نمونه های آزمایش مقاومت بتن
آیین‌نامه ساختمانی ACI 318 توصیه می‌کند که هر آزمایش متشکل از دو نمونه آزمایشی ۲۸ روزه باشد. اکثر مشخصات یک آزمایش در هر m3 110 بتن از هر رده یاکسری از آن که در یک روز ریخته شود را لازم می‌دانند.هنگامی که مقاومت بتن به عنوان معیار پذیرش تعیین می‌شود، نمونه‌های بتنی باید مطابق آزمایش ASTM C72 که قبلاً تشریح شد، گرفته شوند و نمونه‌های آزمایشی مطابق ASTM C31 ساخته و در آزمایشگاه عمل‌آوری شوند. نمونه‌های آزمایشی اضافی که به طور کامل در شرایط کارگاهی عمل‌آوری و مقاومت لازم جهت قالب‌برداری یا مقاومت پیش‌تنیدگی مورد استفاده قرار گیرند. روش اصلاحی ریختن مغزه‌های درجا همراه با روش‌های خاص بیرون کشیدن جهت تعیین مقاومت فشاری به منظور کنترل مورد آخر به کار گرفته شده است.
نمونه‌های فشاری: روش قالب‌گیری نمونه‌های استوانه‌ای در ASTM C31 تشریح شده است. مراحل زیر خلاصه‌ای از روش قالب‌گیری نمونه‌های استوانه‌ای استاندارد با قطر mm150 و ارتفاع mm300 می‌باشند:
۱- نمونه بایستی ترجیحاً هنگام بتن‌ریزی گرفته شود.
۲- قالب‌ها مطابق ASTM C470 می‌توانند قالب‌های فولادی قابل استفاده مجدد یا مقوایی پوشش‌دار یک بار مصرف باشند.
۳- قالب‌ها را روی یک سطح صاف، محکم و افقی قرار دهید.
۴- قالب‌ها را در سه لایه پٌر کنید و هر لایه را ۲۵ مرتبه به طور یکنواخت با میله استاندارد به قطر mm16 بکوبید. هر لایۀ را چنان با میله بکوبید که میله فقط به میزان mm12.5 در لایۀ زیرین فرو رود. هنگامی که برای یک آزمایش تعداد دو نمونه استوانه‌ای یا بیشتر می‌سازید، ابتدا لایۀ زیرین تمام نمونه‌های استوانه‌ای را بریزید و با میله بکوبید. سپس لایه دوم تمام نمونه‌های استوانه‌ای و در انتها لایۀ سوم را بریزید. اگر لازم است به جهت از بین بردن کلیه حفرات، بعد از کوبیدن هر لایه، به اطراف قالب‌ها ضربه بزنید.
۵- در لایه آخر باید اندکی بتن اضافی ریخت. پس از کوبیدن و ضربه زدن، بتن اضافی را به کمک شمشه تمیز کنید.
۶- در بتن‌های با اسلامپ پایین (کمتر از mm75) جهت تراکم بتن در قالب‌های استوانه‌ای می‌توان از روش لرزان داخلی یا خارجی استفاده نمود. قالب در دو لایه که هر لایه بایستی بدون جداشدگی با اندازه کافی ارزانده و متراکم شود، پٌر می‌شود. هنگامی که از لرزاندن داخلی استفاده می‌گردد، دستگاه لرزاننده که قطر آن باید کمتر از mm37.5 باشد، بایستی در یه نقطه مختلف هر لایه گذاشته شود و نباید با اطراف یا کف قالب برخورد کند. هنگامی که لایه دوم لرزانده می‌شود، دستگاه لرزاننده بایستی mm25 در لایه اول فرو رود. وقتی از لرزاندن خارجی استفاده می‌شود، قالب بایستی به نحو مناسب در مقابل سطح یا دستگاه لرزاننده نگه داشته شود. بتن اضافی به همان روش بیان شده برای نمونه‌هایی که با میله کوبیده می‌شوند، بایستی تمیز گردد.
