مصالح ساختمانی، از جمله بتن، از دیرباز در صنعت ساخت و ساز به کار گرفته میشوند. تعیین مقاومت فشاری بتن، یکی از اهداف اساسی پژوهشگران از زمان استفاده از این ماده بوده و از اهمیت ویژهای برخوردار است برای ارزیابی کیفیت و عملکرد بتن. روشهای گوناگونی برای اندازهگیری مشخصههای مکانیکی، علیالخصوص مقاومت فشاری وجود دارند که می توان به روشهای آزمایش مخرب و غیرمخرب که در دسترس قرار دارند، اشـاره کرد. هدف اصلی این آزمایشها، کنترل کیفیت بتن سخت شده و پیشبینی دوام و عمر مفید آن است. با این وجود، روشهای مخرب ممکن است هزینه و زمان زیادی را به همراه داشته باشند و از طرفی، نمونههای استوانهای و مکعبی که در حین نمونهبرداری از بتن تازه ساخته میشوند، نمایندهی دقیقی از بتن موجود در پروژه نیستند و بنا به خطاهای احتمالی که از جانب تکنسین رخ میدهد، ملاک تصمیمگیری نهـایی قرار نمیگیرند؛ همچنین، استفاده از آزمایشهای مخرب میتواند به کاهش ظرفیت باربری عضو بتنی منجر شود، علت این موضوع تخریب بخشی از بتن عضو سازهای بوده که گاهاً تعدد برداشت آزمونه و به دنباله آن عدم ترمیم مقطع تخریب شده، میتواند نگرانکننده باشد.
آزمایشهای غیرمخرب به عنوان روشی کارآمد و کمهزینه برای ارزیابی اولیه بتن معرفی شدهاند؛ بطور دقیقتر آزمونهای غیرمخرب مقدمهای برای انجام آزمونهای مخرب بوده و برای بررسی اولیه و تصمیمگیری، مکمل آزمونهای مخرب میباشند؛ این روشها دارای مزایایی هستند از جمله کاهش نیاز به نیروی کار در حین انجام آزمایش، حفظ سلامت عضو بتنی، و عدم آسیبرسانی به سازهها که نیاز به تعمیر و تقویت مجدد دارند. علاوه بر این، آزمایشهای غیرمخرب امکان انجام دادن آزمایش در شرایطی را فراهم میآورند که انجام آزمونهای مخرب غیرممکن است، به عنوان مثال در مواردی که امکان کارگیری وجود ندارد یا در سازههای با پیچیدگیهای فراوان.
با وجود این مزایا، آزمایشهای غیرمخرب نیز با محدودیتهایی روبرو هستند، از جمله خطای ایجاد شده در آزمایش، ناهمسانی و غیرهمگنی مواد و مصالح، محدود بودن محل انجام آزماش، سختی سطحی که مورد استفاده قرار میگیرد و جهت انجام آزمایش (افقی، قائم یا زوایای دیگر). برای اطمینان از دقت نتایج آزمایشهای غیرمخرب، نیاز است که نتایج این آزمونها بسته به نوع بتن و شرایط آزمون توسط کارشناس مربوطه تحلیل شوند و با نتایج استاندارد حاصل از نمونهبرداری از بتن تازه و آزمایشهای مخرب همبستگی داشته باشند. این همبستگیها و تطابقها معمولاً با استفاده از تحلیلهای آماری و درونیابی و همچنین نمودارهای خاصی که تولیدکنندگان تجهیزات ارائه میدهند، انجام میشود.
