مقاومت خمشی بتن: روش آزمایش، محاسبه و راهکارهای افزایش

مقدار مقاومت بتن در برابر خم شدن، پیش از شکستن یا ترک خوردن را مقاومت خمشی بتن می‌گویند. آزمایش تعیین مقاومت خمشی به صورت غیرمستقیم، مقاومت کششی و مدول الاستیسیته بتن را تعیین می‌کند؛ به نوعی که می‌توان گفت انجام این آزمایش برای یافتن بُعد ضعیف بتن و نیاز تقویت بتن با آرماتور یا دیگر افزودنی‌های بتن طراحی شده است. در این مقاله از بلاگ رامکا قصد داریم ضمن معرفی مقاومت خمشی بتن، به بررسی روش آزمایش و همچنین، روش‌های افزایش این مقاومت بپردازیم. پس با ما همراه باشید.

روش انجام آزمایش مقاومت خمشی بتن

از آن‌جا که ضعف بتن در خمش و کشش، مهم‌ترین محدودیت پیش روی مجریان و طراحان سازه بتنی است، لازم است میزان مقاومت خمشی بتن محاسبه شود؛ چرا که آزمایش مقاومت خمشی بتن جهت بررسی ترک و عواقب انقباض و جمع شدگی بتن بسیار حائز اهمیت است.

برای تعیین مقاومت خمشی بتن، یک نمونه‌ در سنین مشخص از روش بار سه نقطه‌ای و یک نقطه‌ای مشخص می‌شود. این دو آزمایش در استاندارد ASTM شماره C78 و C293 به طور کامل تبیین شده است. مهم‎‌ترین تفاوت این دو روش، افت مقاومت ۱۵ درصدی در روش یک نقطه‌ای نسبت به سه نقطه‌ای است. در واقعیت نیز هر چه میزان بار وارده بیشتر شود، این اختلاف افزایش پیدا می‌کند.

رطوبت و شرایط عمل‌آوری بتن، مهم‌ترین عامل در کسب مقاومت خمشی بتن هستند. برای آزمایش این مقاومت، لازم است مکعبی در ابعاد ۱۵۰*۱۵۰*۷۵۰ میلی‌متر در دستگاه قرار گیرد و مقاومت آن آزموده شود. در صورتی که دستگاه جوابگوی این ابعاد نبود، باید یک بعد حداقل سه برابر ابعاد دیگر باشد. نکته‌ای که باید به آن توجه کنید اینکه این تست باید بلافاصله پس از خروج نمونه از آب انجام شود.

بیشتر بخوانید: روند کسب مقاومت در بتن

ابتدا حدود ۳ تا ۶% بار به نمونه وارد شده و دائماً به این مقدار افزوده می‌شود تا نمونه گسیخته شود. آهنگ افزایش بار ۰٫۱ تا ۰٫۲ مگاپاسکال بر ثانیه، توصیه استاندارد انگلستان است. برای تعیین مقاومت خمشی از فرمول زیر استفاده می‌شود:

• MR: مقاومت خمشی نمونه
• P : نیرو گسیختگی
• L : طول نمونه
• B : میانگین عرض نمونه‌ها
• D : میانگین عمق نمونه‌ها

برای کاهش خطا، لازم است این آزمایش را روی چند نمونه انجام دهید و عددی را به صورت میانگین اعلام کنید. فرمول ذکر شده برای شکست در خارج از یک سوم میانی است. اگر شکست در یک سوم میانی رخ دهد، ضریب فرمول برداشته شده و محاسبات انجام می‌شود.

فرمول مقاومت خمشی بتن

به صورت کلی مقاومت خمشی از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

در این رابطه شرط اصلی، وقوع ترک بین دو تکیه‌گاه میانی است. در فرمول بالا، M میزان لنگر ماکزیمم وارده، y فاصله مرکز جسم تا سطح آن، I اینرسی سطح جسم، P نیروی وارده و b هم عرض سطح جسم است.

شکل نمونه در میزان مقاومت خمشی بسیار حائز اهمیت است؛ برای مثال مقاومت نمونه مکعبی ۱٫۲۵ برابر نمونه استوانه‌ای با همان قطر و ارتفاع ۲ برابر است. پس ابعاد و شکل نمونه، عاملی قوی در تعیین مقاومت بتن است.

F_c-Cube (150*150*150) = F_c-Cylindrical (150*150*300) * 1.25

پس اگر مقاومت نمونه استوانه‌ای ۲۵ مگاپاسکال شود، با تخمین مناسب نمونه مکعبی ۳۰ مگاپاسکال مقاومت خواهد داشت.

مدول گسیختگی بتن

مدول گسیختگی، معیاری برای مقاومت کششی قطعات بتنی است. مقاومت خمشی و کششی، میزان نیرو و تنش قابل تحمل عضو بتنی را تعیین می‌کند و توسط یک نمونه که طول آن حداقل سه برابر ارتفاعش باشد، تعیین می‌شود.

این مدول کمک زیادی به طراحی المان سازه‌ای می‌کند. با مدول گسیختگی بتن، شناخت رفتار مکانیکی در برابر بارگذاری بهتر می‌شود و با انجام این آزمایش، شناخت کیفیت بتن به دقت بسیار بالایی خواهد رسید، زیرا مدول گسیختگی در اثر اعمال تنش خمشی رخ می‌دهد.

این مدول تحت تأثیر سنگدانه بتن و اندازه آن است و این شاخص برای پیش‌بینی دقیق رفتار بتن در شرایط بحرانی است. در واقع قضاوت سازه بتنی با این مدول، امری بسیار آسان خواهد بود.

روش محاسبه مدول گسیختگی بتن

مدول گسیختگی بتن با توجه به شکل و رابطه زیر محاسبه می‌شود. این رابطه پیشنهادی ASTM C78 است.

آیین‌نامه ACI رابطه زیر را توصیه کرده است:

Fr=0.62⋅λ⋅√(F’c)

به طور معمول، مقاومت کششی بتن را بین ۰٫۰۸ تا ۰٫۱۵ مقاومت فشاری آن در نظر می‌گیرند. برخی دیگر نیز برای اطمینان بیشتر، مدول شکافت را بررسی می‌کنند و یک نمونه استوانه‌ای تحت بار تا گسیختگی بارگذاری می‌شود.

رابطه‌ی مقاومت خمشی و فشاری در بتن

با تست نمونه فشاری و خمشی در آزمایشگاه، فرمولی کلی برای هر بتن به دست می‌آید، اما رابطه زیر تقریب خوبی برای مواردی است که در طراحی آن الزامات خاصی وجود ندارد.

F_r: مقاومت خمشی بتن و مقاومت فشاری.

برای مقاومت خمشی، فرمول‌های متعددی ارائه شده که در ادامه برخی از آن‌ها را مشاهده می‌کنید:

• مقاومت کششی مستقیم:

• مقاومت کششی غیرمستقیم:

• مقاومت کششی نرم (خمشی):

در روابط بالا واحد مقاومت فشاری، F_c مگاپاسکال است. اگر نمونه تحت کشش خالص باشد، عمود بر جهت بارگذاری ترک می‌خورد. در غیر این صورت ترک، موازی نیروی وارده خواهد بود.

مقاومت خمشی سیمان

درجه هیدراسیون سیمان، میزان تخلخل خمیر سیمان را تعیین می‌کند. تخلخل عاملی اصلی در تعیین مقاومت خمشی سیمان است؛ برای مثال سیمان تیپ ۳ زودتر از تیپ ۱ با آب واکنش داده و در نتیجه، تخلخل سیمان تیپ ۳ در سنین اولیه کمتر و مقاومت آن بیشتر است.

پس می‌توان گفت تخلخل، عامل ضعف ملات سیمان در خمش است. در نتیجه کنترل هوای مخلوط تازه و هوای سیمان خشک شده، عامل مهمی در تعیین مقاومت خمشی است. برای تست مقاومت خمشی سیمان، لازم است نمونه‌ای با نسبت ۱ قسمت آب، ۲ قسمت سیمان و ۶ قسمت ماسه را تحت شرایط مناسب مخلوط کرده، در قالب مناسب ریخته و تحت بارگذاری قرار دهید.

در این روش، ابتدا آب و سیمان مخلوط شده و سپس ماسه اضافه خواهد شد. ابعاد توصیه شده ۴۰*۴۰*۱۶۰ میلی‌متر است. برای تعیین مقاومت خمشی نمونه، بهتر است قالب در ۲ دقیقه پُر شود. در تست ۲۸ روزه، نهایتاً بعد از ۸ ساعت خروج از رطوبت باید تست شود. در این روش اگر نمونه‌ای بیش از ۱۰% میانگین با دیگر نمونه‌ها تفاوت داشته باشد، باید میزان آن از کل داده‌ها حذف شود.

راهکارهای افزایش مقاومت خمشی بتن

همان‌طور که می‌دانید مقاومت بتن تحت‌تأثیر عوامل مختلف بوده و پارامتری تک بُعدی نیست. برخی از عوامل مؤثر در مقاومت به شرح ذیل است:

• تخلخل در بتن و میزان هوای بتن
• حالت بارگذاری و شکست بتن
• مشخصات و خواص مصالح
• نسبت آب به سیمان
• نوع سیمان مصرفی
• مقاومت و شکل سنگدانه
• مواد افزودنی بتن
• شرایط عمل‌آوری
• زمان
• رطوبت
• دمای محیط

طراحی بتنی که با تغییر در میزان مصرف مصالح، مقاومت بیشینه کسب کند، بهترین روش افزایش مقاومت است؛ اما این روش با محدودیت در کسب مقاومت همراه است، چرا که با این روش فقط می‌توان به مقاومت ۲۵ یا ۳۰ مگاپاسکال دست یافت.

همان‌طور که می‌دانید عمل‌آوری و رطوبت بتن نیز در روند کسب مقاومت تأثیر بسزایی دارد، اما تمام این موارد تا حدی مقاومت بتن را افزایش می‌دهد. راهکار جدید برای کسب مقاومت چند برابری بتن نسبت به حالت معمولی، استفاده از انواع افزودنی بتن است؛ موادی مثل روان کننده بتن، ژل میکروسیلیس و چسب بتن، افزودنی‌های فوق‌العاده‌ای برای افزایش مقاومت بتن هستند. بعضی مواد نظیر الیاف بتن نیز مکمل این مواد هستند و تا حدی مقاومت را افزایش می‌دهند که از این مواد به جای آرماتور هم می‌توان استفاده نمود.

البته در بحث مقاومت بتن، زودگیری سیمان نیز فاکتوری مهم است؛ چرا که بکارگیری سیمان اصلاح شده تندگیر، بخصوص در سنین اولیه بتن، سطح مقاومت بتن را افزایش می‌دهد. در این میان، افزودنی‌های ضدیخ بتن نیز سبب تندگیری می‌شوند. البته نباید این مطلب را از نظر دور داشت که استفاده بیش از حد این مواد، سبب جمع شدگی در اثر خشک شدن و کاهش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.

کاربرد بتن با مقاومت خمشی بالا

همان‌طور که می‌دانید با افزایش مقاومت فشاری، مقاومت خمشی نیز افزایش می‌یابد. بدین‌ترتیب، بتنی که مقاومت فشاری آن بیش از ۴۰ مگاپاسکال باشد، بتن پر مقاومت محسوب می‌شود.

یکی از کاربردهای بتن با مقاومت بالا، ساخت سازه‌های مرتفع با بیش از ۳۰ طبقه است. در این سازه‌ها، چون نیاز به سختی زیاد در طبقه است، در صورتی که بتن مقاومت مناسبی نداشته باشد، ابعاد قطعات و اعضای بتنی زیاد می‌شود. در صنایع بتن پیش‌ساخته نیز با افزایش مقاومت بتن، سرعت قالب‌برداری بیشتر شده و در نتیجه، سرعت تولید قطعات نیز بیشتر می‌شود. البته نباید این مطلب را از نظر دور داشت که دیگر سازه‌ها مثل عرشه‌های بزرگ بتنی، سقف‌های بتنی بدون ستون و توربین‌های بادی نیز نیازمند بتنی با مقاومت بالا و شکل‌پذیری مناسب هستند.

بیشتر بخوانید: مقاومت بتن

همان‌طور که گفته شد ضعف بتن در خمش و کشش، مهم‌ترین محدودیت طراحان سازه بتنی است. از این رو نیازی به ورود مستقیم نیروی کششی به بتن وجود ندارد. در این مقاله تلاش شد ضمن تبیین روش‌های محاسبه مقاومت خمشی بتن، راهکارهای افزایش مقاومت خمشی بتن نیز تبیین شود. امیدواریم با مطالعه این مقاله بتوانید بتنی با کارایی مناسب برای ساخت سازه‌های گوناگون تولید نمایید.