طی ۲۴ ساعت اول، نمونه‌ها بایستی در دمایc16 تا c27 نگهداری و برای جلوگیری از تبخیر آب، پوشانده شوند. نمونه‌هایی که در قالب‌های مقوایی قالب‌گیری شده‌اند. نباید طی ۲۴ ساعت اول با ماسه مرطوب یا گونی مرطوب یا دیگر روش‌هایی که منجر به جذب آب توسط قالب مقوایی می‌شوند، تماس داشته باشند. این نمونه‌ها را می‌توان با صفحات پلی اتیلنی و سپس با گونی خیس پوشانید. نمونه‌های استوانه‌ای طی ۲۴ ساعت اول نباید تکان داده یا جابه جا شوند. به جهت حفظ دمای مورد نیاز، بایستی از محفظۀ نگهداری عایق استفاده نمود. در هوای سرد می‌توان از لامپ روشن درون محفظه و در هوای گرم از ماسه مرطوب یا گونی خیس استفاده کرد. با استفاده از یک دماسنج حداکثر- حداقل می‌توان دمای داخل محفظه را کنترل کرد. هنگامی که آزمایش‌های مقاومت معیار پذیرش بتن هستند، نمونه‌های آزمایشی بایستی در سن ۱۶ تا ۲۴ ساعت از قالب خارج شوند و در اتاق رطوبت در دمای c1.7 ± ۲۳ همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، نگهداری شوند.
در اتاق رطوبت، آب آزاد بایستی دائماً سطح نمونه‌ها را بپوشاند. لیکن آب روی سطوح جریان نداشته باشد. اگر اتاق رطوبت در دسترس نیست، می‌توان نمونه‌های استوانه‌ای را در آب آهک اشباع با درجه حرارت فوق قرار داد. جهت حصول اطمینان از شرایط مناسب عمل‌آوری، می‌توان نمونه‌ها را به یک آزمایشگاه مجهز انتقال داد. هنگام انتقال نمونه‌ها به آزمایشگاه باید آنها را به اندازه کافی در مقابل شکستن محافظت کرد.
هنگام ساخت نمونه‌های استوانه‌ای باید روی آنها به نحو مناسب برچسب زد و کلیه اطلاعات مربوط به بتن که لازمه شناسایی نمونه است، را ثبت کرد. توصیه می‌شود که از برچسب‌های فلزی که با سیم‌های نازکی به نمونه‌ها متصل می‌شوند و به ترتیب شماره‌گذاری شده‌اند، استفاده گردد. این طریقه شماره‌گذاری امکان کنترل همۀ نمونه‌ها در پروژه معین را فراهم می‌کند. اطلاعات مربوط به نمونه‌ها که براساس شماره نمونه به صورت جداگانه ضبط می‌شوند بایستی شمل نام پروژه، نسبت‌های اختلاط، تاریخ، اسلامپ، میزان هوا، دما، موقعیت در سازه، سن نمونه هنگام آزمایش و نام شخص سازنده نمونه‌ها باشد.
سطح فوقانی و تحتاتی نمونه‌های آزمایش فشاری باید با تغییرات mm 0.05 صاف باشند و هر سطح با اختلاف °۰٫۵ بر محور نمونه عمود باشد (حدود mm 3 در mm 300). همان طور که در شکل زیر دیده می‌شود، به جهت دست یافتن به این کیفیت، معمولاً لازم است که هر دو سطح قالب‌های یک بار مصرف را کلاهک‌گذاری کرد. کلاهک‌گذاری بایستی مطابق ملزوماتی که در ASTM C617 به تفصیل بیان شده‌اند باشد:
۱- کلاهک‌ها بایستی به اندازه‌ای که قابل اجرا باشد (mm 3 تا mm 8) نازک باشند و از مواردی با مقاومت فشاری بالاتر از بتن ساخته شوند. کلاهک نباید بیش از mm 1.5 نسبت به منوه خروج از مرکزیت داشته باشد.
۲- مصالح کلاهک‌گذاری می‌تواند سیمان پٌرتلند هیدراته نشده، سیمان پٌرآلومین، اندود گچی با مقاومت بالا نظیر هیدروکال[۱] یا هیدروستون[۲] یا ترکیبات گوگردی باشد. برخی ترکیبات با خواص مناسب در دسترس هستند. نباید از پلاستر پاریسی معمولی[۳] استفاده کرد.
۳- پس از اینکه نشست بتن پایان یافت و قبل از اینکه بتن سخت شود، سطوح فوقانی نمونه‌هایی که در قالب‌های فلزی ریخته شده اند را می‌توان با یک لایه نازک از خمیر سیمان پٌرتلند هیدراته نشده کلاهک‌گذاری کرد.
