عمران، مهندسی 947 بازدید

استحکام بتن یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های بتن سخت شده است که به عوامل متعددی بستگی دارد. این ویژگی، به عنوان معیاری برای تایید کیفیت بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله، به معرفی انواع، عوامل موثر و آزمایش‌های مقاومت بتن می‌پردازیم.

فهرست مطالب این نوشته پنهان کردن

مقاومت بتن چیست؟

«مقاومت بتن» (Concrete Strength)، توانایی بتن در تحمل بارگذاری‌های فشاری، کششی، خمشی، برشی و غیره است. مقاومت بتن، به عنوان یکی از مهمترین ویژگی‌های بتن محسوب می‌شود. از آنجایی که مقاومت بتن، دید بسیار خوبی را از دیگر ویژگی‌ها فراهم می‌کند؛ معمولا به عنوان معیاری برای ارزیابی کیفیت بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کولوسئوم
نمای بیرونی «کولوسئوم» (Colosseum) در شهر رم؛ ساخت این سازه بتنی در سال 80 میلادی به اتمام رسید. هم اکنون، بخش بزرگی از کولوسئوم سالم باقی مانده است.

بتن، ماده‌ای است که از ترکیب آب، سیمان و سنگدانه تشکیل می‌شود. این ماده دارای دو حالت تازه و سخت شده است. با گذر از حالت تازه به حالت سخت شده، رفتار بتن از پلاستیک به الاستیک تغییر می‌کند. در واقع طی واکنشی به نام هیدراتاسیون، آب به بخشی از بتن عمل‌آمده تبدیل می‌شود. به دلیل ماهیت این واکنش شیمیایی، مقاومت بتن به طور متناوب تغییر می‌کند و با گذشت زمان به ثبات می‌رسد. در واقع، اگر بتن در معرض عوامل مخرب قرار نگیرد، مقاومت آن با گذشت زمان افزایش می‌یابد.

اهمیت مقاومت بتن در چیست؟

بتن، یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. کیفیت بتن مورد استفاده در سازه‌های مختلف، به خواص آن پس از مخلوط کردن (بتن تازه) و پس از اتمام فرآیند عمل آوری (بتن سخت شده) بستگی دارد. مقاومت، توانایی تحمل بتن در برابر بارگذاری‌های مختلف و معیاری برای رد یا تایید کیفیت بتن است. به همین دلیل، این ویژگی، نقش بسیار مهمی در طراحی و تحلیل پایداری سازه‌های مختلف آن دارد.

مقاومت مورد نیاز بتن چیست؟

مقاومت مورد نیاز بتن، ظرفیت باربری مورد نیاز برای ساخت یک سازه یا عضوهای بتنی است. مقاومت مورد نیاز معمولا مطابق با استانداردهای مربوطه و بر اساس نوع بارگذری، میزان بارگذاری و سازه تحت بارگذاری تعیین می‌شود. از استانداردهای ملی ایران برای تعیین مقاومت مورد نیاز بتن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • مبحث نهم مقررات ملی ساختمان: طراحی و اجرای ساختمان‌های بتن آرمه
  • مبحث ششم مقررات ملی ساختمان: بارهای وار بر ساختمان
  • استاندارد ۲۸۰۰ ایران: طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله

استاندارد ACI 318 نیز یکی از پرکاربردترین استانداردهای بین‌المللی برای تعیین مقاومت مورد نیاز بتن است. به منظور درک بهتر مقاومت مورد نیاز برای سازه‌های بتنی مختلف، جدول زیر را در نظر بگیرید. توجه داشته باشید که این مقادیر به عنوان مثال در جدول آورده شده‌اند. شما می‌توانید مقاومت‌های مورد نیاز خود را بر اساس طرح‌ها و دستورالعمل‌های موجود انتخاب کنید.

نوع یا محل سازه بتنی مقاومت فشاری مورد نیاز
پرکننده سیمانی کمتر از 14 مگاپاسکال
زیرزمین، پی، راهرو، حیاط و راه‌پله  بین 17 تا 24 مگاپاسکال
ورودی پارکینگ، گاراژ و لارده‌های کف بین 20 تا 28 مگاپاسکال
تیر، لارده، ستون و دیوارهای تقویت شده بین 20 تا 48 مگاپاسکال
بتن پیش ساخته و پیش تنیده بین 28 تا 48 مگاپاسکال
(ستون‌های) ساختمان‌های بلند بین 70 تا 100 مگاپاسکال

