آزمایش مقاومت نفوذ در بتن: همه چیز درباره میله ویندسر

امروزه کارشناسان تکنولوژی بتن از آزمایش‌های غیرمخرب یا NDT برای تعیین مشخصات بتن استفاده می‌کنند. از جمله آزمایش‌های غیرمخربی که برای تعیین مقاومت فشاری نسبی بتن استفاده می‌شود، آزمایش مقاومت نفوذ در بتن است. در این آزمایش، مقاومت فشاری بتن بر اساس عمق نفود یک میله فلزی در بتن تخمین زده می‌شود. در این روش، یک میله یا مته فولادی از سطح بتن با انفجاری ناگهانی به داخل آن پرتاب می‌شود. اگر به دنبال چرایی و نحوه انجام این آزمایش هستید، تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

آزمایش مقاومت نفوذ در بتن چیست؟

در آزمایش‌های نفوذ میله در بتن، مقاومت فشاری بتن از طریق نفوذ یک میله فلزی در بتن تخمین زده می‌شود. در صورتی که شرایط آزمایش استاندارد باشد، میزان نفوذ میله با مقاومت فشاری بتن رابطه معکوس خواهد داشت. این رابطه به مقاومت سنگدانه‌ها نیز بستگی دارد.

 تست مقاومت در برابر نفوذ، مقاومت فشاری بتن را به سرعت مشخص می‌کند. مقاومت بتن با شلیک (پرتاب) یک میله فلزی از طریق سطح بتن با مقدار مشخصی نیرو به دست می‌آید. تست مقاومت بتن در برابر نفوذ میله، سیستمی مدرن برای اندازه‌گیری مقاومت فشاری بتن سخت شده است. در این آزمایش، اندازه‌گیری مقاومت‌های تا ۱۱۰ مگاپاسکال امکان‌پذیر است.

اهداف آزمایش مقاومت نفوذ در بتن

از مهم‌ترین اهداف این آزمایش، می‌توان به تعیین یکپارچگی بتن، تعیین نقاط ضعیف و کم کیفیت یا مناطق آسیب‌دیده و ارزیابی مقاومت در جای بتن اشاره نمود. الزامات و روش این آزمایش روی بتن سخت شده درASTM C 803/ 803M- 97  یا استاندارد بریتانیایی BS 1881 Part 207 آمده است.

روش تست میله ویندسور

دستگاه میله ویندسور، وسیله‌ای برای اندازه‌گیری مقاومت بتن در برابر نفوذ است. این دستگاه، شامل لوازمی مانند محرک فعال باروتی و میله آلیاژی سخت، لوله فشنگ پر شده و عمق‌سنج است که در ادامه به معرفی دقیق‌تر آن‌ها خواهیم پرداخت.

میله نفوذگر

در این آزمایش از یک محرک باروتی به شکل تفنگ برای شلیک میله نفوذگر به بتن استفاده می‌شود. جنس میله نفوذگر از آلیاژی سخت و مقاوم است. عمق نفوذ نیز به مقاومت بتن بستگی دارد. در این آزمایش، میله‌ها در فاصله نزدیک و در گروه سه‌تایی شلیک می‌شوند و مقدار میانگین برای تخمین مقاومت بتن مدنظر قرار می‌گیرد.

حین آزمایش، طول نمایان میله با یک عمق‌سنج کالیبره شده اندازه‌گیری می‌شود، اما ترجیح داده می‌شود ضریب تغییر را بر اساس عمق نفوذ بیان کنید، زیرا مقاومت بتن به عمق نفوذ مربوط است. در این آزمایش، میله فولادی قطری به اندازه ۳/۶ میلی‌متر و طولی به اندازه ۷۳ میلی‌متر و نوک مخروطی شکل دارد.

پشت میله، رشته‌ای و پیچ خورده است و ۶/۱۲ میلی‌متر قطر دارد. نتایج تست میله ویندسور، معمولاً تحت‌تأثیر بافت سطح و رطوبت قرار نمی‌گیرد. با این حال، آسیب به شکل ترک به اعضای باریک و ضعیف وارد می‌شود.

