مقاومت فشاری بتن چیست؟ تعیین و آزمایش مقاومت فشاری بتن

مقاومت فشاری بتن چیست؟ مقاومت فشاری آزمونه‌های بتنی | روش انجام و بررسی نکات آیین‌نامه

مقاومت فشاری بتن معیاری مهم برای سنجیدن مقاومت و تاب آوری بتن در برابر نیرو های فشاری می باشد. برای ارزیابی این مشخصه مکانیکی میبایست آزمایش مقاومت فشاری برروی آزمونه های بتنی صورت گیرد. در این مقاله به آموزش تعیین مقاومت فشاری و بررسی جامع شرایط این آزمون و ارزیابی مقاومت بتن می پردازیم.

مقدمه

آزمایش مقاومت فشاری بتن یکی از بنیادی‌ترین و پرکاربردترین آزمون‌های کنترل کیفیت در مهندسی عمران و صنعت بتن است که به‌عنوان شاخص اصلی برای ارزیابی عملکرد بتن سخت‌شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آزمایش نه‌تنها مبنای پذیرش یا رد بتن در پروژه‌های عمرانی محسوب می‌شود، بلکه نقش مهمی در بررسی یکنواختی تولید، کیفیت مصالح، صحت اجرای عملیات و دوام سازه‌های بتنی دارد. استانداردهای ملی و بین‌المللی، روش انجام این آزمون را تعریف کرده‌اند تا نتایج حاصل قابل اعتماد، تکرارپذیر و قابل مقایسه باشند. از آنجا که مقاومت فشاری بتن تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله طرح اختلاط، شرایط عمل‌آوری، کیفیت قالب‌ها، کارشناس طرح و آزمون و روش بارگذاری قرار دارد، رعایت دقیق ضوابط آزمایشگاهی و کارگاهی در این فرآیند از اهمیت بالایی برخوردار است.

مبانی تعیین مقاومت فشاری بتن

ارزیابی مقاومت فشاری آزمونه‌های بتنی جــزو اصلی آزمایش‌های بتن سخت شده می‌باشد. این روش آزمون برای اندازه‌گیری مقاومت فشاری آزمونه‌های بتن سخت شده قالب‌گیری شده به شکل مکعب یا استوانه و همچنین مغزه‌های اخذ شده از بتن سخت شده است. این آزمایش برای آزمونه‌های مکعبی با ابعاد اسمی 100، 150، 200، 250 و 300 میلی‌متر و آزمونه‌های استوانه‌ای با قطر اسمی 100، 150، 200، 250 و 300 میلی‌متر و ارتفاع دو برابر قطر کاربرد دارد. شایان ذکر است که آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن دارای روش جایگزین غیرمخرب یا نیمه مخرب نمی‌باشد.

استانداردهای مختلفی برای اجرای روش آزمایش و شکست آزمونه‌ها وجود دارد:

• ISIRI 1608-3
• ASTM C39
• AASHTO T22
• BS-EN 12390-3
• CSA A23/2-9C

برای شکست نمونه‌ها (یا بطور دقیق‌تر آزمونه‌ها) آزمایش مقاومت فشاری بتن در این روش، می‌بایست بعد از تهیه نمونه‌های و آماده‌سازی هر آزمونه مبنی بر استاندارد ملی ایران به شماره 1608-1 و 1608-2 آزمونه را تحت تنش فشــاری قرار داد و حداکثر تنش تا گسیختگی آزمونه را به عنوان مقاومت فشاری ثبت نمود.

تجهیزات و وسایل مورد نیاز:

1. 1- جک بتن شکن
2. 2- کولیس یا خط کش
3. 3- ترازو با دقت 1 گرم
4. 4- زمان سنج یا کرنومتر

مروری بر اهمیت قالب‌ها در آزمایش مقاومت فشاری بتن

کیفیت قالب‌های مورد استفاده برای نمونه‌برداری بتن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا ابعاد دقیق، جنس مناسب، زوایای صحیح و دیگر ویژگی‌های قالب تأثیر مستقیم بر کیفیت آزمونه‌ها دارند. هرگونه نقص یا انحراف در این عوامل می‌تواند منجر به ایجاد خطا در شکل‌گیری نمونه و در نهایت کاهش دقت نتایج آزمایش مقاومت فشاری بتن شود. قالب‌های نمونه‌برداری بتن باید علاوه بر داشتن جنس مناسب، از سختی و وزن کافی نیز برخوردار باشند تا در برابر تغییر شکل مقاوم باشند. همچنین انحراف زوایا (مانند گلدانی شدن قالب‌ها)، اعوجاج سطحی و ناهمواری‌ها باید به حداقل برسند. رعایت این موارد باعث می‌شود آزمونه‌ها دارای زوایای نزدیک به ۹۰ درجه و سطوحی صاف، هموار و تراز باشند که در نهایت دقت آزمایش مقاومت فشاری را افزایش می‌دهد.