مطابق استاندارد ACI 318، باید حداقل مقاومت فشاری 17 مگاپاسکال را سازه‌های بتنی در نظر گرفت؛ یعنی هیچ سازه بتنی نمی تواند مقاومتی کمتر از 17 مگاپاسکال داشته باشد. البته با توجه به کاربری سازه، ممکن است از مقادیر بالاتر در طراحی استفاده شود. دستیابی به مقاومت‌های بسیار بالا نیازمند دقت بیشتر در کنترل کیفیت ساخت و آزمایش بتن است. اعتبارسنجی مقاومت بتن با استفاده از آزمایش‌های مخصوص صورت می‌گیرد. در انتهای این مقاله، به معرفی آزمایش‌های مقاومتی بتن خواهیم پرداخت.

در رابطه با تکنولوژی بتن و اختلاط آن فیلم آموزشی مفصلی در مجموعه فرادرس تهیه شده است که می‌تواند در فراگیری این مبحث به شما کمک کند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

انواع مقاومت بتن کدام هستند؟

معمولا هنگام بحث در مورد مقاومت بتن، فرض می‌شود که مقاومت فشاری آن مد نظر است. اگرچه، با توجه به نوع بار اعمال شده، امکان ایجاد تنش‌های خمشی، کششی، برشی و پیچشی در سازه‌های بتنی وجود دارد. از این‌رو،‌ مقاومت بتن را می‌توان به مقاومت‌های فشاری، کششی، خمشی، برشی و پیچشی تقسیم کرد. از بین این موارد، مقاومت‌های فشاری، کششی و خمشی از اهمیت بیشتری برخوردار هستند و بیشتر مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. به همین دلیل، در ادامه، به معرفی این موارد خواهیم پرداخت.

انواع بارگذاری بتن
انواع بارهای اعمال شده بر روی سازه‌های بتن

مقاومت فشاری بتن چیست؟

مقاومت فشاری، توانایی سازه در برابر بارهای محوری فشاری (کاهش طول محوری) است. مقاومت فشاری بتن، مهم‌ترین مزیت این ماده به حساب می‌آید. مقدار این مقاومت پس از شروع گیرش بتن و به مرور زمان افزایش می‌یابد. جدول زیر، نرخ افزایش مقاومت فشاری بتن با گذشت زمان را نمایش می‌دهد.

سن بتن (تعداد روز سپری شده از زمان ساخت بتن) درصد مقاومت فشاری
1 روز 16 درصد
3 روز 40 درصد
7 روز 65 درصد
14 روز 90 درصد
28 روز 99 درصد

مقاومت فشاری بتن مورد استفاده در سازه‌های مختلف به کاربری آن‌ها بستگی دارد. به طور کلی برای سازه‌ها و عضوهای بتنی معمولی، مقاومتی بین 10 تا 20 مگاپاسکال کفایت می‌کند. برای سازه‌های استاندارد، مقاومت 25 تا 55 مگاپاسکال و برای سازه‌های حساس، مقاومت 60 مگاپاسکال یا بیشتر پیشنهاد می‌شود.

میزان مقاومت فشاری بتن از میانگین نتایج آزمایش‌های دوره‌ای (در بازه‌های زمانی مشخص) بر روی نمونه‌های حاصل از بتن تازه به دست می‌آید. به عنوان مثال ممکن است با توجه استاندارد مربوط به ساخت یک سازه بتنی، از آزمایش‌های ۷ روزه، 28 روزه، 56 روزه یا 90 روزه به منظور ارزیابی مقاومت فشاری سازه و پیش‌بینی عملکرد آن در شرایط مورد نظر استفاده شود.

مقاومت کششی بتن چیست؟

مقاومت کششی، توانایی ماده در تحمل بارهای محوری کششی (افزایش طول محوری) است. بتن یک ماده بسیار ضعیف در مواجهه با تنش‌های کششی به حساب می‌آید. این ماده دارای ساختاری متخلخل است. به همین دلیل، درون بتن معمولا ترک‌های ریز و میکروسکوپی وجود دارند. هنگام اعمال بارگذاری کششی، این ترک‌ها افزایش طول می‌دهند. تا زمانی که بارگذاری ادامه داشته باشد، گسترش ترک‌ها نیز (تا لحظه شکست) ادامه می‌یابد.