این آزمایش بر این اساس است که برگشت یک جسم الاستیک بستگی به سختی سطحی دارد که جرم با آن برخورد میکند. در چکش اشمیت جرمی متصل شده به فنر وجود دارد که با کشیدن فنر تا نقطهای مشخص، مقدار انرژی ثابتی به آن داده میشود، این کار با فشار دادن چکش به سطح صاف بتن انجام میشود. بعد از آزاد کردن، جرم تحت اثر بازتاب میله چکش قرار میگیرد و مسافتی که توسط جرم طی میشود، بر حسب درصدی از انبساط اولیه فنر بیان میشود که عدد بازتاب یا نرخ بازگشت نامیده میشود. این مقدار توسط یک نشانه که در طول یک مقیاس مدرج است حرکت میکند نشان داده میشود. عدد بازتاب یک اندازه مطلق است و فاقد واحد اندازهگیری میباشد به این علت که به انرژی ذخیره شده در فنر و به اندازه جرم وابسته میباشد. مطالعات نشان داده است که سختی نمونههای بتنی با مقاومت تک محوری و مدول کشسانی آنها در ارتباط است. در واقع سختی، یکی از مفاهیم رایج است که برای توصیف رفتاری انواع بتنها به کار میرود.
در رابطه با انجام این آزمون آیین نامههای مختلف شرایط خاصی را در نظر گرفتهاند که باید آنها را رعایت نمود. برای انجام این آزمایش باید دقت شود که چکش در زاویه مناسبی با سطح قرار بگیرد. همچنین سطح مورد آزمایش باید صاف و مسطح باشد. تعداد ضربات وارده نیز یکی دیگر از عوامل مهم برای بررسی نتایج است. معمولا برای دقیق بودن نتیجه آزمایش توصیه میشود حداقل ۱۰ بار آزمون تکرار گردد. زیرا محل اعمال ضربه در نتیجه آزمون تأثیرگذار است. اگر ضربه به سنگدانه اعمال شود معمولاً به دلیل بالاتر بودن مقاومت سنگدانه نتیجه آزمایش بالاتر از مقاومت واقعی نشان داده میشود، همچنین درصورتی که محل اعمال ضربه (به عنوان مثال ناحیهای که از تراکم کافی برخوردار نباشد) نسبت به مقطع از مقاومت کمتری برخوردار باشد، نتیجه آزمایش کمتر از مقدار واقعی خواهد شد. به هر حال با توجه به آیین نامه مورد استفاده ممکن است برخی از این نتایج قابل قبول واقع نشوند و یا حتی در مواردی نیاز به انجام مجدد آزمایش چکش اشمیت باشد؛ موضوع مهم این است که این آزمایشها در کنار هم و همچنین در ادامه یک قضاوت مهندسی میتوانند نتایح قابل قبولی را رقم بزنند.
در ادامه به بررسی دقیقتر نحوه انجام آزمایش میپردازیم.
عوامل مؤثر در نتایج این آزمون چکش اشمیت:
- نوع سیمان (مشخصههای مکانیکی و فیزیکـی)
- عیار سیمان (مقدار سیمان در یک متر مکعب بتن که بسته به طرح اختلاط متغیر است)
- نوع درشت دانه (بسته به مقاومت درشتدانــهها و ابعاد و مقدار آنها – خصوصاً در بخش کاور مقاطع)
- سن بتن (بسته به مدت زمان سپری شده از بتنریزی مقاومت بتن متفاوت است – بطور معمول رشد مقاومت تا سن 28 روز ادامه دارد)
- شرایط رطوبتی (درصد رطوبت بتن عاملی اثرگذار در این فرآیند است – هر چقدر رطوبت بتن بیشتر باشد و سطح آن خیس باشد، دستگاه مقاومت کمتری را نشان خواهد داد)
- شرایط محیطی و دمای حـاکم
- تراکم بـتن و جرم مقطع مورد آزمون
- نوع سطح و جهت قرارگیری دستگاه (افقی – عمودی)
- سلامت بتن برحسب مواردی مثل حملات شیمیایی (کربناتاسیون و …)
لذا هرگونه تخمین یا مقایسه مقاومت در صورتی معتبر خواهد بود که این عوامل برای بتن مورد بررسی و نمونه های کالیبراسیون، استاندارد گردند.
