آزمایش بیرون کشیدگی بتن سخت شده (Pull Out)

مقاومت چسبندگی در سازه‌های بتن مسلح، اهمیت ویژه‌ای دارد. یکی از روش‌های تعیین مقاومت چسبندگی، استفاده از آزمایش Pull Out یا بیرون کشیدگی است. این آزمایش مبتنی بر تعیین مقاومت بیرون کشیدگی بتن سخت شده با تعیین نیروی لازم برای بیرون کشیدن فلز جای‌گذاری شده در یک نمونه یا سازه بتنی است. در این مقاله از بلاگ رامکا قصد داریم ضمن معرفی آزمایش بیرون کشیدگی بتن، به بررسی کاربردهای دیگر آن نظیر تخمین مقاومت فشاری و… بپردازیم.

آزمایش Pull Out بتن یا بیرون کشیدگی بتن چیست؟

آزمایش Pull Out برای اولین بار در سال ۱۹۳۴ مورد استفاده قرار گرفت و بعدها در سال ۱۹۷۰، توسط مالهوترا توسعه یافت. در آزمایش بیرون کشیدگی بتن، با استفاده از تجهیزاتی نیروی کششی لازم برای بیرون کشیدن یک قطعه فلزی از درون بتن تولید می‌شود که منجر به کنده شدن قسمتی از بتن به صورت مخروط ناقص می‌گردد.

تصویر زیر، نمای شماتیک این آزمایش را نشان می‌دهد. از آن‌جا که زاویه گسیختگی بتن در این آزمایش به زاویه اصطکاک بتن نزدیک است، نیروی بیرون کشیدگی رابطه‌ای مستقیم با مقاومت فشاری بتن دارد.

روابط همبستگی بین نیروی بیرون کشیدگی و مقاومت فشاری بتن با اندازه‌گیری نیروی مورد نیاز برای بیرون کشیدن یک دیسک یا نفوذگر فلزی از داخل بتن به دست می‌آید.

دیسک فلزی یا در بتن تازه یا با حفاری درون بتن سخت شده قرار داده می‌شود. ‌روش‌های آزمایش بیرون کشیدگی، داده‌هایی برای تخمین سایر پارامترهای مقاومتی بتن به دست نمی‌دهد. طبق استاندارد ASTM C900، تنها سیستم یکاهای متحد SI در این روش‌ها مورد پذیرش است.

روش انجام آزمایش Pull Out بتن

تجهیزات این آزمایش مطابق با شکل زیر، شامل یک قطعه فلزی (دیسک)، تجهیزات حفاری و نقب‌زنی، حلقه تکیه‌گاه و سیستم بارگذاری است.

همان‌طور که گفته شد، دیسک فلزی مورد نظر ممکن است پیش از تست در بتن تازه جای‌گذاری شده باشد یا در بتن سخت شده قرار داده شود. برای اندازه‌گیری مقاومت بیرون کشیدگی فلز جای‌گذاری شده در بتن، عمل بیرون کشیدن با استفاده از جک و حلقه تکیه‌گاه انجام می‌شود.

بارگذاری باید با سرعت یکنواخت ۵ کیلونیوتن بر ثانیه و بدون شوک انجام شود. مقاومت بیرون کشیدگی با اندازه‌گیری حداکثر نیروی لازم برای بیرون کشیدن فلز از توده بتن محاسبه می‌شود. از سوی دیگر، دیسک فلزی به اندازه مشخصی تحت بارگذاری قرار می‌گیرد تا از حصول حداقل مقاومت بیرون کشیدگی اطمنیان حاصل شود.

حداکثر نیروی به دست آمده باید با دقت ۰٫۰۵ کیلونیوتن یا سه رقم اصلی بیان شود. بر اساس استاندارد ملی ۲-۳۲۰۷، تجهیزات این آزمایش باید دارای ویژگی‌ها و ابعاد مشخصی باشند که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