ترک خوردن پل
رخ دادن ترک کششی در پل بتنی

مقاومت کششی بتن، حدود 8 تا 12 درصد (به طور میانگین 10 درصد) مقاومت فشاری آن است. در مقاومت‌های فشاری بالا، این درصد کاهش می‌یابد. به دلیل پایین بودن مقاومت کششی بتن، معمولا در محاسبات فرض می‌شود که این ماده هیچ مقاومتی در برابر کشش ندارد. با این وجود، آگاهی از مفهوم مقاومت کششی بتن، امکان تخمین میزان باری که موجب به وجود آمدن و گسترش ترک می‌شود را فراهم می‌کند. این بار، می‌تواند ناشی از «جمع‌شدگی» (Shrinkage)، «آب‌رفتگی» (Bleeding)، تغییرات دمایی یا عوامل دیگر باشد.

مقاومت کششی از اهمیت بالایی در سازه‌های بتنی عظیم (مانند سدها) برخوردار است. برای سازه‌های دیگری نظیر جاده‌ها نیز (به دلیل وجود مقاومت خمشی) از این پارامتر در محاسبات مربوطه استفاده می‌شود. به طور کلی، بتن به کار رفته در سازه‌های مختلف به ندرت تحت کشش خالص قرار می‌گیرند. تنش‌های کششی اعمال شده بر بتن معمولا به بارگذاری‌های خمشی، پیچشی یا ترکیب این دو مورد مربوط می‌شوند.

مقاومت خمشی چیست؟

مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی، توانایی ماده در تحمل بارهای جانبی (در راستای عرض) است. بارهای خمشی و فشاری، از رایج‌ترین انواع بار در سازه‌های مختلف به حساب می‌آیند. پیاده‌روها، دال‌ها، لارده‌ها و تیرها را می‌توان به عنوان نمونه‌هایی از المان‌های تحت بارگذاری خمشی در نظر گرفت. ساده‌ترین مثال برای این موضوع، یک تیر ساده دو سرگیردار است که مرکز آن تحت بارگذاری قرار گرفته. هنگام اعمال بار بر روی این تیر، الیاف پایینی (زیر محور خنثی) تحت کشش و الیاف بالایی تحت فشار قرار می‌گیرند.

تیر بتنی تحت خمش
استفاده از میله‌های تقویت کننده به دلیل اعمال کشش به بخش پایینی تیر بتنی

به دلیل ضعیف بودن مقاومت کششی بتن نسبت به مقاومت فشاری آن، احتمال رخ دادن شکست از بخش پایینی تیر بتنی وجود خواهد شد. در این حالت، اگر چند میله فولادی در بخش پایینی قرار داده شود (مانند بتن مسلح)، مقاومت کششی تیر به مقدار قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. به این میله‌های فولادی، میله‌های تقویت‌کننده یا میلگرد می‌گویند (شکل بالا). با اعمال کشش به میله‌های تقویت‌کننده پیش از اضافه کردن آن‌ها به ساختار تیر (مانند بتن پیش تنیده)، مقاومت کششی تیر بیشتر از حالت قبل خواهد شد. این فرآیندها به منظور افزایش مقاومت خمشی بتن نیز انجام می‌شوند.

عوامل موثر در مقاومت بتن کدام هستند؟

مقاومت بتن، به عوامل مختلفی نظیر کیفیت مواد تشکیل‌دهنده (آب، سیمان و سنگدانه)، تخلخل، نسبت آب به سیمان، نسبت سنگدانه‌های درشت به ریز، سن، دما، PH و فرآیندهای شیمیایی بستگی دارد. در ادامه، به معرفی نحوه تاثیر هر یک از این موارد بر مقاومت بتن می‌پردازیم.

تاثیر سیمان بر مقاومت بتن چیست؟

سیمان، مهم‌ترین عامل موثر در استحکام بتن است. نوع، مقدار، نسبت ترکیبات شیمیایی، نحوه ساخت و شرایط محیط نگهداری سیمان بر روی مقاومت نهایی بتن تاثیرگذار است. این موارد باید مطابق با استانداردها و کاربری مورد نیاز تعیین شوند.

  • ترکیب شیمیایی: میزان آهک، سیلیکا، اکسید آهن و سیلیکا فوم در ترکیب بتن، بر روی مقاومت آن تاثیر مستقیم دارد. به علاوه، استفاده بیش از حد از موادی نظیر آلومینا و مگنزیا، مقاومت بتن را کاهش می‌‌دهد.
  • محیط نگهداری: سیمان باید در یک محیط خشک نگهداری شود. وجود رطوبت، کیفیت سیمان را کاهش می‌دهد. این مسئله، فرآیند هیدارتاسیون را تحت تاثیر قرار خواهد داد.

