مقاومت خمشی بتن: روش آزمایش، محاسبه و راهکارهای افزایش مقاومت خمشی

مقدار مقاومت بتن در برابر خم شدن قبل از شکستن یا ترک خوردن را مقاومت خمشی بتن گویند. این آزمایش به صورت غیر مستقیم مقاومت کششی و مدول الاسیسیته بتن را نیز تعیین می‌کند. به نوعی می‌توان گفت انجام این آزمایش برای یافتن بعد ضعیف بتن و نیاز تقویت بتن با آرماتور یا دیگر افزودنی‌های بتن طراحی می‌شود. ضعف بتن در خمش و کشش مهم‌ترین محدودیت پیش روی مجریان و طراحان سازه بتنی می‌باشد. به همین دلیل نیازی به وارد کردن نیروی کششی به بتن به صورت مستقیم وجود ندارد.

آزمایش مقاومت خمشی بتن برای بررسی ترک و عواقب انقباض و جمع شدگی بتن بسیار مهم است.

روش انجام آزمایش مقاومت خمشی بتن

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 توضیح داده شده است. مهم‎‌ترین تفاوت این دو روش افت مقاومت ۱۵% در روش یک نقطه‌ای نسبت به سه نقطه‌ای است. در واقعیت نیز هر چه میزان بار وارده زیاد شود این اختلاف بیشتر خواهد شد.

دستگاه بار گذاری آزمایش مقاومت خمشی بتن
دستگاه بار گذاری آزمایش مقاومت خمشی بتن

رطوبت و شرایط عمل‌آوری بتن مهم ترین موارد در کسب مقاومت خمشی بتن هستند. برای تست این مقاومت معمولا مکعبی به ابعاد ۱۵۰*۱۵۰*۷۵۰ میلی‌متر دورن دستگاه قرار گرفته و مقاومت آن آزموده خواهد شد. اگر دستگاه جوابگوی این ابعاد نبود باید یک بعد حداقل سه برابر ابعاد دیگر باشد. توجه داشته باشید این تست بلافاصله پس از خروج نمونه از آب باید انجام شود.

آزمایش مقاومت خمشی بتن به روش سه نقطه ای
آزمایش مقاومت خمشی بتن به روش سه نقطه ای

ابتدا حدود ۳ تا ۶ درصد بار به نمونه وارد شده و پیوسته 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 نمونه ها

D میانگین عمق نمونه ها

برای کاهش خطا این آزمایش بر روی چند نمونه انجام شده و یک عدد به صورت میانگین اعلام می‌شود. 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.

بیشتر بخوانید  عملکرد چسب بتن: آشنایی با ویژگی‌های چسب بتن و روش استفاده آن!

 

فرمول مقاومت خمشی بتن

به صورت کلی مقاومت خمشی از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

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

شکل نمونه در میزان مقاومت خمشی بسیار مهم است. مثلا مقاومت نمونه مکعبی ۱٫۲۵ برابر نمونه استوانه‌ای با همان قطر و ارتفاع ۲ برابر است. پس ابعاد و شکل نمونه یک عامل قوی در تعیین مقاومت بتن است.

Fc-Cube(150*150*150)  = Fc-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

یک معیار برای مقاومت کششی قطعات بتنی است. مقاومت خمشی و کششی میزان نیرو و تنش قابل تحمل یک عضو بتنی را تعیین می‌کند. مدول گسیختگی بتن را 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. شناخت کیفیت بتن با این آزمایش خیلی به دقت بالایی خواهد رسید.

چون مدول گسیختگی در اثر اعمال تنش خمشی رخ می‌دهد. هر دو نیروی کششی و خمشی هم‌زمان در حال وارد شدن هستند. پس کاملا ضعف بتن در برابر ترک خوردن و گسیختگی آشکار خواهد شد. این مدول بسیار تحت تاثیر سنگدانه بتن و اندازه آن است. این شاخص برای پیش بینی دقیق رفتار بتن در شرایط بحرانی است. در واقع قضاوت سازه بتنی با این مدول بسیار امری راحت 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.

فرمول مدول گسیختگی بتن در صورت خطی بودن تنش ها
فرمول مدول گسیختگی بتن در صورت خطی بودن تنش ها

آیین نامه ACI رابطه زیر را توصیه کرده است:

Fr=0.62λ(Fc)

معمولا مقاومت کششی بتن را بین ۰٫۰۸ تا ۰٫۱۵ مقاومت فشاری آن در نظر می‌گیرند.

برخی دیگر نیز برای اطمینان بیش‌تر مدول شکافت هم بررسی می‌کنند. یک نمونه استوانه‌ای تحت بار تا گسیختگی بارگذاری می‌شود.

بیشتر بخوانید  افزودنی‌ عمل‌آوری بتن چه کاربردی دارند و روش استفاده از آن چگونه است؟

 

رابطه‌ی مقاومت خمشی و فشاری در بتن

معمولا در آزمایشگاه با تست نمونه فشاری و خمشی یک فرمول کلی برای هر بتن به دست می‌آید.اما رابطه زیر تقریب خوبی برای مواردی که در طراحی الزامات خاصی وجود ندارد؛ استفاده می‌شود:

Fr مقاومت خمشی بتن و  مقاومت فشاری بتن هستند.

