد. حلقه تکیه گاه روی سطح بتن قرار داده می شود به نحوی که هم محور با دیسک فولادی باشد. قطر حلقه باید به اندازه ای باشد که امکان حرکت آزاد به دیسک را بدهد.

6-2-3 سیستم بارگذاری

این سیستم باید قابلیت اعمال نیرو از طریق حلقه تکیه گاه بر دیسک را داشته و مجهز به وسیله نشان دهنده نیرو باشد. همچنین سیستم باید قادر باشد که پس از گسیختگی بتن ، حداکثر نیرو را ثبت کند (به عبارت دیگر درجه نیرو ثابت باقی بماند).

شکل 2- آزمایش کشیدن از سطح

6-3 روش آزمایش

6-3-1 نقاط آزمایش

نقاط آزمایش باید حداقل دو برابر قطر دیست فولادی و از لبه های عضو تحت آزمایش حداقل به اندازه قطر دیسک فاصله داشته باشد. اگر آزمایش بر اساس روش بدون مغزه گیری انجام می شود ، وجود آرماتور در نتیجه آزمایش بی اثر است ، اما در روش با مغزه گیری باید حفره ایجاد شده با آرماتور به اندازه ی بزرگترین سنگدانه فاصله داشته باشد.

6-3-2 آماده سازی

آماده سازی سطح بتن و دیسک فولادی ضروری است تا اتصال مناسب بین آنها برقرار گردد. سطح بتن باید از هر نوع شیره سیمان پاک شود و سپس با وسیله ای مناسب ساییده گردد. سطح دیسک فولادی باید عاری از هر نوع مواد زاید ، مثل گریس و گرد و غبار باشد. باید رزین چسب به صورت لایه ای نازک و یکنواخت بر تمام سطح تماس اعمال شود و چسب اضافی در اطراف دیسک پاک گردد. زمان مورد نیاز برای سخت شدن رزین متفاوت است و بسته به نوع چسب و دما بین 5/1 تا 24 ساعت است.

6-3-3 بارگذاری

سیستم بارگذاری باید به دیسک فولادی متصل گردد و نیرو با سرعت یکنواخت اعمال شود. در هر ثانیه مقدار افزایش تنش باید n/mm2 03/0± 05/0 باشد.

حداکثر نیرو (نیروی گسیختگی) و چگونگی گسیخته شدن (گسیختگی در بتن یا چسب) باید ثبت گردد. اگر گسیختگی در چسب ایجاد شود ، نتیجه آزمایش باید حذف گردد. برای محاسبه تنش کششی باید حداکثر نیرو بر سطح مقطع دیسک تقسیم گردد.

6-4 نتایج آزمایش

نتایج باید برحسب تنش گسیختگی برحسب نیوتن بر میلیمتر مربع و با گرد کردن آن به نزدیکتر  1/0 گزارش شود.

6-5 رابطه بین مقاومت فشاری و نتایج آزمایش

آزمایش کشیدن از سطح باعث گسیختگی کششی در بتن می شود. ولی نتایج بدست آمده را نمی توان مس��قیماً با آزمایش استاندارد مقاومت کششی مساوی دانست. رابطه همبستگی سرعت فشاری و نتایج آزمایش تحت تاثیر نوع سنگدانه ، ضخامت و جنس دیسک است. بنابراین همبستگی خاص برای بتن تحت آزمایش و نوع دیسک ضروری است. ولی در بعضی موارد امکان دارد که منحنی همبستگی عمومی مناسب باشد.

معمولاً نتایج آزمایش به دو روش بدون مغزه گیری و با مغزه گیری مساوی نیست و تحقیقات نشان می دهد که در شرایط آزمایشگاهی ، میانگین نتیجه 6 نمونه دارای دقت 15± درصد است.