• قطعه فلزی (دیسک): قطعه فلزی لزوماً به بتن تازه آسیب نمی‌زند و دارای ضخامت و استحکام کافی برای اجتناب از تغییرشکل در طول آزمون است. بر اساس استاندارد ملی ۲-۳۲۰۷، قطر سر دیسک فلزی باید ۰٫۱±۲۵ میلی‌متر بوده و اطراف آن هموار باشد. دسته دستگاه که ممکن است قابل برداشتن باشد، باید قطری کمتر از ۰٫۶ قطر سر داشته باشد و طولش باید به گونه‌ای باشد که سطح خارجی سر در عمقی مشابه سطح زیرین بتن قرار گیرد. این قطعه ممکن است داخل بتن کار گذاشته شود یا روی بتن سخت شده در شکاف قرار بگیرد.
• قطعات ممکن است با یک ماده لغزنده اندود شده باشند تا از اتصال با بتن جلوگیری شود و همچنین ممکن است به منظور جلوگیری از چرخیدن در بتن در آن‌ها شکاف ایجاد شده باشد. قطعات مخصوص استفاده در سوراخ‌های حفاری شده، باید بتوانند تا ۰٫۱±۲۵ میلی‌متر باز شوند.
• تجهیزات حفاری و نقب‌زنی: در مواردی قطعه فلزی پیش از بتن‌ریزی داخل بتن کار گذاشته نمی‌شود و باید از تجهیزات ویژه برای حفاری و افزایش قاعده حفره استفاده شود.

• حلقه تکیه‌گاه: این حلقه به صورت قرینه روی سطح بتن و اطراف محور قطعه قرار داده می‌شود. قطر داخلی آن ۰٫۱±۵۵ میلی‌متر و قطر خارجی آن ۰٫۱±۷۰ میلی‌متر است.
• سیستم بارگذاری: این سیستم قادر به اعمال یک نیروی کششی روی قطعه است. سیستم بارگذاری باید به گونه‌ای باشد که اطمینان دهد حلقه تکیه‌گاه، متمرکز بر دسته قطعه است و بار به صورت عمودی بر صفحه قطعه اعمال می‌گردد. بر اساس استاندارد ۷-۳۲۰۱، سامانه بارگذاری باید مجهز به ابزار نمایشگر حداکثر نیروی به کار رفته با دقت ۲% دامنه کاری قابل پیش‌بینی باشد. مقیاس یا صفحه نمایش، باید وسیله‌ای برای ثبت حداکثر نیروی به کار رفته داشته باشند. همچنین سامانه بارگذاری باید دو بار در سال و هرگاه که عملکرد آن مورد تردید قرار گیرد، کالیبره شود.

بیشتر بخوانید: کنترل و بازرسی بتن

منطقه انجام آزمایش

منطقه انجام آزمایش از دو جهت باید مورد توجه قرار گیرد، موقعیت نمونه و تعداد آزمون‌ها. در مورد موقعیت نمونه باید توجه داشت بر اساس استاندارد ملی ۷-۳۲۰۱، مراکز موقعیت‌های آزمون باید حداقل ۲۰۰ میلی‌متر از هم فاصله داشته باشند. این مراکز باید حداقل ۱۰۰ میلی‌متر از لبه بتن نیز دور باشند.

قطعات باید طوری قرار داده شوند که کل تقویت در خارج از سطح ناقص مخروطی قرار گیرد؛ به اندازه حداقل یک قطر یا حداکثر اندازه سنگدانه، هر کدام که بیشتر است. حداقل ضخامت بتنی که باید آزمون شود، ۱۰۰ میلی‌متر است.

تعداد آزمون‌ها به تنوع بتن، هدف آزمون و دقت مورد نیاز بستگی دارد و باید یک محوطه یا بخشی از یک ساختار را نشان دهد.

برای جلوگیری از میانگین گرفتن هر یک از نتایج، باید دقت زیادی به خرج داد؛ چنانچه اختلافات میان آن‌ها نشان‌دهنده اختلافات واقعی در مقاومت ناشی از عواملی مانند تنوع در شرایط عمل ‌آوری بتن یا پیمانه‌های بتنی باشد.

انواع آزمایش بیرون کشیدگی بتن

آزمایش بیرون کشیدگی بتن، عموماً به دو روش LOK و CAPO انجام می‌شود. اصول آزمایش Pull Out به روش‌های LOK و CAPO بر آن استوار است که تجهیزات آزمایش با تولید نیروی کششی برای بیرون کشیدن قطعه فلزی، داده‌هایی تولید می‌کنند که همبستگی بسیار بالایی با مقاومت فشاری بتن خواهند داشت.