سیمان

نسبت سیمان به مواد دیگر نظیر آب و سنگدانه، از اهمیت بالایی در کنترل خواص فیزیکی و شیمیایی بتن، مخصوصا مقاومت آن برخوردار است. در بخش‌های بعدی، تاثیر این پارامترها را نیز مورد بررسی قرار خواهیم داد.

تاثیر سنگدانه بر مقاومت بتن چیست؟

سنگدانه، حدود 70 تا 80 درصد از حجم بتن را تشکیل می‌دهد. از این‌رو، کیفیت سنگدانه و ویژگی‌های آن از جمله ابعاد، شکل، بافت، مقاومت ذرات، مواد شیمیایی و درصد ریزدانه‌ها، تاثیر زیادی بر روی استحکام بتن دارند. یکی از عوامل مهم در مقاومت نهایی بتن، توزیع دانه‌بندی سنگدانه‌های مورد استفاده در آن است. استفاده شن و ماسه خوب دانه‌بندی‌شده، فضای خالی بین ذرات و نواحی ضعیف بتن را کاهش می‌دهد. همین موضوع، باعث افزایش مقاومت نهایی بتن می‌شود.

شن و ماسه
مقایسه شن و ماسه

علاوه بر موارد بالا، نسبت ذرات درشت به ریز در سنگدانه، نسبت سنگدانه به سیمان و رطوبت سنگدانه‌ها نیز بر روی مقاومت تاثیر گذار هستند. در بخش‌های بعدی، به معرفی تاثیر هر یک از این موارد خواهیم پرداخت.

تاثیر آب بر مقاومت بتن چیست؟

کیفیت و ترکیب آب مورد استفاده در بتن، مقاومت آن را تحت تاثیر قرار می‌دهد. طبق یک قاعده کلی، آب آشامیدنی، بهترین گزینه برای ساخت بتن با خواص مقاومتی مورد نظر است. بر اساس تحقیقات صورت گرفته، در صورت ثابت بودن تمام پارامترهای موثر، مقاومت بتن ساخته‌شده با آب آشامیدنی، حدود 33 درصد بیشتر از مقاومت بتن ساخته‌شده با فاضلاب خواهد بود.

نقش آب در استحکام بتن به کیفیت و ترکیب آن ختم نمی‌شود. نسبت آب به سیمان و رطوبت نسبی مخلوط بتن نیز بر روی استحکام بتن تاثیرگذار هستند. در بخش‌های بعدی، تاثیر این موارد را نیز معرفی خواهیم کرد.

تاثیر تخلخل بر مقاومت بتن چیست؟

تخلخل، معیاری برای تعیین میزان فضای توخالی درون یک ماده است. به طور کلی، هر چه تعداد و ابعاد فضای خالی درون بتن کمتر باشد، مقاومت آن بیشتر خواهد بود. تخلخل، عاملی است که فرآیند تراکم در بتن تازه و ایجاد پیوند مناسب بین اجزا را با مشکل مواجه می‌کند. در صورت وجود 10 درصد فضای خالی در بتن، مقاومت آن به اندازه 30 تا 40 درصد کاهش می‌یابد.

تاثیر نسبت آب به سیمان بر مقاومت بتن چیست؟

نسبت آب به سیمان، یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر استحکام بتن است. این نسبت، فرآیند هیدارتاسیون در خمیر سیمانی را کنترل می‌کند. هر چه نسبت آب به سیمان بالاتر باشد، فاصله اولیه بین ذرات و حجم فضای خالی محصول نهایی بیشتر خواهد بود. به این ترتیب، در نسب‌های بالا، محصول اولیه هیدارتاسیون (ملات) نمی‌تواند فضای خالی بین ذرات را پر کند. همین موضوع، باعث تشکیل بتن با ساختار متخلخل می‌شود. تصویر زیر، رابطه تئوری بین مقاومت بتن با نسبت آب به سیمان را نمایش می‌دهد.

نمودار مقاومت بتن در برابر نسبت آب به سیمان
رابطه تغییرات مقاومت بتن با نسبت آب به سیمان

در نمودار بالا، یک نکته مهم نادیده گرفته شده است. در نسبت‌های بسیار پایین آب به سیمان، کارایی بتن کاهش می‌یابد. در این شرایط، تراکم بتن دشوار می‌شود. این موضوع، مقاومت بتن را کاهش می‌دهد. در شرایط محیطی ثابت، با ترکیبات مشخص و در هر سنی، مقاومت بتن فقط به نسبت آب به سیمان با امکان تراکم کامل (کارایی مشخص) بستگی دارد.