۴- طح فوقانی نمونه‌های سخت شده بایستی با یکی از مصالح فوق کلاهک‌گذاری شود تا سطحی صاف با تغییرات مجاز حاصل آید. در هر شرایطی کلاهک بایستی قبل از آزمایش، MPa 35 مقاومت کسب کند. معمولاً ترکیبات گوگردی برای کسب این مقاومت نیاز به ۲ ساعت زمان دارند.
روش آزمایش نمونه‌های مقاومت فشاری که در شکل زیر نشان داده شده است، در ASTM C39 بیان گردیده است.
برخی نکات مرتبط با این آزمایش به شرح هستند:
۱- نمونه‌های استوانه‌ای بایستی به محض اینکه از نظر اجرایی ممکن باشد، پس از پایان عمل‌آوری و هنگامی که هنوز مرطوب هستند. مورد آزمایش قرار گیرند.
۲- برای اندازه‌گیری قطر نمونه‌ها بایستی متوسط دو قطر که با زاویۀ قائمه نسبت به هم در نزدیکی مرکز نمونه اندازه‌گیری شده‌اند، را محاسبه و آن را به نزدیکترین mm 0.25 گرد کرد.
۳- نمونه بایستی در امتداد مرکز صفحه فوقانی اعمال نیروی دستگاه آزمایش قرار گیرد. صفحات اعمال نیروی فک‌ها باید با تغییرات mm 0.25 مسطح باشند، فک کروی اعمال نیرو بایستی در بالا باشد و قطر آن حداقل مقدار اندکی بزرگتر از قطر نمونه استوانه‌ای باشد. قطر فک تحتانی بایستی حداقل برابر قطر نمونه بوده اما می‌تواند بزرگتر باشد. فک اعمال نیروی فوقانی باید قادر باشد به راحتی بچرخد و در هر جهت اندکی کج شود. بارگذاری باید به صورت پیوسته و با سرعت مشخص (۱۵۳ تا min/KN 383 برای نمونه‌های استوانه‌ای mm 300 mm´۱۵۰ در دستگاه‌های هیدرولیکی، یا min/mm1.25 در دستگاه‌های مکانیکی) انجام شود. مطابق استاندارد ASTM C39 استفاده از دستگاه‌های دستی مجاز نمی‌باشد.
۴- گزارش نتایج آزمایش مقاومت فشاری باید بار نهایی و مقاومت گرد شده به نزدیکترین MPa 0.1 را ارائه دهد. علاوه بر آن، سن نمونه هنگام آزمایش، مقاومت مشخصه بتن و هر گونه رخداد غیرطبیعی بایستی گزارش شود. برخی مشخصات الزام می‌کنند که گزارش بایستی نوع شکست نظیر «مخروطی» یا «برشی» را نیز مشخص کند. به نظر می‌رسد این اطلاعات از اهمیت خاصی برخوردار نیستند.
مقاومت کششی دونیم شدن: مقاومت کششی دونیم شدن نمونه‌های استوانه‌ای بتنی به عنوان روش دقیق تعیین مقاومت کششی واقعی بتن در نظر گرفته می‌شود. مطابق ACI 318-89 (ملزومات آیین‌نامه ساختمانی ACI در مورد بتن مسلح) هنگامی که بتن سازه‌ای یا سنگدانه سبک مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌توان مقاومت کششی دونیم شدن حقیقی را در محاسبه تنش‌های مجاز، به کار برد.
روش تعیین مقاومت کششی دونیم شدن در ASTM C496 بیان شده است. برخی نکات مرتبط با این آزمایش عبارتنداز:
۱- اندازه نمونه‌های آزمایشی و نحوۀ قالب‌گیری و عمل‌آوری آنها مانند نمونه‌های آزمایش مقاومت فشاری می‌باشد. هنگامی که این آزمایش برای ارزیابی بتن سبک مطابق استاندارد ACI 318-89 مورد استفاده قرار می‌گیرد، هشت نمونه که در سن ۲۸ روز آزمایش می‌شوند بایستی در شرایط خشک شده در هوا باشند. این نمونه‌ها بایستی ۷ روز به صورت مرطوب عمل‌آوری شوند و سپس ۲۱ روز در دمای c1.7 ± ۲۳ و در رطوبت نسبی ۵ ±۵۰ درصد خشک شوند (مطابق ASTM C330).