آزمایش LOK

اصول تست LOK، همانند آزمایش بیرون کشیدگی بتن است. روابط همبستگی با اندازه‌گیری نیروی مورد نیاز برای بیرون کشیدن یک دیسک فلزی جای‌گذاری شده در بتن با قطر ۲۵ میلی‌متر به دست می‌آید. دیسک فولادی در زمان بتن‌ریزی به عمق ۲۵ میلی‌متر در بتن تازه فرو می‌رود.

دیسک فولادی باید دقیقاً در بتن جاسازی شود تا فضای خالی و هوا زیر دیسک فولادی ایجاد نشود. میله معمولاً پیش از بتن‌ریزی به دیسک فولادی متصل می‌شود. هنگام آزمایش، میله برداشته شده و یک پیچ فولادی به دیسک متصل می‌گردد.

پس از گذشت مدت زمان عمل‌آوری، دیسک فولادی ۲۵ میلی‌متری با استفاده از جک هیدرولیکی هم‌مرکز با دیسک فولادی با قطر ۵۵ میلی‌متر کشیده می‌شود و تا زمانی که شکستگی بتن رخ دهد، بارگذاری ادامه پیدا می‌کند. هنگامی که دیسک فولادی تست LOK بیرون کشیده ‌شود، یک قطعه تقریباً مخروطی شکل از بتن استخراج شده و نیروی بیرون کشیدگی اندازه‌گیری می‌شود.

این آزمایش برای تخمین مقاومت در سنین پایین انجام می‌شود تا مقاومت فشاری با کمک منحنی کالیبراسیون مشخص شود. این منحنی با آزمایشات آزمایشگاهی و میدانی انجام شده روی آزمونه‌های مکعبی بتنی و بیرون کشیدن نمونه‌های درجا با رده‌های مقاومتی متفاوت تهیه می‌شود. در تصاویر زیر، مراحل این آزمایش نشان داده شده است.

آزمایش CAPO

اصول آزمایش CAPO نیز مانند آزمایش بیرون کشیدگی بتن است. این روش با نام تست Cut And Pull Out نیز شناخته می‌شود. در تست برش و بیرون کشیدگی یا CAPO، از یک حلقه فولادی استفاده می‌شود که در یک شیار فرو رفته و در عمق ۲۵ میلی‌متری باز می‌شود و مانند تست LOK در برابر فشار متقابل کشیده می‌شود.

شیار در تست CAPO، با مته الماسی یا مته بزرگ در بتن ایجاد می‌شود. این روش، به نوعی آزمایش توسعه یافته روش LOK است. در این روش، دیسک فولادی منبسط شونده با استفاده از حلقه تکیه‌گاهی با قطر ۵۵ میلی‌متر و با استفاده از جک کشیده می‌شود.

عوامل مؤثر بر آزمایش Pull Out بتن

برای نوع مشخصی از بتن و تجهیزات آزمایش، مقاومت بیرون کشیدگی ممکن است به آزمایش مقاومت فشاری ارتباط داده شود. چنین روابطی به عواملی مانند دیسک فلزی جای‌گذاری شده، ابعاد حلقه تکیه‌گاه، عمق نفوذ دیسک و نوع سنگدانه (سبک‌دانه یا معمولی) بستگی دارد.

پیش از استفاده، روابط بایستی برای هر نوع سیستم آزمایش و مخلوط بتنی جدید توسعه داده شوند. اگر آزمونه‌های آزمون بیرون کشیدگی و آزمونه‌های آزمون مقاومت فشاری ابعاد یکسانی داشته باشند و به اندازه معینی متراکم و در شرایط یکسانی عمل‌آوری شوند، روابط قابل اطمینان‌تر خواهند بود. در صورت قرار گرفتن دیسک در بتن سخت شده، می‌‌توان از نتایج آزمایش بیرون کشیدگی برای تخمین مقاومت بتن در سازه‌های موجود استفاده نمود.

