آزمایش مقاومت فشاری بتن

آزمایش مقاومت فشاری بتن در آزمایشگاه بچینگ پلانت برای هر دسته ای به منظور حفظ کیفیت مورد نظر بتن در طول مدت عمل آوری تعیین می شود. مقاومت فشاری هر ماده را به صورت مقاومت در برابر خرابی تحت بار فشاری تعریف می کنند. مقاومت فشاری بتن ، پارامتر مهمی جهت تعیین عملکرد مواد در طول مدتی که سرویس دهی می کنند، می باشد. بتن را می توان ترکیبی جهت رفع نیازهای مهندسی و خواص با دوام مورد نیاز آنها، معرفی کرد. برخی از دیگر خواص مهندسی بتن سخت، شامل مدول الاستیسیته، استحکام کششی، ضرایب خزش، چگالی، ضریب انبساط حرارتی و غیره، می باشند.
مقاومت فشاری بتن مهم ترین پارامتر مورد استفاده در طراحی سازه های بتنی است در حالی که بتن مقاومت کششی قابل توجهی ندارد. ایده ساخت ساختمان های بتن مسلح، که در آن فولاد مقاومت کششی مورد نیاز را فراهم کند، بسیار اساسی است. مقاومت فشاری در ارزیابی ساختمان های موجود دارای اهمیت است. مهندسین سازه برای مدلسازی خواص مختلف ، مانند مقاومت کششی ، و پیش بینی ظرفیت خمشی و برشی اعضا ، از مقاومت فشاری استفاده می کنند. دیگر ویژگی های سازه ای مانند شکل پذیری و سختی را می توان همچنین به عنوان تابعی از مقاومت فشاری تعریف کرد.

آزمایش مقاومت فشاری بتن برای محاسبه مقاومت اعضا مورد نیاز است. نمونه های بتن ساخته شده و تحت نیروی فشاری برای به دست آوردن مقاومت فشاری آن، مورد آزمایش قرار می گیرند. مقاومت فشاری با تقسیم بار شکست به مساحت اعمال بار، معمولاً پس از 28 روز از نگه داری و عمل آوری بتن محاسبه می شود. مقاومت بتن، با تناسب بین سیمان، مصالح خوب درشت دانه، آب و مواد افزودنی مختلف، کنترل می شود. هر چه نسبت آب به سیمان کمتر باشد، استحکام فشاری بالاتر خواهد بود. ظرفیت بتن برحسب psi بر اینچ مربع در واحد ایالت متحده و برحسب مگاپاسکال در واحد SI گزارش می شود؛ که معمولاً مقاومت فشاری بتن f_c/f_ck بیان می شود. برای مصارف معمول، مقاومت فشاری بتن بین 1.0 تا60 مگاپاسکال می باشد. برای موارد خاص و در ساختمان ها می توان بتن مخلوط با مقاومت فشاری بیش از 500 مگاپاسکال به دست آورد که معمولاً بتن با مقاومت بالا یا پودر بتن واکنشی نامیده می شود.

اندازه گیری مقاومت فشاری در بتن

آزمایش نمونه های استوانه ای و مکعبی در فشرده سازی، راحت ترین و رایج ترین روش برای اندازه گیری مقاومت است. به عنوان مثال، ASTM C39 یک روش استاندارد برای آزمایش نمونه های استوانه ای بتنی و گزارش نتایج آزمون را فراهم می کند.

ابزار و وسایل

دستگاه تست: دستگاه تست باید دارای دو صفحه فولادی با سطح سخت باشد. یکی از صفحات باید با یک توپ نصب شده در محل استقرار در قالب بخشی از یک کره محکم شود. مرکز آن باید در لحظه قالب ریزی روی نقطه مرکزی سطح قرار گیرد. صفحه فشاری نیز باید از بلوک سخت تهیه شده باشد. هر دو سطح، صفحه باربر باید به عنوان سطوح بزرگتر محسوب شوند و ترجیحاً بزرگتر از اندازه اسمی نمونه ای که تحت بار قرار گرفته است، باشد. خطا بیشتر از 8 درصد از حداکثر بار وارده، مجاز نیست.