۲- دستگاه آزمایش، همان دستگاه آزمایش مقاومت فشاری نمونه‌های استوانه‌ای بتنی می‌باشد. اگر فک اعمال بار تحتانی یا صفحه اعمال بار فوقانی کوچکتر از طول نمونه استوانه‌ای مورد آزمایش باشد، بایستی از یک تسمه اضافی برای اعمال بار استفاده کرد. این تسمه باید ماشین کاری شود تا سطح صافی با دقت mm0.025 داشته باشد. عرض آن حداقل باید mm50 باشد و ضخامت آن کمتر از فاصلۀ لبۀ فک اعمال بار کروی یا مستطیلی از انتهای نمونه استوانه‌ای نباشد. تسمه باید به گونه‌ای مورد استفاده قرار گیرد که بار روی تمام طول نمونه استوانه‌ای اعمال شود.
۳- هنگام آزمایش باید دو نوار باریک تکیه‌گاهی[۴] با ضخامت اسمی mm3 از تخته چندلا، به عرض تقریباً mm25 و طول مساوی یا اندکی بزرگتر از نمونه استوانه‌ای در قسمت فوقانی و تحتانی نمونه قرار داد. این نوارهای باریک نباید مجدداً مورد استفاده قرار گیرند.
۴- قبل از قراردادن نمونه در دستگاه آزمایش، خطوط قطری روی هر انتهای نمونه بایستی با استفاده از وسیله‌ای مناسب رسم شوند تا از قرارگرفتن آنها در یک صفحه محوری اطمینان حاصل آید.
۵- قطر نمونه آزمایشی با متوسط‌گیری از سه قطر و گرد کردن آن به نزدیکترین mm0.25 و طول نمونه با متوسط گیری از دو طول و گرد کردن آن به نزدیکترین mm2.5، اندازه‌گیری می‌شود.
۶- نمونه استوانه‌ای، نوارهای باریک تکیه گاهی و تسمه اعمال بار[۵] بایستی به گونه‌ای قرار گیرند که صفحه گذرنده از دو خط قطری از مرکز تسمه اعمال بار فوقانی بگذرد و دقیقاً زیر مرکز اعمال فشار فک‌های کروی باشند.
۷- بارگذاری بایستی به صورت پیوسته و بدون اعمال ضربه انجام شود. سرعت ثابت بارگذاری برای نمونه‌های mm 300 mm´۱۵۰، بین ۵۱ تا min/KN 102 می‌باشد.
۸- مقاومت کششی دونیم شدن نمونه‌های آزمایشی براساس رابطۀ زیر محاسبه می‌شود:
که در آن:
T= مقاومت کششی دونیم شدن (MPa)
=P حداکثر بار اعمالی نشان داده شده به وسیله دستگاه اعمال بار (N)
I= طول نمونه (mm)
d= قطر نمونه (mm)
۹- در گزارش مقاومت کششی دونیم شدن بایستی مقاومت محاسباتی به نزدیکترین MPa 0.05 گرد شود. این گزارش همچنین باید شامل شماره شناسایی، قطر و طول نمونه به میلی‌متر بار نهایی به کیلونیوتن، نسبت تخمینی درشت‌دانه‌هایی که هنگام آزمایش شکسته‌اند، سن نمونه، سابقه عمل‌آوری، نقایص نمونه و نوع شکست باشد.
نمونه‌های خمشی: همان استاندارد ASTM C31 شامل روش ساخت و عمل‌آوری نمونه‌های آزمایش خمش نیز می‌باشد. مراحل انجام آزمایش به اختصار در زیر آمده است:
۱- قالب‌های تیر باید صلب، آن‌بند، و غیرجاذب باشند. ابعاد تیر برای بتن با اندازۀ اسمی سنگدانه‌ها تا mm 50 برابر با mm 500 ´۱۵۰´۱۵۰ می‌باشد.
۲- هنگامی که اسلامپ بتن مساوی یا بیشتر از mm 75 است، قالب‌های تیر بایستی در دو لایه مساوی پٌر شوند و هر لایه به کمک کوبیدن متراکم گردد. در بتن با اسلامپ بین mm25 و mm75، بتن را می‌توان به کمک لرزان یا میله کوبی متراکم نمود. بتن با اسلامپ کمتر از mm25 باید لرزانده شود.