کاربردهای آزمایش Pull Out بتن

آزمایش بیرون کشیدن بتن برای تخمین مقاومت بتن در محل، به منظور اهداف زیر استفاده می‌شود:

• ارزیابی قابلیت بهره‌برداری و تخمین مقاومت سازه‌های بتنی موجود
• تعیین مقاومت بتن، جهت اجرای عملیات پس‌کشیدگی
• تعیین زمان مناسب بازکردن قالب‌ها و شمع‌ها، بر اساس مقاومت واقعی بتن در محل
• اتمام عمل‌آوری بتن، بر اساس رسیدن به مقاومت فشاری هدف (مطلوب)

علاوه بر موارد مذکور، از آزمایش بیرون کشیدگی بتن پس از نصب، جهت تخمین مقاومت بتن در سازه موجود نیز استفاده می‌شود.

رابطه بین نیروی بیرون کشیدن و مقاومت بتن

مقداری نیروی لازم برای بیرون کشیدن یک دیسک قرار داده شده در فاصله‌ای ثابت، زیر سطح بتن محاسبه می‌شود. رابطه میان مقاومت و نیروی بیرون کشیدن برای دستگاهی که قرار است مورد استفاده قرار گیرد، باید به صورت آزمایشی تعیین شود.

اثبات شده برای یک نوع خاص از دستگاه، رابطه بین نیروی بیرون کشیدن و مقاومت فشاری مشابه طیف وسیعی از مخلوط های بتنی است و می‌توان از یک وابستگی عمومی با دقت منطقی استفاده کرد. با توجه به تأثیر سبک‌دانه بودن سنگدانه‌ها بر نتایج آزمایش، لازم است برای بتن‌های سبک وزن روابط مخصوصی به دست آورد.

هنگامی که از یک رابطه عمومی استفاده می‌شود، برآورد مقاومت فشاری با دقت ۹۵% غیرمحتمل است و بهتر است حدود %۲۰± میانگین چهار نتیجه معتبر را در نظر گرفت. هنگامی که آماده‌سازی ویژه انجام شود و ارتباط برای نوع بتن مناسب باشد، می‌توان نتایج را با حدود %۱۰± برآورد کرد. مقاومت بیرون کشیدن را می‌توان با استفاده از رابطه زیر به دست آورد:

f_P =F/A

که در آن f_P نیروی بیرون کشیدن بر حسب مگاپاسکال، F نیروی کششی بر حسب نیوتن و A مساحت سطح شکستگی برحسب میلی‌متر مربع است که بر اساس فرمول زیر محاسبه می‌شود:

A=1/4π(d₃+d₂) [4h²+ (d₃-d₂)2]

که در آن d₂ قطر داخلی، بر حسب میلی‌متر، سر قطعه کشی (۲۵ میلی‌متر)، d₃ قطر داخلی بر حسب میلی‌متر، از حلقه تکیه‌گاه ( ۵۵ میلی‌متر) و h فاصله از سر قطعه کششی به سطح بتن است.

مشتری موقعیت نمونه‌برداری	سازمان آزمون‌کننده شرایط آب و هوایی
نوع تجهیزات
بتن/ سازه مشخصات موقعیت مناطق آزمون جزئیات بتن و شرایط آن __ __
مقدمات آزمون بتن تحت بار شکست یا تحمل کرد
نتایج آزمون
نقاط آزمون	نیرو اندازه‌گیری شده بر حسب کیلو نیوتن
هر گونه انحراف از این استاندارد
مسئول فنی نام و نام خانوادگی سمت امضا	مشخصات گزارش آزمون شماره گزارش آزمون تاریخ صدور

دانلود PDF: نمونه گزارش آزمون بیرون کشیدگی بتن سخت شده

در این مقاله، ضمن معرفی یکی از آزمون‌های نیمه مخرب بتن، یعنی تست Pull Out یا آزمایش بیرون کشیدگی بتن، به بررسی کاربردها، انواع و روش‌های انجام آن پرداختیم. این آزمایش نتایجی به دست می‌دهد که با استفاده از روابط همبستگی خاص می‌توان به مقاومت فشاری بتن دست یافت.

اما باید توجه داشت این آزمایش هیچ‌گاه به دقت آزمایش مقاومت فشاری نخواهد بود و عدد به دست آمده برای مقاومت فشاری بتن، صرفاً یک تخمین است. لذا در مواردی که نیاز به بر‌آورد یا اطمینان از رسیدن بتن به سطح خاصی از مقاومت وجود دارد، می‌توان از آزمایش بیرون کشیدگی بتن استفاده نمود.