عدم توجه به کیفیت قالب‌ها می‌تواند علاوه بر ایجاد خطا در ارزیابی مقاومت فشاری نمونه‌ها، میزان پراکندگی داده‌های شکست را نیز به شکل قابل توجهی افزایش دهد. به طور کلی و بر اساس داده‌ها و تجارب موجود، استفاده از قالب‌های نامناسب می‌تواند خطایی در حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد ایجاد کند. در چنین شرایطی آزمونه‌ها قادر به شکست مناسب نخواهند بود و نتایج آزمایش با خطای بالاتری همراه می‌شود.

مروری بر اهمیت روغن قالب

یکی از عوامل مهم در کیفیت نهایی آزمونه‌های بتن، نوع و نحوه استفاده از روغن قالب است. روغن قالب با ایجاد یک لایه نازک بین سطح قالب و بتن، مانع از چسبندگی بتن به قالب شده و باعث می‌شود نمونه پس از باز کردن قالب، سطحی صاف و یکنواخت داشته باشد. استفاده از روغن قالب استاندارد، علاوه بر تسهیل در جداسازی، در کیفیت سطحی آزمونه نیز نقش تعیین‌کننده‌ای دارد. طبق ضوابط فنی، روغن قالب باید به میزان مناسب و به صورت یکنواخت روی سطح قالب زده شود؛

استفاده بیش از حد می‌تواند منجر به ایجاد لایه‌های اضافی یا تضعیف سطح بتن گردد و همچنین فاقد خاصیت حباب‌زایی باشد، زیرا روغن‌های نامناسب ممکن است باعث تشکیل حباب‌های هوا در سطح بتن شوند که این موضوع ظاهر و کیفیت سطحی آزمونه را مخدوش می‌کند. علاوه بر این برای شرایط کارگاهی و استفاده در قالب‌های مقاطع، می‌بایست دارای پایداری مناسب در برابر حرارت و شرایط محیطی کارگاه باشد تا در زمان بتن‌ریزی عملکرد خود را حفظ کند.

تجربه‌های کارگاهی نشان می‌دهد استفاده صحیح از روغن قالب می‌تواند تا حد زیادی از ایجاد ترک‌های سطحی و کرمو شدن بتن در سطح آزمونه جلوگیری کرده و شرایط لازم برای دستیابی به نتایج دقیق‌تر در آزمایش مقاومت فشاری را فراهم آورد. علاوه بر این موضوع می‌تواند از آسیب رساندن به آزمونه حین درآوردن از قالب جلوگـیری کند. در مقابل، استفاده نادرست یا غیراستاندارد از روغن قالب می‌تواند خطای آزمایش را افزایش داده و سطح آزمونه  و حتی بافت داخلی بتن را غیر یکنواخت و بی‌کیفیت کند.

روش آزمــون مقاومت فشاری بتن

با توجه به شکل هندسی، ابعاد و حجم آزمونه‌ها، می‌توان مقدار وزن مخصوص ظاهری هر آزمونه‌ را به طور تقریبی با دقت 10 کیلوگرم بر متر مکعب بدست آورد. قابل توجه است که جهت تعیین حجم دقیق‌تر آزمونه می‌توان از روش غرقاب‌سازی آزمونه اشباع، تعیین وزن در آب (به کمک ترازوی مجهز به سبد ارشمیدس) و همچنین تعیین وزن در هوا استفاده نمود.

دو وجـــه متناظر که هر دو قالب‌گیری شده است، بایستی با فک‌های جک در تماس باشد. در صورت لب پریدگی در گوشه‌های آزمونه مکعبی، بهتر است تا حد امکان سطوح با لبه‌های سالم و بدون لب پریدگی را انتخاب نمود. همچنین تمامی سطوح آزمون و صفحات کمکی و یا بلوک‌ها و پلیت‌های پرکننده بایستی تمیز و عاری از هر گونه ذرات سست و زبر باشد. آزمونه بعد از آماده‌سازی (خشک کردن سطح آزمونه بتن بدین منظور که آزمونه قبل از شکست دارای شرایط اشبــاع با سطح خشک باشد)در مرکز صفحات قرار گیرد، در آکــس فک زیرین.