مراحل انجام آزمایش چکش اشمیت
انجام آزمایش چکش اشمیت نیازمند رعایت نکاتی است که قبلاً نیز به آنها اشاره شد. به طور کلی اگر چه عملکرد دستگاه و کار با آن ساده به نظر میرسد، اما برای دقیقتر شدن نتایج و همچنین قابل استناد بودن آنها، استفاده از کارشناسان و متخصصان این حوزه الزامی است.
توجه شود که دستگاه نیاز به کالیبراسیون دورهای دارد، بطور دقیقتر پیش از انجام آزمایش باید دستگاه را کالیبره نمود. برای این کار معمولا توصیه میشود، دستگاه توسط مقطع فولادی با سختی مشخص (سندان کالیبراسیون) مورد آزمایش قرار بگیرد تا کالیبره بودن یا نبودن دستگاه مشخص گردد.
برای انجام آزمون چکش اشمیت سطح مورد ارزیابی باید کاملا صاف و مسطح باشد. به همین دلیل پیش از قرار دادن دستگاه روی سطح معمولا سطح مورد آزمایش با سوهان مضرس میشود. این سطح باید به اندازهای باشد که آزمون حداقل به دفعات ۱۰ بار روی آن انجام شود و باید از گوشهها فاصله داشته باشد. این فاصله معمولاً به میزان ۲۰ میلیمتر در نظر گرفته میشود. پس از صاف کردن سطح ذرات ریز باید از روی سطح تمیز شوند؛ همچنین این امر به از بین بردن پوسته ضعیف بتن که شامل دوغاب سیمان است کمک میکند.
سپس با توجه به نوع مقطع، سطح مورد آزمایش را به بخشهای کوچکتری تقسیم بندی میکنند. همان طور که اشاره شد تعداد این بخشها حداقل ۱۰ بخش میباشد. اگرچه نیازی به مشخص بودن این محدوده ها نیست، اما می توان با استفاده از مداد یا هر وسیله دیگر مرز میان این بخشها را مشخص نمود تا دقت انجام آزمایش بالاتر رود.
پیستون چکش اشمیت بر روی سطح نمونه قرار میگیرد و با فشار دادن چکش، پیستون به درون چکش فرو میرود. انرژی در فنر ذخیره میشود و به طور اتوماتیکی در هر سطح انرژی که از قبل تعیین شده، آزاد میشود و جرمی بر روی استوانه برخورد میکند. ارتفاع عکس العمل جرم بر روی درجه ای به عنوان سختی قابل اندازه گیری است.
سپس با استفاده از چکش اشمیت در هر یک از این محدوده ها آزمایش را تکرار کرده و نتایج حاصل از آن ها را یادداشت میکنیم. این نتایج باید در محدوده ای نزدیک به هم باشند و مقاومت نمونه از میانگین آنها به دست میآید. آیین نامه های مختلف در رابطه با نتایج قابل قبول این آزمایش ملاک های مختلفی را معرفی میکنند. به عنوان مثال در آیین نامه ASTM در صورتی که هر قرائت بیش از ۷ واحد با میانگین قرائت ها فاصله داشته باشد، آزمایش باید تکرار گردد.
در نهایت رعایت نکات دیگری از جمله عمود بودن دستگاه به سطح مورد آزمایش، اعمال سرعت یکسان حین انجام آزمایش و توجه به خیس یا خشک بودن سطح بتن، زاویه اعمال ضربه نسبت به گرانش و … الزامی بوده و در نتایج به دست آمده تاثیر مستقیم دارند.
نحوه محاسبه مقاومت بتن با چکش اشمیت
اگرچه منظور از آزمون چکش اشمیت بررسی خواص دیگر بتن و خصوصا مقاومت فشاری آن است، نتیجه ای که چکش اشمیت می دهد، اصطلاحاً عدد بازگشت یا rebound number نام دارد که در نگاه اول ارتباطی با این خواص ندارد. با این حال با توجه به نوع چکش مورد استفاده جداول و نمودارهایی برای تفسیر این عدد و به دست آوردن دیگر خواص بتن وجود دارد.
اگرچه این جداول توسط تولیدکنندگان این چکش ها ارائه شده و بسیار دقیق هستند، ممکن است در گذر زمان با توجه به طول عمر دستگاه از دقتشان کاسته شود. بنابراین بهترین و دقیق ترین راه حل تشکیل این نمودارها برای کالیبراسیون دستگاه است. برای این منظور بتن های با مقاومتهای مختلف ساخته می شود که بهتر است مصالح به کار رفته در ساخت این نمونه ها از همان مصالحی باشد که بتن سازه با آن ها ساخته شده است. سپس این نمونه های استوانه ای یا مکعبی بتن تحت آزمون اشمیت قرار می گیرند و نتایج حاصل از انجام این آزمایش بر روی آن ها ثبت می شود. همچنین بعد از انجام آزمون اشمیت، این نمونه ها تحت آزمایش مقاومت فشاری (یا هر خاصیت مورد بررسی دیگر) قرار می گیرند. با شرط کافی بودن تعداد آزمایش ها از روی نتایج این دو آزمون می تواند نمودار مورد نظر را تشکیل داد.
جدول یا نمودار چکش اشمیت
بعد از محاسبه ارتباط بین مقاومت فشاری بتن و عدد بازگشت حاصل از آزمایش چکش اشمیت می توان نموداری به شکل زیر تشکیل داد. البته ممکن است این جدول به صورت آماده مورد استفاده قرار بگیرد.
با توجه به نمودار و عدد بازگشت خوانده شده از روی آزمایش می توان مقاومت فشاری نمونه را محاسبه نمود. نکته قابل توجه این است که برای بررسی برخی از خواص دیگر بتن مانند پایداری و … نیز می توان از روند مشابهی استفاده نمود. البته مقاومت فشاری به دست آمده از روش چکش اشمیت نمی تواند مشخص کننده خواص در عمق بتن باشد و تنها به ظاهر آن وابسته است. در صورتی که در عمق بتن ترک هایی وجود داشته باشد از طریق این آزمایش نمی توان به وجود آن ها پی برد.
به طور کلی هر اندازه عدد بازگشت بیشتر باشد، بتن از خواص مکانیکی بهتری برخوردار است.
همانطور که پیشتر اشاره شد از آزمایش چکش اشمیت برای ارزیابی مقاومت فشاری نسبی بتن بهره برده میشود. بخشی از استانداردها را کـه معیارهای این آزمایش را تعریف کردهاند در لیست قرار گرفتهاند:
- Isiri 3201-7
- Is 13311 – part 2
- Bs 1881 – 202
- Astm C805
- Bs 6089-81
نتیجهگــیری
مقاومت اندازه گیری شده به روش چکش اشمیت، با کاهش ضخامت، دچار کاهش گردیده در صورتی که نوع بتن تمام بخشهای مورد آزمایش یکسان بوده است. علت این امر را می توان به ارتعاش زیادتر نمونه های کم ضخامت و کم جرم هنگام برخورد ضربه چکش اشمیت دانست. بنابراین هنگام استفاده از چکش اشمیت، باید کاملاً به این نکته توجه نمود.
در نهایت، تحقیقات علمی نشان میدهد که چکش اشمیت میتواند برای تخمین مقاومت فشاری بتن اطلاعات مفیدی فراهم کند، به شرطی که دستگاه به درستی کالیبره شده باشد و تحت شرایطی مشخص روند آزمایش شکل گیرد؛ بطور دقیقتر چکش اشمیت سختی سطح را مورد ارزیابی قرار میدهد که با توجه به روابط موجود میان سختی بتن و مقاومت فشاری آن، میتوان این دستگاه را روشی مناسب برای ارزیابی نسبی مقاومت بتن دانست.