۳- تکرر ضربات هر لایه، یک ضربه در هر cm2 12.5 سطح می‌باشد. پس از میله کوبی، اطراف و دو انتها با یک ابزار مناسب نظیر ماله بنایی صاف می‌شوند. در صورت لزوم، برای از بین بردن حفرات باید به اطراف قالب ضربه زد.
۴- هنگامی که بتن لرزانده می‌شود، برای حصول اطمینان از تراکم بتن بدون جداشدگی، لرزاننده باید به طور یکنواخت در بتن قرار گیرد. فواصل اعمال لرزاننده درونی نباید از mm 150 تجاوز کند.
۵- پس از تراکم بتن، سطح فوقانی بتن با شمشه تمیز و با ماله چوبی یا منیزیمی پرداخت می‌گردد. بایستی از پرداخت بیش از حد سطح بتن اجتناب نمود و تمهیدات مناسب جهت شناسایی نمونه را فراهم کرد.
۶- برای جلوگیری از هدر رفتن آب بتن، باید سطح تیر را با یک صفحه، پلاستیک یا دو لایه گونی مرطوب پوشاند. کلیه شرایط دیگری که برای ساخت نمونه‌های مقاومت فشاری تشریح شد، بایستی رعایت شوند.
۷- در تیرهایی که به جهت کنترل مخلوط آزمایشگاهی ساخته می‌شوند یا معیار پذیرش بتن هستند، نمونه‌ها را ۲۰ تا ۴۸ ساعت پس از قالب‌گیری از قالب خارج نموده و مانند نمونه‌های استوانه‌ای عمل‌آوری کنید، به استثنای اینکه بایستی نمونه‌ها را حداقل ۲۰ ساعت قبل از آزمایش در آب آهک اشباع با دمای °C1.7 ±۲۳ نگهداری کرد.
ASTM C78 نحوۀ آزمایش خمش را بیان می‌کند. ملاحظات عمومی که بایستی رعایت شوند، به شرح زیر می‌باشند:
۱- بارگذاری در نقاط یک سوم و دو سوم تیر در دهانه‌ای معادل سه برابر عمق تیر اعمال می‌شود. لذا، در تیرهای با مقطع mm 500 mm´۱۵۰، دهانه mm 450 خواهد بود و نقاط اعمال بار هر کدام به فاصلۀ mm 75 از مرکز تیر قرار می‌گیرند.
۲- دستگاه اعمال بار باید بتواند نیرو را به صورت عمودی و بدون خروج از مرکزیت به نحوی که نیرو و عکس‌العمل‌های تکیه گاهی موازی بمانند، به تیر اعمال کند.
۳- نمونه‌ها باید به مدت حداقل ۴۰ ساعت قبل از آزمایش در آب قرار گیرند. نمونه‌ها هنگام آزمایش ضرورتاً بایستی مرطوب نگه داشته شوند. یکنواختی شرایط مرطوب سازی ضروری است. اگر یک سمت تیر خشک باشد، نتایج را به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد.
۴- تیرها باید در طرفین که هنگام ساخت با قالب در تماس بوده‌اند، بارگذاری شوند. اگر نقاط اعمال بار به طور کامل با تیر تماس ندارند، بایستی از کلاهک‌گذاری یا واشرهای لاستیکی استفاده نمود. سرعت بارگذاری در تیر mm 150 mm´ ۱۵۰ به میزان min/KN 8100 می‌باشد. محاسبات براساس اندازه‌گیری ابعاد تیر در محل شکست، با دقت mm 2.5 صورت می‌پذیرد.
۵- اگر شکست در یک سوم میانی طول دهانه رخ دهد، مقاومت خمشی به عنوان مدول گسیختگی به صورت زیر محاسبه می‌شود.
که در آن:
=P حداکثر نیروی اعمالی (N)
I= طول دهانه (mm)
b= عرض متوسط نمونه (mm)
d= عمق متوسط نمونه (mm)
شکست‌های خارج از یک سوم میانی طول دهانه، در نظر گرفته نمی‌شوند.
[۱] – Hydrocal
[۲] – Hydrostone
[۳] – Ordinary piaster of paris
[۴] – Bearing strips
[۵] – Bearing bar