7- روش های تهیه منحنی همبستگی بین مقاومت فشاری و نتایج آزمایش نزدیک به سطح

7-1 مقدمه

برقراری رابطه همبستگی بین مقاومت فشاری و نتایج آزمایش های نزدیک به سطح امکان پذیر است. تعیین محدوده ی کاربرد منحنی همبستگی عمومی (تهیه شده توسط سازنده) به آسانی امکان پذیر نیست. ولی به طور کلی توصیه می شود که برای آزمایش بیرون کشیدن در پروژه های حائز اهمیت از منحنی همبستگی خاص استفاده شود و در بقیه موارد استفاده از منحنی همبستگی عمومی بلامانع است. برای آزمایش کشیدن از سطح بهتر است که در اکثر موارد از همبستگی خاص استفاده شود زیرا عوامل متعددی از قبیل نوع سنگدانه در منحنی اثر می گذارد.

برای به دست آوردن منحنی همبستگی خاص باید نمونه های متعددی ساخت و تغییرات در مقاومت نمونه ها باید در محدوده ی مقاومت بتن در سازه باشد. دقت در نتایج به دست آمده از نمونه هاست.

7-2 منحنی همبستگی آزمایشگاهی

برای تهیه منحنی همبستگی تعدادی نمونه بتنی ساخته می شود و روی نمونه ها آزمایش نزدیک به سطح و مقاومت فشاری آن انجام می گرد. مقاومت نمونه ها باید متغیر بوده و در محدوده ی بتن در سازه باشد. نحوه ی عمل آوری نمونه ها باید مشابه عمل آوری بتن در سازه باشد . روش تغییر دادن مقاومت نمونه ها بستگی به هدف دارد. مثلاً اگر روند کسب مقاومت بتن در طول زمان مورد نظر است ، بهتر است که نمونه ها با مقاومت ثابت ساخته شوند و در حد امکان با مقاومت بتن ، در سازه برابر باشد.

در این حالت ، نمونه ها در سنین مختلف تحت آزمایش قرارداده می شوند. اگر منظور از تهیه منحنی همبستگی ، ارزیابی مقاومت بتن در سازه است ، بهتر است که مقاومت نمونه ها متغیر باشد. برای تهیه منحنی نیاز به هشت نقطه (هشت مقاومت مختلف) است. ولی اگر منحنی همبستگی عمومی موجود است می توان تعداد نقاط را کاهش داد.

7-3 منحنی همبستگی سازه ای

بتن نمونه های آزمایشگاهی ممکن است با بتن سازه تفاوت داشته باشد ، در این حالت نتایج به دست آمده چندان دقیق نخواهد بود. در این صورت می توان منحنی همبستگی را با استفاده از مقاومت مغزه ها به دست آورد. به همین منظور تعداد مغزه نزدیک به محل آزمایش نزدیک به سطح تهیه می شود و مقاومت فشاری مغزه ها در آزمایشگاه تعیین می گردد ، سپس رابطه بین نتایج آزمایش نزدیک به سطح و مغزه ها به دست می آید.

8- گزارش

8-1 گزارش باید شامل اطلاعات به شرح زیر باشد :

8-2 اطلاعات ضروری

الف- تاریخ ، زمان و محل آزمایش

ب- شرح سازه و محل آزمایش در سازه ( در صورت نیاز با رسم ارائه شود)

ج- جزئیات بتن و شرایط آزمایش

د- جزئیات آزمایش شامل نوع دستگاه و غیره

هـ- نتایج آزمایش به صورت منفرد و میانگین آنها و ضریب تغییرات در هر محل آزمایش

8-3 اطلاعات اضافی

در صورت اعلام نیاز ، اطلاعات زیر نیز باید گزارش شود :

الف- دقت در تخمین مقاومت ، نوع منحنی همبستگی استفاده شده

ب- نتایج آزمایش های تکمیلی با استفاده از روش های دیگر

ج- ظاهر سطح گسیخته شده و بتن مجاور آن

مراجع :

1- BS 1881, Part 207. “Recommendations for the Assessment of Concrete Strength by Near for Surface Tests”, British Standards Institution, London, 1992.

2- CRC. “Handbook on Destructive Testing of Concrete”, Editor, V.M. Malhotra; N.J. Carino. CRC Prem., 1991.

3- Bungey, G.H. “The Testing of Concrete in Structure”, Surrey University Press, New York, 1989.