آزمونه‌های مکعبی را به گونه‌ای در دستگاه قرار دهید تا بار عمود بر جهت قالب‌گیری اعمال شود. همچنین اگر از دستگاه با دو ستونی استفاده می‌کنید، سطح پرداخت شده آزمونه در مقابل یک ستون باشد.

همانگونه که پیش‌تر اشاره شد تمامی آزمونه‌های باید در آکس قرار گیرند تا توزیع بارگذاری یکنواخت باشد و جهت اعمال نیروی فشاری بصورت عمود بر سطح باشد. جهت جانمایی دقیق آزمونه در مرکز دستگاه، صفحه زیرین برخی دستگاه‌ها یک سری دایره‌های متحدالمرکز با قطــرهای مختلف به صورت شیار دارند که راهنما می‌باشد. توجه شود تا ضخامت صفحه پایینی اعمال بار باید حداقل 25 میلی‌متر و حداکثر قطر صفحه نباید از حدود زیر کمتر باشد.

جدول قطر اعمال بار در آزمایش مقاومت فشاری بتن

جهت حصول اطمینان از اینکه کل سطح آزمونه تحت تنش قرار خواهد گرفت، با دستان خود نحوه قرارگیری صفحات بالا و پایین جک بر روی آزمونه را حتماً کنترل نمایید.

همچنین حین تعیین ابعاد و قراردادن آزمونه در جک، دقت کنید که برچسب یا لیبل رو به سمت خود و قسمت بازشو جک باشد تا همواره طول، عرض و ارتفاع درست قرائت شود. برای آزمونه‌های مغزه‌گیری شده می‌بایست سر و ته مغزه‌های اخذ شده از بتن سخت شده باید حتما بطور کاملاً قائم بریده و به وسیله یک ماده مقاومت یکسان یا بیشتر از بتن تسطیح شود.

سرعت بارگذاری

طبق استاندارد ملی ایران 1608 بخش سوم، نرخ بارگذاری باید معادل 2±6/0 مگاپاسکال بر ثانیه باشد؛ بدین معنی که سرعت بارگذاری را در محدوده 4/0 الی 8/0 مگاپاسکال در هر ثانیه تنظیم نمایید. بعد از کالیبره کردن نرخ بارگذاری و تنظیم دستگاه جک بتن شکن، آزمونه را مورد شکست قرار می‌دهید.

شکست آزمونه

بعد از گسیختگی آزمونه و اتمام بارگذاری، حداکثر نیرو وارده را با دقت 1/0 درصد و برحسب کیلونیوتن یادداشت نمایید. نوع شکست و گسیختگی آزمونه‌ها را بررسی کنید؛ گسیختگی نامناسب می‌تواند به دلیل نداشتن دقت کافی در روش انجام آزمونه به ویژه قرار دادن آزمونه در دستگاه جک بتن شکن و یا خطای دستگاه باشد.

مقاومت فشاری هر آزمونه را با تقسیم حداکثر بار تصحیح شده بر سطح مقطع آن با دقت 1/0 مگاپاسکال محاسبه نمایید.

• T مقاومت فشاری آزمونه بر حسب مگاپاسکال
• F حداکثر بار تصحیح شده بر حسب نیوتون
• A سطح مقطع نمونه (میلی‌متر مربع)

زمان انجام آزمایش

آزمایش مقاومت فشاری بتن معمولاً در سنین ۷ و ۲۸ روزه انجام می‌شود و ارزیابی نتایج بر اساس تعداد آزمونه‌ها و میانگین مقادیر به‌دست‌آمده صورت می‌گیرد. همچنین مرسوم است که برای نمونه شاهد، حداقل یک آزمونه تا سن ۹۰ روزه در شرایط استاندارد نگهداری شود تا روند افزایش مقاومت بتن در درازمدت نیز بررسی گردد. در برخی موارد، آزمونه‌های بتن در سنین زودتر مانند ۱ روزه یا ۷ روزه نیز تحت آزمایش قرار می‌گیرند که تعیین زمان دقیق انجام آزمایش‌ها وابسته به طرح اختلاط و اهداف تعریف‌شده پروژه است.

گزارش نویسی

تمامی آزمایش‌ مقاومت فشاری بتن دارای روند مشخصی هستند که از مرحله اجرا تا استخراج داده‌ها باید به‌طور دقیق ثبت و مستندسازی شوند؛ علاوه بر این، تهیه گزارش جامع و منسجم از هر آزمایش اهمیت ویژه‌ای دارد. گزارش‌ها متناسب با نوع آزمایش باید شامل اطلاعات اصلی مانند هدف، روش انجام، شرایط محیطی، مشخصات مصالح، نتایج و تحلیل آن‌ها باشند تا در نهایت مستنداتی کامل و مفید برای ارزیابی و تصمیم‌گیری‌های فنی در اختیار قرار گیرد.