تاثیر نسبت سنگدانه درشت به ریز بر مقاومت بتن چگونه است؟

تاثیر نسبت ذرات درشت‌دانه به ریز‌دانه بر استحکام بتن به صورت زیر است:

  • با افزایش سنگدانه‌های ریز نسبت به سنگدانه‌های درشت، سطح آزاد کلی سنگدانه افزایش می‌یابد.
  • با افزایش سطح آزاد سنگدانه‌ها، میزان آب مورد نیاز برای برای پیوند سنگدانه‌ها نیز بیشتر می‌شود.
  • افزایش آب، افزایش نسبت آب به سیمان را در پی خواهد داشت.
  • افزایش نسبت آب به سیمان نیز، مقاومت را کاهش می‌دهد.

در نتیجه، هر چه نسبت ذرات درشت به ریز بیشتر باشد، مقاومت بتن بیشتر خواهد بود.

تاثیر نسبت سنگدانه به سیمان بر مقاومت بتن چگونه است؟

نسبت سنگدانه به سیمان، به صورت زیر بر روی مقاومت بتن تاثیر می‌گذارد:

  • در صورت ثابت بودن حجم مواد، با افزایش سیمان نسبت به ماسه، سطح آزاد ذرات نیز افزایش می‌یابد.
  • با فرض افزایش سطح آزاد ذرات جامد، آب مورد نیاز برای دستیابی به یک کارایی مشخص نباید تغییر کند.
  • افزایش سیمان با ثابت بودن مقدار آب، بیانگر کاهش نسبت آب به سیمان است.
  • کاهش نسبت آب به سیمان، مقاومت را افزایش می‌دهد.

تاثیر محتوای سیمان بر روی کارایی و مقاومت، بسیار مهم است. برای درک بهتر این تاثیر، نکات زیر را به خاطر داشته باشید:

  • برای یک کارایی مشخص، ‌افزایش سیمان، تاثیر کمی بر روی آب مورد نیاز دارد. این موضوع، نسبت آب به سیمان را کاهش می‌دهد.
  • کاهش آب به سیمان، منجر به افزایش استحکام بتن می‌شود.
  • در نتیجه، برای یک کارایی مشخص، افزایش سیمان باعث افزایش مقاومت بتن خواهد شد.

تاثیر بلوغ و سن بر مقاومت بتن چیست؟

بلوغ بتن، میزان پیشرفت عمل آوری را نمایش می‌دهد. این پارامتر، معیاری برای تعیین رابطه بین دما، سن و مقاومت بتن است. با گذشت زمان و شروع گیرش بتن، واکنش هیدراتاسیون با نرخ مشخصی تکمیل می‌شود و پیوند بین ذرات را تقویت می‌کند. از این‌رو، در اکثر موارد، سن بتن به عنوان یکی از معیارهای اصلی قضاوت در مورد مقاومت مورد استفاده قرار می‌گیرد. بتن پس از 28 روز به 90 درصد مقاومت نهایی خود می‌رسد. در نتیجه، هر چه سن بتن بیشتر باشد، مقاومت آن نیز (تا پیش از رسیدن به مقاومت نهایی) بیشتر خواهد بود.

تاثیر دما بر مقاومت بتن چیست؟

نرخ تکمیل واکنش هیدارتاسیون و عمل آوری بتن، به دما بستگی دارد. با افزایش دما، سرعت واکنش نیز افزایش می‌یابد. به این ترتیب با ثابت بودن پارامترهای دیگر، سرعت افزایش مقاومت بتن در دماهای بالا بیشتر می‌شود. با این وجود، مقاومت نهایی در این شرایط کمتر خواهد بود؛ چراکه با افزایش نرخ سرعت هیدراتاسیون، ساختار فیزیکی خمیر سیمانی، نظم کم‌تر و تخلخل بیشتری خواهد داشت. دما، علاوه بر عمل آوری بتن بر روی نفوذپذیری (ساختار متخلخل) آن نیز تاثیرگذار است. این موضوع، اهمیت تاثیر آن بر مقاومت بتن را افزایش می‌دهد.