هنگام استفاده از این آزمایش، باید موارد زیر را در نظر گرفت:

• حداقل ۱۵۰ میلی‌متر فاصله از کناره‌های سطح را در نظر بگیرید.
• حداقل ضخامت لازم برای عضو، ۱۵۰ میلی‌متر است.
• ۵۰ میلی‌متر از محل آرماتورها در عضو فاصله در نظر بگیرید، زیرا حضور میلگردهای تقویتی عمق نفوذ را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.
• سرعت اولیه پرتاب میله را ۱۸۳ متر بر ثانیه در نظر بگیرید. ۱% تفاوت در سرعت مجاز است.
• میله باید به صورت عمود بر سطح شلیک شود.

دستگاه اندازه‌گیری

در این آزمایش از تجهیزات اندازه‌گیری مانند کولیس یا عمق‌سنج با دقت ۵/۰ میلی‌متر برای اندازه‌گیری طول نمایان میله نفوذگر استفاده می‌شود. تجهیزات اندازه‌گیری، باید شامل یک صفحه مرجع باشند که روی سطح بتن در سه نقطه با فواصل مساوی و حداقل ۵۰ میلی‌متر از میله نفوذگر قرار گیرند.

دستگاه موقعیت‌یابی

در این آزمایش از یک دستگاه منفرد یا یک دستگاه مثلثی شکل با سوراخ در سه گوشه برای موقعیت‌یابی، هدایت میله نفوذگر و دستگاه شلیک استفاده می‌شود.

الزامات نمونه برداری در آزمایش مقاومت نفوذ در بتن

بتن مورد آزمایش باید مقاومت کافی داشته باشد تا میله بیش از نصف ضخامت عضو بتنی در آن نفوذ نکند.

• حداکثر فاصله بین مناطق آزمایش، ۱۷۵ میلی‌متر است.
• حداقل فاصله بین مناطق آزمایش، ۱۰۰ میلی‌متر است
• حداقل فاصله بین بتن و لبه سطح بتنی، ۱۰۰ میلی‌متر است.
• یک آزمایش متشکل از حداقل سه میله نفوذ کرده در یک منطقه آزمایشی مشخص است.

ارتباط طول بیرون مانده میله نفوذگر با مقاومت فشاری بتن

در آزمایش مقاومت در برابر نفوذ بتن، میزان طول بیرون مانده میله، مبنای تخمین مقاومت فشاری بتن است. بر اساس مطالعات آزمایشگاهی انجام شده، رابطه‌ای خطی بین طول بیرون مانده میله و مقاومت فشاری بتن وجود دارد.

در این آزمایش، نوک میله میان سنگدانه و خمیر سیمان نفوذ می‌کند، از این رو ویژگی‌های این جزء در میزان نفوذ میله و نتایج آزمایش تأثیرگذار است. به عبارت دیگر، نوع و مقدار سنگدانه در تعیین رابطه بین میزان نفوذ و مقاومت در برابر نفوذ با مقاومت فشاری بتن، نقش عمده و تعیین‌کننده‌ای دارد.

مراحل انجام آزمایش مقاومت نفوذ در بتن

• دستگاه تعیین موقعیت را روی سطح بتن، در محل مورد آزمایش بگذارید.
• میله نفوذ را در دستگاه قرار دهید.
• دستگاه شلیک را در دستگاه موقعیت‌یابی قرار دهید.
• میله را به داخل بتن شلیک کنید.
• دستگاه موقعیت‌یابی را بردارید و با یک چکش کوچک روی آن ضربه آرامی بزنید تا مطمئن شوید محکم جاسازی شده است.
• صفحه مرجع اندازه‌گیری را روی میله نفوذ قرار دهید و آن را طوری بگذارید که بدون تکان یا حرکت دیگر روی سطح بتن محکم شود.

ملاحظات آزمایش مقاومت نفوذ در بتن

هنگام انجام این آزمایش، موارد زیر را در نظر بگیرید:

• اگر میله نفوذگر به صورت مورب نسبت به سطح بتن نفود کند، چهار مورد اندازه‌گیری با فاصله مساوی در اطراف و موازی با آن میله مورب انجام شده و با متوسط‌گیری نتیجه نهایی اعلام می‌شود.
• اگر میله نفوذگر به طور محکم در بتن قرار نگرفته باشد، آزمایش معتبر نیست و باید تکرار شود.
• به طور مشابه، اگر بازه عمق نفوذ برای سه آزمایش در بتن ساخته شده با حداکثر اندازه سنگدانه ۲۵ میلی‌متر بیشتر از ۴/۸ میلی‌متر و در بتن ساخته شده با حداکثر اندازه سنگدانه ۵۰ میلی‌متر، بیشتر از ۷/۱۱ باشد، آزمایش باید تکرار شود.
• هنگامی که آزمایش‌ روی بتن‌هایی با چگالی کمتر یا مساوی ۲۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب یا روی تمام بتن‌هایی با مقاومت کمتر از ۱۷ مگاپاسکال انجام ‌شود، باید مقدار انرژی اعمالی از تفنگ به میله نفوذگر کاهش یابد یا از میله نفوذ با قطر بزرگ‌تر و یا از هر دو روش استفاده شود.

عوامل مؤثر بر نتایج آزمایش مقاومت نفوذ در بتن

جنس سطوح مورد آزمایش که ممکن است با قالب‌بندی چوبی یا فولادی تشکیل شده باشد، بر نتیجه آزمایش مقاومت نفوذ در بتن مؤثر است. از این رو برای توسعه روابط همبستگی باید آزمونه‌های مورد استفاده در شرایط مشابه به بتن مورد استفاده در سازه موجود ساخته شوند. علاوه بر این، مقاومت بتن و جنس سنگدانه‌های درشت‌دانه بر نتایج این آزمایش مؤثر است.

بیشتر بخوانید: آزمایش های درشت دانه بتن

نتایج آزمایش مقاومت نفوذ در بتن

مقاومت بتن در برابر نفوذ با اندازه‌گیری طول نمایان میله‌های نفوذگر رانده شده در بتن محاسبه می‌شود. برای تخمین مقاومت بتن، لازم است بین مقاومت نفوذ در بتن و مقاومت فشاری بتن رابطه برقرار شود.

چنین رابطه‌ای باید برای یک دستگاه آزمایش معین، با استفاده از مصالح و نسبت‌های اختلاط مشابه مصالح و طرح اختلاط مورد استفاده در سازه به دست آید. می‌توان از فرآیندها و روش‌های آماری ارائه شده در استاندارد ACI 228.1R برای توسعه و استفاده از روابط مقاومتی بهره گرفت.

همان‌گونه که پیش‌تر اشاره شد، آزمایش مقاومت نفوذ میله در بتن، یکی از آزمایش‌های نیمه مخرب بتن است که با استفاده از آن می‌توان مقاومت فشاری بتن را تخمین زد. در این آزمایش، یک جسم نفوذگر با مشخصات معین و با نیروی مشخص به داخل بتن رانده می‌شود.

طول بیرون مانده و نفوذ نکرده در بتن، معیاری از مقاومت فشاری بتن مورد آزمایش است. از این آزمایش می‌توان برای تخمین مقاومت فشاری بتن در سازه‌های موجود و تعیین یکپارچگی بتن استفاده نمود. برخی تحقیقات نشان می‌دهند آزمایش نفوذ میله از نظر دقت شبیه آزمایش چکش ضربه‌ای است. لذا این آزمایش نباید جایگزین آزمایش تعیین مقاومت فشاری نمونه‌های استوانه‌ای بتن شود، لیکن برای تعیین مقاومت تقریبی بتن در محل سودمند است.