گزارنویسی آزمایش مقاومت فشاری بتن می‌بایست شامل موارد زیر باشــد:

• ارجاع به استاندارد انجام آزمون
• شماره شناسایی آزمونه
• ابعاد انتخابی آزمونه یا ابعاد واقعی بدست آمده
• جزئیات اصلاح و میزان کردن آزمونه (سایش یا کلاهک‌گذاری با روش کپینگ)
• تاریخ نمونه‌برداری
• تاریخ انجام آزمون (سن آزمونه)
• جرم آزمونه
• وزن مخصوص
• وضعیت ظاهری آزمونه
• شرایط عمل‌آوری
• کارشناس آزمایش
• حداکثر بار قابل تحمل بر حسب کیلونیوتن
• مقاومت فشاری مکعبی و استوانه‌ای
• هر گونه انحراف معیار از روش استاندارد تعیین مقاومت فشاری

جمع‌بندی

شکستن نمونه بتن یا به عبارتی دقیــق‌تر، ارزیابی مقاومت فشاری بتن ابزاری کلیدی برای تضمین کیفیت و ایمنی سازه‌های بتنی است. این آزمایش، زمانی معتبر و قابل استناد خواهد بود که تمام مراحل از نمونه‌برداری، قالب‌گیری و عمل‌آوری تا آماده‌سازی و بارگذاری آزمونه‌ها مطابق با استانداردهای معتبر انجام شود. بی‌توجهی به جزئیاتی مانند کیفیت قالب، نوع و میزان روغن قالب، نحوه قرارگیری نمونه در دستگاه، سرعت بارگذاری و همچنین عدم بکارگیری کارشناس فنی حین آزمایش می‌تواند خطای نتایج را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. مستندسازی دقیق و گزارش‌نویسی جامع که شامل اطلاعات کامل از مشخصات آزمونه، شرایط آزمایش، نتایج و تحلیل‌ها باشد، بخش جدایی‌ناپذیر این فرآیند است و در نهایت موجب می‌شود نتایج به‌دست‌آمده مبنایی علمی و عملی برای ارزیابی بتن و تصمیم‌گیری‌های مهندسی باشند.

• چرا آزمایش مقاومت فشاری بتن مهم است؟

این آزمایش شاخص اصلی برای پذیرش یا رد بتن در پروژه‌های عمرانی است. علاوه بر تعیین مقاومت نهایی بتن، نتایج آن برای ارزیابی یکنواختی تولید، صحت اجرای عملیات و حتی دوام سازه در درازمدت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• آزمونه‌های بتنی باید چه ابعادی داشته باشند؟

طبق استانداردها، آزمونه‌ها می‌توانند مکعبی با ابعاد اسمی 100، 150، 200، 250 و 300 میلی‌متر یا استوانه‌ای با قطر اسمی 100، 150، 200، 250 و 300 میلی‌متر (با ارتفاع دو برابر قطر) باشند. انتخاب ابعاد به شرایط پروژه و دستورالعمل آیین‌نامه بستگی دارد.

• در چه سنینی آزمایش مقاومت فشاری انجام می‌شود؟

رایج‌ترین سنین آزمایش 7 روزه و 28 روزه هستند. با این حال، معمول است که یک نمونه شاهد تا 90 روز نگهداری شود تا روند افزایش مقاومت بلندمدت بررسی گردد. در برخی پروژه‌ها، بسته به نیاز، آزمون در سنین زودتر مانند 1  روزه نیز انجام می‌شود.

• بیشترین خطاهای رایج در این آزمایش ناشی از چیست؟

خطاها اغلب به دلیل کیفیت پایین قالب‌ها، استفاده نادرست از روغن قالب، جانمایی اشتباه آزمونه در دستگاه، سرعت بارگذاری نامناسب یا عدم رعایت شرایط عمل‌آوری استاندارد رخ می‌دهند. این موارد می‌توانند نتایج را تا حدود 10 تا 15 درصد دچار انحراف کنند.

• سرعت بارگذاری در دستگاه بتن‌شکن باید چقدر باشد؟

طبق استاندارد ملی ایران 1608-3، نرخ بارگذاری باید ۰٫۶ ± ۲ مگاپاسکال بر ثانیه باشد؛ یعنی محدوده مجاز بین ۰٫۴ تا ۰٫۸ مگاپاسکال بر ثانیه. این دقت برای جلوگیری از نتایج غیرواقعی ضروری است.