تاثیر PH بر مقاومت بتن چیست؟

PH، معیاری است که میزان اسیدی یا قلیایی بودن یک ترکیب را نمایش می‌دهد. میزان PH سیمان پرتلند در حدود 11 است. این عدد، خمیر سیمانی را به یک ترکیب قلیایی تبدیل می‌کند. برای پایدار ماندن پیوند بین ذرات بتن، PH مخلوط باید در محدوده‌ای نزدیک به ۱۱ یا بالاتر باشد. با ورود نمک یا اسید به حفره‌های بتن، میزان PH محیط کاهش می‌یابد و ذرات در معرض حمله شیمیایی قرار می‌گیرند. آسیب دیدن ساختار بتن، باعث کاهش مقاومت بتن می‌شود. PH علاوه بر مقاومت بر روی دوام، جمع‌شدگی، پوسته پوسته شدن، خوردگی میلگرد و پیوند بین سنگدانه‌ها نیز تاثیرگذار است.

تاثیر کربناتاسیون بر روی مقاومت بتن چیست؟

اکثر فرآیندهای شیمیایی، با تغییر PH بتن، مقاومت آن را تحت تاثیر قرار می‌دهند. یکی از فرآیندهای شیمیایی مخرب برای بتن، کربناتاسیون است. در طی این فرآیند، سیمان با کربن دی اکسید موجود در هوا واکنش می‌هد و کلسیم کربنات را به وجود می‌آورد. کلسیم کربنات، محیط را اسیدی می‌کند و PH را کاهش می‌دهد. به این ترتیب، پیوند ذرات بتن تجزیه شده و میلگردهای درون آن خورده می‌شوند.

تاثیر رطوبت نسبی بر مقاومت بتن چیست؟

رطوبت نسبی، میزان بخار آب موجود در بتن در حین عمل آوری را نمایش می‌دهد. با خشک شدن کامل بتن، واکنش هیدراتاسیون متوقف می‌شود. در واقع، این واکنش بدون وجود رطوبت نسبی نمی‌تواند ادامه داشته باشد. به طور کلی، بالا بودن سطح رطوبت نسبی در بازه مورد نیاز برای عمل آوری بتن، نرخ افزایش مقاومت و میزان مقاومت نهایی را بهبود می‌بخشد.

با وجود تاثیر مثبت رطوبت نسبی بر مقاومت بتن در طی عمل آوری، بالا بودن سطح آن در بازه طولانی مناسب نیست. رطوبت نسبی، رابطه مستقیمی با سطح PH بتن دارد. با افزایش رطوبت، PH و دما نیز افزایش می‌یابند. افزایش PH باعث کاهش پیوند بین ذرات و افزایش دما باعث سرعت بیشتر عمل‌آوری می‌شود. این مسئله، ساختار ضعیف و متخلخل به همراه مقاومت نهایی پایین بتن را در پی خواهد داشت.

نکته: توجه داشته باشید که مفهوم رطوبت نسبی (آب در فاز گاز) با رطوبت (آب در فاز مایع) متفاوت است.

معرفی فیلم آموزش تکنولوژی بتن و اختلاط آن

بتن، پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. این ماده کاربرد و اهمیت زیادی در زندگی انسان‌ها دارد. به منظور آشنایی بیشتر و بهتر دانشجویان رشته مهندسی عمران و معماری، فعالان سازه‌های بتنی و همچنین علاقه‌مندان به حوزه حوزه ساخت و ساز، فرادرس آموزشی اقدام به تهیه فیلم آموزش تکنولوژی بتن و اختلاط آن کرده است. این آموزش طی 4 ساعت و 19 دقیقه و در قالب شش درس به معرفی مباحث مرتبط با تکنولوژی بتن می‌پردازد.

در درس یکم تا ششم به ترتیب در مورد اجزای تشکیل دهنده بتن و خواص آن‌ها، ویژگی‌ها، افزودنی‌ها، روش‌های مناسب مراقبت، طراحی اختلاط به روش آیین نامه ACI – 211 و طراحی اختلاط بتن به روش آیین نامه BS مورد بحث قرار می‌گیرد.

آزمایش مقاومت بتن چیست و چگونه اجرا می‌شود؟

آزمایش مقاومت بتن، مجموعه روش‌های مستقیم و غیر مستقیمی است که به منظور اندازه‌گیری مقاومت فشاری، کششی و خمشی بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. آزمایش مقاومت بتن، مطابق با استانداردهای ملی یا بین‌المللی و به صورت آزمایشگاهی یا برجا اجرا می‌شود.