سطح باربر صفحات تحت فشار: نباید صفحه از نقاط بیش از 1010میلی متر فاصله داشته باشد و باید هرکدام از آنها نگه داشته شوند و در محدوده 1018 میلی متر تغییر کنند. بخش کروی قرار گرفته روی صفحه فشاری باید در محل کروی نگه داشته شود؛ اما طراحی باید طوری باشد که سطح باربر قادر به دوران و کج شدن از طریق زوایای کوچک در هر جهت باشد.
سن نمونه ها:
معمول ترین حالت سن بتن 28 روز و 7 روز است. این مدت زمان با توجه به میزان آب موجود در نمونه های خشک اضافه می شود.
تعداد نمونه های آزمایش: حداقل سه نمونه ترجیحاً از دسته های مختلف باید برای هر تست در هر مدت زمان مشخص شده، انتخاب شوند.

روش انجام آزمایش مقاومت فشاری در بتن

-ترجیحاً تمام مواد قبل از شروع آزمایش به دمای اتاق (℃3±27) در آمده باشند.
-نمونه های مصالح برای هر دسته از بتن ها باید دارای درجه بندی مطلوب باشند و در یک شرایط هوای خشک قرار داشته باشند. نمونه های سیمان، هنگام ورود به آزمایشگاه، باید کاملاً به صورت خشک مخلوط شوند( یا با دست و یا در میکسر مناسب) به گونه ای که حداکثر امکان ترکیب و یکنواختی در مواد را فراهم کند.
-نسبت مواد از جمله آب در مخلوط بتنی که برای تعیین مواد مناسب موجود استفاده می شود، باید از هر لحاظ مناسب با شرایط و مصالح کار موجود باشد.
-مقدار سیمان، سایز دانه ها و آب برای هر ترکیب باید طبق وزن ، به دقت 0.1 درصد از وزن کل هر دسته اندازه گیری شود.
-در این روش بتن باید برای جلوگیری از ، ازدست دادن آب یا مواد دیگر، با دست یا ترجیحاً با میکسر در آزمایشگاه مخلوط شود.
-نمونه های در آب باید بلافاصله بعد از خارج کردن از آب و تا زمانی که نمونه مرطوب است مورد آزمایش قرار گیرد.

-آب های سطحی و شن ها باید از نمونه ها حذف شده و در هر پروژه ای باید نمونه های خشک شده را حذف و تا مدت 24 ساعت قبل از آزمایش گرفتن در آب قرار داد. ابعاد نمونه نزدیک به mm 2.0 و وزن نمونه را باید قبل از آزمایش یادداشت کرد.
-سطحی از نمونه که تحت بارگذاری قرار می گیرد باید از شن و ماسه، قبل از آزمایش کردن، پاک شود تا در تماس با سطح فشاری باشد. نمونه ها باید به صورتی در دستگاه قرار گیرند که بار در جهت خلاف به آن وارد شود نه در انتها و نه در بالای آن. محور نمونه باید به دقت با تراز وسط مرکز محوری از قالب ریزی و ریخته گری کروی قرار داشته باشد. برای آگاهی از وزن مکعب و چگالی بتن متراکم به جدول زیر رجوع نمایید:

-هیچ پوششی نباید بین سطح نمونه و سطحی از دستگاه که اعمال بار می کند باشد. سطح کروی ایجاد کننده فشار باید به آرامی چرخانده شود تا اینکه سطح یکنواختی ایجاد شود. بار وارده باید بدون وارد کردن شک به طور پیوسته تا رسیدن به مقدار  140kgfcm/min افزایش یابد تا اینکه نمونه به مرز شکستن برسد و دیگر مقدار بار را زیاد نکرده و آن را ثابت می کنیم.
-حداکثر بار اعمال شده به نمونه پس از آن باید ثبت شود و به ظاهر بتن و ویژگی های غیر معمول در نوع شکست باید توجه داشت.

روش های دیگر تعیین مقاومت فشاری بتن

روش غیرمخرب می تواند در تهیه نقشه تغییرات مقاومت فشاری در یک سازه بتنی مفید باشد. برای این کار، ترکیبی از تست التراسونیک (UPV ) و تست چکش اشمیت می تواند برای ارزیابی در محل مقاومت فشاری بتن استفاده می شود. حداقل تعداد هسته بتن باید به منظور کالیبره کردن روش NDT حفر شده باشد. نقشه مقاومت فشاری را می توان با استفاده از روش NDT بر اساس کالیبراسیون سابق تولید شود. یک بررسی جامع در ارزیابی غیر مخرب مقاومت بتن، ارائه می شود.

مبحث 9

نمونه استوانه ای استاندارد به ابعاد 150×300 میلی متر می باشد. در صورت استفاده از آزمونه های مکعبی باید مقاومت آن ها را به مقاومت نظیر آزمونه ها ی استوانه ای تبدیل شود. برای تبدیل مقاومت نمونه های غیر استاندارد به استاندارد از ضرایب r_1 ، r_2 و r_3  استفاده می گردد. (جداول 0-5-1 تا 9-5-3 در آیین نامه)

که در آن r_1 ضریب تبدیل مقاومت نمونه استوانه ای غیر استاندارد به مقاومت نظیر نمونه استوانه ای استاندارد ، r_2 ضریب تبدیل مقاومت نمونه مکعبی به ابعاد غیر 200 میلی متر ، به مقاومت نظیر نمونه مکعبی به ابعاد 200 میلی متر ، r_3 ضریب تبدیل مقاومت نمونه مکعبی به ابعاد 200 میلی متر به مقاومت نظیر نمونه استوانه ای استاندارد،a قطر نمونه استوانه ای و b بعد نمونه مکعبی بر حسب میلی متر است.
مقاومت فشاری مشخصه بتن مقاومتی است که حداکثر 5 درصد تمامی مقاومت های اندازه گیری شده در نمونه های استوانه ای استاندارد بر اساس آزمایش های 28 روزه کمتر از آن باشد.

مقاومت فشاری متوسط

مقاومت فشاری متوسط لازم طبق بند 9-5-3-3-1 باید برابر با بزرگترین مقدار بدست آمده از هر یک از دو رابطه زیر در نظر گرفته شود:

f_cm=f_c+1.34 s+1.5 MPa
f_cm=f_c+2.33 s-4 MPa

که در آن ها :
f_c ، مقاومت فشاری مشخصه بتن، بر اساس آزمونه های استوانه ای بر حسب مگاپاسکال
f_cm مقاومت فشاری متوسط بتن بر حسب مگاپاسکال
S،ضریب انحراف استاندارد مقاومت فشاری آزمونه ها بر حسب مگاپاسکال می باشد.

تعیین انحراف استاندارد

برای تعیین انحراف استاندارد می توان از دو روش استفاده کرد:
اگر از نتایج آماری پروژه های مشابه قبلی استفاده می گردد باید طبق بند 9-5-3-4-1 انحراف استاندارد محاسبه گردد.
منظور از پروژه های مشابه پروژه هایی است که :
– مصالح مصرفی بکار رفته در آن و پروژه موجود از نظر نوع و مشخصات فنی تشابه داشته باشند.
– شرایط نظارت و کنترل کیفیت آن ها و پروژه موجود تشابه داشته باشند.
– مقدار تفاوت در مقاومت فشاری مشخصه بتن در آن ها و پروژه موجود از 5 مگاپاسکال بیشتر نباشد.
در غیر این صورت برای مواردی که اطلاعات آماری وجود ندارد، از روش ارائه شده در بند 9-5-3-4-2 استفاده می شود.

تدوین مدارک مربوط به مقاومت فشاری متوسط

مجموعه مدارکی که نشان می دهند نسبت های پیشنهادی اختلاط، مقاومت فشاری متوسطی ، حداقل معادل مقاومت فشاری متوسط لازم را تأمین می کند، می تواند مشتمل بر پرونده ای از آزمایش های مقاومت در شرایط کارگاهی یا چند پرونده از آزمایش های مقاومت یا مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی باشد.
-پرونده آزمایش های مقاومت باید معرف مصالح و شرایط مورد انتظار در عمل باشد. تغییرات در مصالح و نسبت های اختلاط نباید محدودیتی بیشتر از حدود تعیین شده در طرح مورد نظر داشته باشد. به منظور تدوین مدارکی که نشان دهد مخلوط بتن مقاومت متوسط لازم را خواهد داشت، می توان پرونده ای مشتمل بر حداقل ۱۰ آزمایش متوانی یا ۳۰ آزمایش متفرق را به کار برد مشروط بر آن که این پرونده آزمایش های انجام شده در مدت حداقل ۴۵ روز را در بر گیرد. نسبت های لازم برای اختلاط بتن را می توان بر اساس درون یابی خطی بین مقاومت ها و نسبت های اختلاط ذکر شده در حداقل ۲ پرونده آزمایش، مطابق سایر ضوابط این بند به دست آورد.
– در صورتی که در کارگاه پرونده های قابل قبول از نتایج آزمایش ها موجود نباشد می توان نسبت های اختلاط بتن را براساس مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی و با مراعات شرایط زیر تعیین کرد:
الف- اختلاط مصالح باید همان باشد که در طرح مورد نظر به کار خواهد رفت.
ب- مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی با نسبت های اختلاطی و روانی لازم برای کار مورد نظر باید حداقل با سه نسبت مختلف آب به سیمان یا سه مقدار سیمان ساخته شوند، به طوری که محدوده ای از مقاومت های فشاری متوسط لازم را در بر گیرند.
پ- مخلوط های آزمایشی آزمایشگاهی باید طوری طراحی شوند که اختلاف اسلامپ آنها با مقدار حداکثر مجاز اسلامپ در محدوده ±2 میلیمتر باشد و برای بتن حباب دار، اختلاف مقدار هوا با هوای حداکثر مجاز در محدوده ±0.5 درصد باشد.
ت- برای هر نسبت آب به سیمان یا هر مقدار سیمان باید حداقل سه آزمونه، ساخته و عمل آورده شوند. آزمونه ها باید در سن 28 روزه یا هر سن دیگری که در طرح برای تعیین مقاومت مشخصه بتن مقرر شده آزمایش شوند.
ث- بعد از حصول نتایج آزمایش های فشاری آزمونه ها باید نموداری رسم کرد که رابطه بین نسبت آب به سیمان با مقاومت فشاری در زمان آزمایش را نشان دهد.
ج- حداکثر نسبت آب به سیمان یا حداقل مقدار سیمان برای بتن مورد استفاده در طرح ، باید نظیر قسمتی از نمودار باشد که بر اساس آن مقاومت فشاری متوسط طبق بند 9-5-3-3 تأمین شود ، مگر آن که با توجه به مندرجات فصل ششم مقداری کمتر برای نسبت آب به سیمان یا مقدار بیشتر برای عیار سیمان مورد نظر باشد.

مقاومت فشاری 28 روزه و7 روزه

از آن جایی که روش استاندارد نیاز به نتایج 28 روز به عنوان حداقل مقاومت فشاری بتن دارد، بسیاری از مهندسان و مدیران پروژه به دنبال طرح آزمون جایگزین برای اندازه گیری مقاومت فشاری با همان سطح از دقت ، اما سریع تر و آسان تر هستند. روش تکامل یافته تری برای پیش بینی سریع تر مقاومت فشاری اولیه بتن توسعه داده شده است. آزمون مورد استفاده از طریق تغییرات دما در نمونه های بتنی در محل برای پیش بینی مقاومت، استفاده می شود. برای این کار، یک رابطه مقاومت باید برای مخلوط بتن در مرحله اول ایجاد شود.
با توجه به فاکتور زمان در اجرای سازه های بتني همواره راه کارهايي جهت به حداقل رساندن مدت زمان اجرای پروژه مورد توجه بوده است. از اين رو مبحث نهم مقررات ملي ساختمان جهت پيش بيني مقاومت 28 روزه بتن ( يا همان مقاومت طراحي) در سنين کمتر جدولي به شرح جدول شماره يک را ارائه داده است، برای مثال به کمک اطلاعات آزمايشگاهي برای مقاومت بتن هفت روزه ساخته شده با سيمان تيپ يک ميتوان مقاومت 28 روزه و يا 90 روزه آن را پيشاپيش حدس زد.