برای مقاومت خمشی نیز فرمول های 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 Fc 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 تخلخل خمیر سیمان را تعیین می‌کند. تخلخل یک عامل اصلی در مقاومت خمشی سیمان است. مثلا سیمان تیپ ۳ زودتر از تیپ ۱ با آب واکنش داده و تخلخل سیمان تیپ ۳ در سنین اولیه کم‌تر و مقاومت آن بیش‌تر است.

پس متوجه شدیم که تخلخل عامل ضعف ملات سیمان در خمش خواهد بود. در نتیجه کنترل هوای مخلوط تازه و هوای سیمان خشک شده عامل مهمی در تعیین مقاومت خمشی است. استاندارد ملی ایران شماره ۳۹۳ به بررسی مقاومت سیمان پرداخته است.

برای تست مقاومت خمشی سیمان ساخت نمونه با نسبت ۱ آب و ۲ سیمان و ۶ قسمت ماسه را تحت شرایط مناسب مخلوط کرده و در قالب مناسب ریخته تا تحت بارگذاری قرار دهیم. در این روش ابتدا آب و سیمان مخلوط شده و بعدا ماسه اضافه خواهد شد. ابعاد توصیه شده ۴۰*۴۰*۱۶۰ میلی‌متر است. برای تعیین مقاومت خمشی نمونه بهتر است قالب در ۲ دقیقه پرشود. در تست ۲۸ روزه نهایتا 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

مقاومت بتن بسیار تحت تاثیر عوامل مختلف بوده و یک پارامتر تک بعدی نیست. برخی از عوامل موثر در مقاومت به شرح زیر است:

  1. تخلخل در بتن و میزان هوای بتن
  2. حالت بارگذاری و شکست بتن
  3. مشخصات و خواص مصالح
  4. نسبت آب به سیمان
  5. نوع سیمان مصرفی
  6. مقاومت و شکل سنگدانه
  7. مواد افزودنی بتن
  8. شرایط عمل آوری
  9. زمان
  10. رطوبت
  11. دمای محیط
بیشتر بخوانید  انواع الیاف بتن: 10 نوع الیاف پر استفاده در بتن و کاربرد هر یک از آن‌ها

طراحی بتنی که با تغییر در میزان مصرف مصالح مقاومت بیشینه کسب کند؛ بهترین روش افزایش مقاومت است. ولی این روش با محدودیت در کسب مقاومت همراه است. با این روش نهایتا به مقاومت ۲۵ یا ۳۰ مگاپاسکال می‌رسید. عمل آوری و رطوبت بتن هم در این روند کسب مقاومت تاثیر بسزایی دارد. ولی همه این موارد تا یک حدی مقاومت بتن را افزایش خواهد داد.

راهکار جدید برای کسب مقاومت چند برابری بتن نسبت به حالت معمولی استفاده از مواد افزودنی بتن است. موادی مثل روان کننده بتن و ژل میکروسیلیس و چسب بتن یک افزودنی فوق العاده برای کسب مقاومت‌های بسیار زیاد هستند. برخی مواد نظیر الیاف بتن که مکمل این مواد هستند در حدی مقاومت را افزایش می‌دهند که از این مواد به جای آرماتور هم می‌توان استفاده کرد.

البته در بحث مقاومت در بتن زودگیری سیمان یک عامل دیگر است که شاید کم‌تر مورد توجه قرار گیرد. پس کاربرد سیمان اصلاح شده تندگیر یک عامل افزایش مقاومت به خصوص در سنین اولیه بتن است. افزودنی‌های ضدیخ که سبب تندگیری می‌شوند نیز در این روش بسیار موثر هستند. البته استفاده زیاد از این مواد سبب جمع شدگی در اثر خشک شدن و کاهش مقاومت در برابر خوردگی خواهد شد.

کاربرد بتن با مقاومت خمشی بالا

وقتی بتنی با مقاومت فشاری بالا تولید شود در پی آن مقاومت خمشی آن هم افزایش می‌یابد. بتنی که مقاومت فشاری آن از ۴۰ مگاپاسکال فراتر رود بتن پر مقاومت محسوب می‌شود. یکی از کاربردهای بتن با مقاومت بالا ساخت سازه‌های مرتفع است. اهمیت مقاومت بتن در سازه‌های بیش از ۳۰ طبقه نیازمند بتنی ویژه است.

در سازه‌های ویژه چون نیاز به سختی زیاد در طبقه است. اگر بتن مقاومت مناسبی نداشته باشد. ابعاد قطعات و اعضای بتنی بسیار زیاد خواهد شد. در صنایع بتن پیش ساخته با افزایش مقاومت بتن سرعت قالب برداری بالا رفته و سرعت تولید قطعات زیاد می‌شود.

ساخت عرشه‌های بزرگ بتنی و سقف‌های بتنی بدون ستون نیاز به بتن با مقاومت زیاد دارد. ساخت سازه بتنی که نیاز به دوام خیلی زیاد دارد و در شرایط محیطی شدید لرزه‌ای و یا بادی مثل سازه توربین بادی، نیازمند بتن با شکل پذیری بالا است.

ساخت بتن با مقاومت خمشی بالا در صنعت پل سازی
ساخت بتن با مقاومت خمشی بالا در صنعت پل سازی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

پیام در واتساپ
به کمک نیاز دارید؟
سلام
چطور میتونم کمکتون کنم؟