مقاومت فشاری بتن چگونه تعیین می‌شود؟

آزمایش‌های مختلفی برای تعیین مقاومت فشاری بتن وجود دارند. این آزمایش‌ها هم در محیط آزمایشگاه و هم به صورت برجا قابل اجرا هستند. از استانداردهای تعیین مقاومت فشاری بتن در آزمایشگاه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • استاندارد 6048 ایران مطابق با ASTM C39 برای نمونه‌های استوانه‌ای
  • استاندارد 3-1608 ایران مطابق با BS EN 12390-3 برای نمونه‌های مکعبی و استوانه‌ای
  • استاندارد 8985 ایران مطابق با ASTM C873 برای نمونه‌های استوانه‌ای درجا قالب‌گیری شده
مقاومت فشاری بتن استوانه ای
شکست یک نمونه استوانه‌ای بتن در آزمایش مقاومت فشاری تک محوره

با وجود متفاوت بودن شکل نمونه‌ها (استوانه‌ای، مکعبی یا منشوری) و نحوه برداشت آن‌ها (نمونه‌برداری برجا یا ساخت در آزمایشگاه)، روند اجرای آزمایش مقاومت فشاری بتن در اکثر استانداردها مشابه یکدیگر است. مراحل کلی این آزمایش عبارت هستند از:

  • اندازه‌گیری ابعاد نمونه
  • جانمایی نمونه در دستگاه آزمایش یونیورسال یا دستگاه‌های مشابه
  • بارگذاری تا لحظه شکست نمونه
  • یادداشت بار لحظه شکست

مقاومت فشاری نمونه بتن، از تقسیم بار لحظه شکست بر مساحت سطح مقطع تحت بارگذاری به دست می‌آید.

$$
\sigma=\frac{P}{A}
$$

  • σ: مقاومت فشاری بر حسب مگاپاسکال
  • P: بار لحظه شکست بر حسب نیوتون
  • A: مساحت مقطع بارگذاری بر حسب سانتی‌متر مربع

اندازه و شکل نمونه مورد آزمایش بر روی مقاومت به دست آمده تاثیرگذار است. اگر فرض کنیم که یک نمونه استوانه‌ای با ابعاد استاندارد 15*30 سانتی‌متر (نسبت طول به قطر 2) بیانگر 100 درصد از مقاومت فشاری بتن باشد، نمونه‌ای با قطر 15 سانتی‌متر و طول 22 سانتی‌متر بیانگر 104 درصد از مقاومت فشاری بتن خواهد بود. در شکل زیر می‌توان مشاهده کرد که با ثابت بودن نسب طول به قطر (نسبت 2)، مقاومت نمونه‌های استوانه‌ای با افزایش قطر کاهش می‌یابد.

نسبت قطر به مقاومت نمونه بتن
مقاومت نمونه‌هایی با نسبت طول به قطر 2 در مقایسه با مقاومت نمونه استاندارد

به منظور حذف تاثیر ابعاد نمونه، باید مقاومت به دست آمده از نمونه غیر استاندارد را در ضرایب اصلاح ضرب کرد. ضرایب اصلاح مقاومت‌های فشاری به دست آمده از روش‌های استاندارد در جدول زیر آورده شده‌اند. برای تعیین ضریب اصلاح هر نسبت دلخواه می‌توانید از روش درونیابی خطی استفاده کنید.

نسبت طول به قطر ضریب اصلاح
2 1
1.75 0.98
1.50 0.96
1.25 0.93
1.00 0.87

علاوه بر روش‌های آزمایشگاهی، مقاومت فشاری بتن با استفاده از روش‌های برجا نیز اندازه‌گیری می‌شود. از پرکاربردترین استانداردهای مورد استفاده برای تعیین برجای مقاومت فشاری بتن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • استاندارد ASTM C805 برای تعیین مقاومت فشاری بتن با استفاده از آزمایش غیر مخرب چکش اشمیت
  • استاندارد ASTM C900 برای تعیین مقاومت فشاری بتن با استفاده از آزمایش نیمه مخرب بیرون‌کشیدگی
  • استاندارد ASTM C597 برای تعیین غیر مستقیم مقاومت فشاری بتن با استفاده از آزمایش غیر مخرب سرعت پالس فراصوت یا UPV
چکش اشمیت
اجرای آزمایش چکش اشمیت برای تعیین مقاومت فشاری بتن در محل

علاوه بر موارد بالا، مقاوت بتن با استفاده از روش جدیدی به نام آزمایش بلوغ نیز قابل محاسبه است. این آزمایش مطابق با استاندارد ASTM C1074 اجرا می‌شود. مبنای آزمایش بلوغ بتن، اندازه‌گیری مقاومت با توجه به اثرات ترکیبی زمان و دما است. آزمایش بلوغ در محیط آزمایشگاه اجرا می‌شود اما مانند روش‌های آزمایشگاهی قبلی، باعث تخریب نمونه نمی‌شود.

مقاومت کششی بتن چگونه تعیین می‌شود؟

به طور کلی، مقاومت کششی بتن توسط سه روش کشش مستقیم، خمش مستقیم و فشار قطری تعیین می‌شود. از آنجایی که مقاومت کششی بتن نسبت به مقاومت فشاری آن بسیار پایین است، روش مستقیم نتایج دقیقی را به همراه نخواهد داشت. به همین دلیل، روش‌های غیر مستقیم کاربرد بیشتری دارند. یکی از پرکاربردترین روش‌های تعیین غیر مستقیم مقاومت کششی بتن، استاندارد 6047 ایران یا ASTM C496 با عنوان «آزمایش مقاومت کششی دو نیم کردن» یا اصطلاحا آزمایش برزیلی است. تصویر زیر، اجرای آزمایش برزیلی را نمایش می‌دهد.

آزمایش برزیلی مقاومت کششی بتن
شکست (دو نیم شدن) نمونه استوانه‌ای، تحت بار فشاری در آزمایش برزیلی

در آزمایش برزیلی، یک نمونه استوانه‌ای مانند شکل بالا تحت فشار قرار می‌گیرد (روش فشار قطری). پس از تعیین بار فشاری در لحظه شکست، مقدار مقاومت کششی با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$T = {2P \over \pi LD}$$

  • T: مقاومت کششی بر حسب کیلوپاسکال
  • P: حداکثر بار اعمال شده بر حسب کیلوپاسکال
  • L: طول نمونه
  • D: قطر نمونه

استفاده از آزمایش‌های برجا در تعیین مستقیم مقاومت کششی بتن مرسوم نیست. اجرای این نوع آزمایش‌ها دشوار بوده و نتایج به دست آمده از آن‌ها قابل اعتماد نیستند.

مقاومت خمشی بتن چگونه تعیین می‌شود؟

مقاومت خمشی بتن یا مدول گسیختگی، مطابق با استاندارد 490 ایران یا ASTM C78 تعیین می‌شود. در آزمایش معرفی‌شده در این استاندارد، علاوه بر مقاومت خمشی بتن می‌توان مقاومت کششی آن را نیز به طور غیر مستقیم محاسبه کرد؛ چراکه در مواد همگن، مقاومت خمشی و کششی با هم برابر هستند. مشخصات نمونه و تجهیزات مورد استفاده برای آزمایش مقاومت خمشی با آزمایش‌های مقاومت فشاری و کششی تفاوت دارد. تصویر زیر، دستگاه آزمایش مقاومت خمشی را نمایش می‌دهد.

دستگاه آزمایش مقاومت خمشی به همراه یک نمونه تیر بتنی

آزمایش تعیین مقاومت خمشی بتن، معمولا بر روی یک نمونه با مقطع مستطیلی به ابعاد 53*15*15 سانتی‌متر انجام می‌شود. این آزمایش به صورت سه نقطه‌ای (اعمال بار به مرکز) و چهار نقطه‌ای (تصویر زیر) قابل اجرا است.

آزمایش مقاومت خمشی تیر بتنی
ابعاد نمونه مورد استفاده و موقعیت‌های بارگذاری در آزمایش تعیین مقاومت خمشی بتن

مراحل کلی اجرای آزمایش تعیین مقاومت خمشی بتن عبارت هستند از:

  • آماده‌سازی نمونه
  • جانمایی نمونه در دستگاه (رعایت فواصل دو طرف و محور بارگذاری)
  • اعمال بارگذاری
  • یادداشت بار در لحظه شکست و محل رخ دادن شکست

در صورت رخ دادن شکست در یک‌سوم میانی دهانه تیر، مقاومت خمشی برابر است با:

$$
R=\frac{P L}{b d^{2}}
$$

  • P: بار لحظه شکست
  • L: طول دهانه (فاصله بین دو تکیه‌گاه)
  • b: عرض
  • d: ضخامت

در صورت رخ دادن شکست بیرون از یک‌سوم میانی، مقاومت خمشی از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$
R=\frac{3P L}{b d^{2}}
$$

اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *