بتن، پرکاربردترین مصالح ساختمانی است که از ترکیب آب، سیمان و سنگدانه ساخته می‌شود. خواص بتن، به دو دسته خواص «بتن تازه» (Fresh Concrete) و خواص «بتن سخت شده» (Hardened Concrete) تقسیم می‌شود. مقاومت فشاری، مهمترین ویژگی بتن سخت شده به حساب می‌آید. اهمیت مقاومت فشاری بتن به حدی زیاد است که می‌توان از آن به عنوان معیاری برای ارزیابی اولیه تمام خصوصیات بتن استفاده کرد. در این مقاله، به معرفی استحکام فشاری بتن، عوامل موثر و آزمایش‌های موجود برای تعیین این پارامتر مهم خواهیم پرداخت.

مقاومت فشاری بتن

مقاومت فشاری، توانایی ماده یا سازه در تحمل بارهای وارده بدون رخ دادن ترک یا تغییرشکل است. مقاومت فشاری بتن به عنوان یکی از مهمترین نقاط مثبت این ماده شناخته می‌شود. این ویژگی معمولا به عنوان معیاری برای ارزیابی کیفیت کلی بتن و همچنین توصیف ویژگی‌های دیگر آن نظیر روانی و یکنواختی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صورت ساخت اصولی بتن، مقاومت فشاری آن می‌تواند به اندازه یک سنگ سخت طبیعی باشد.

ساختمان بزرگ بتنی
استفاده از بتن به عنوان مصالح اصلی در ساخت یک سازه بزرگ بتنی

مقاومت فشاری بتن با واحد مگاپاسکال (MPa) در سیستم SI و واحد پوند بر اینچ مربع (psi) در سیستم واحدهای اندازه‌گیری آمریکایی نمایش داده می‌شود. استحکام فشاری بتن در حالت معمولی در بازه 15 تا 30 مگاپاسکال تغییر می‌کند. البته برای سازه‌های صنعتی و تجاری سقف این بازه بیشتر خواهد بود.

رابطه مقاومت فشاری با سن بتن

مقاومت فشاری بتن با گذشت زمان افزایش می‌یابد. بنابراین هرچه سن بتن بالاتر باشد، مقاومت فشاری آن نیز بیشتر خواهد بود. جدول زیر، روند افزایش استحکام فشاری بتن در طول زمان را نشان 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

طبق جدول بالا، مقاومت فشاری بتن پس از 28 روز به 99 درصد مقاومت واقعی خود می‌رسد. به همین دلیل، معمولا هنگامی که صحبت از استحکام فشاری بتن می‌شود، منظور مقاومت 28 روزه آن است.

عیار بتن

حداقل مقاومت فشاری 28 روزه مورد نیاز بتن برای ساخت یک سازه بتنی با عنوان «عیار بتن» (Grade of Concrete) شناخته می‌شود. نمایش این عیار به صورت ترکیبی از حرف انگلیسی M با عدد مقاومت فشاری مورد نیاز (بر حسب مگاپاسکال) است. به عنوان مثال، عیار بتنی با مقاومت فشاری 20 مگاپاسکال، M20 خواهد بود. بتن‌های دارای مقاومت فشاری پایین (M15 تا M25) معمولا برای ساخت سازه‌های کوچک و بتن‌های دارای مقاومت فشاری بالا ( M30 به بالا) برای ساخت سازه‌های بزرگ استفاده می‌شوند. در جدول زیر، رابطه بین عیار بتن با مقاومت فشاری 7 روزه و 28 روزه آن را نمایش داده شده است.

عیار بتن حداقل مقاومت فشاری 7 روزه مقاومت فشاری 28 روزه
M15 10 مگاپاسکال 15 مگاپاسکال
M20 13.5 مگاپاسکال 20 مگاپاسکال
M25 17 مگاپاسکال 25 مگاپاسکال
M30 20 مگاپاسکال 30 مگاپاسکال
M35 23.5 مگاپاسکال 35 مگاپاسکال
M40 27 مگاپاسکال 40 مگاپاسکال
M45 30 مگاپاسکال 45 مگاپاسکال

به دلیل محدودیت‌های زمانی انجام آزمایش در برخی از پروژه‌ها، از مقاومت فشاری 7 روزه به عنوان معیاری برای کنترل کیفیت بتن استفاده می‌شود. توجه داشته باشید که در این حالت باید مقاومت فشاری 7 روزه را مطابق جدول بالا به مقاومت فشاری 28 روزه تبدیل کرد. به علاوه، برای اعتبارسنجی نتایج می‌توان چندین نمونه را در بازه‌های زمانی مشخص، مورد آزمایش قرار داد. عوامل متعددی بر روی مقاومت فشاری بتن تاثیرگذار هستند که در بخش بعدی به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

عوامل موثر بر مقاومت فشاری بتن

عوامل متعددی بر روی میزان مقاومت فشاری بتن تاثیرگذار هستند. در ادامه، به معرفی برخی از این عوامل می‌پردازیم.

نسبت آب به سیمان

نسبت آب به سیمان، نحوه شکل‌گیری ساختار متخلخل بتن را مشخص می‌کند. فضای متخلخل درون بتن، به عنوان ضعیف‌ترین بخش آن شناخته می‌شود که به گسترش ترک در هنگام بارگذاری کمک می‌کند. هرچه نسبت آب به سیمان بیشتر باشد، مقاومت فشاری بتن کمتر خواهد بود. در طرف مقابل، با بالا بودن نسبت آب به سیمان، زمان گیرش بتن طولانی‌تر می‌شود.

رطوبت

وضعیت رطوبت بتن در زمان انجام آزمایش، بر روی مقدار مقاومت به دست آمده تاثیرگذار است. به عنوان مثال، در صورت انجام آزمایش بر روی یک نمونه خشک، مقدار مقاومت فشاری به دست آمده نسبت به مقدار آن برای یک نمونه مرطوب (با ثابت در نظر گرفتن دیگر شرایط) بیشتر خواهد بود.

تراکم

مقاومت بتن به نحوه قرارگیری سنگدانه (شن و ماسه) در کنار یکدیگر بستگی دارد. اگر تراکم ذرات به خوبی صورت نگرفته باشد، فضای بتن دارای حفره‌های بیشتری خواهد بود. این مسئله، مقاومت فشاری بتن را کاهش می‌دهد.

ترکیبات شیمیایی سیمان

از بین ترکیبات سیمان، «تری‌کلسیم سیلیکات» (Tricalcium Silicate) یا به اختصار C3S و «دی‌کلسیم سیلیکات» (Dicalcium Silicate) یا به اختصار C2S، اهمیت بخصوصی در مقاومت بتن دارند. افزایش مقاومت بتن با گذشت زمان، پیش از هر چیزی به نسبت این دو ماده بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر ترکیبی دارای C3S بالا و C2S پایین باشد، در ابتدا مقاومت بیشتری خواهد داشت اما نرخ افزایش مقاومت آن با گذشت زمان کاهش خواهد یافت.

ابعاد ذرات سیمان

اندازه ابعاد ذرات سیمان بر روی نرخ رشد مقاومت بتن تاثیرگذار است. ریزتر بودن سیمان، سطح بیشتری را برای واکنش هیدارتاسیون فراهم می‌کند. این مسئله، شتاب انجام واکنش مذکور را افزایش می‌دهد.

شرایط عمل آوری

شرایط عمل آوری بتن، مخصوصا دمای حین این فرآیند، محیط را برای افزایش سرعت واکنش هیدراتاسیون و در نتیجه سخت شدن بتن فراهم می‌کنند. رطوبت محلی که بتن در آن نگهداری می‌شود بر روی مقاومت آن موثر است. در محیط‌های بسیار خشک، سطح بتن به میزان قابل توجهی خشک و سرعت فرآیند هیدراتاسیون بسیار کم می‌شود.

شرایط آزمایش

یکی دیگر از عوامل موثر بر مقاومت فشاری بتن، شرایطی است که نمونه بتنی در آن مورد آزمایش قرار می‌گیرد. برای جلوگیری از تاثیر قابل توجه این عامل بر روی نتایج به دست آمده، باید تمام نمونه‌ها را طبق یک استاندارد واحد آزمایش کرد.

آزمایش‌ مقاومت فشاری بتن

به منظور تعیین مقاومت فشاری بتن، معمولا از «دستگاه آزمایش یونیورسال» (Universal Testing Machine) یا اصطلاحاً «UTM» استفاده می‌شود. این دستگاه، ابزاری برای اجرای آزمایش مقاومت فشاری و کششی بر روی مواد مختلف است. برای انجام آزمایش مقاومت فشاری بتن می‌توان از نمونه‌های مکعبی، استوانه‌ای یا منشوری شکل استفاده کرد. نمونه‌برداری، قالب‌بندی، عمل آوری، ابعاد نمونه‌ها و شرایط کلی آزمایش، به استانداردهای تعریف شده بستگی دارد. به عنوان مثال، در استاندارد «ASTM C39 / C39M 20»، روش اجرای آزمایش مقاومت فشاری برای نمونه‌های استوانه‌ای بتن به طور کامل شرح داده شده است.

آزمایش مقاومت فشاری بتن - نمونه استوانه ای
شکست یک نمونه استوانه‌ای بتن در آزمایش مقاومت فشاری تک محوره

معمولا از نمونه‌های 7 روزه یا 28 روزه برای آزمایش تعیین استحکام فشاری بتن استفاده می‌شود. به طور خلاصه، روند آزمایش به این صورت است که ابتدا نمونه‌ها را درون دستگاه آزمایش یونیورسال یا هر دستگاه مناسب آزمایش با قابلیت اعمال فشار تک محوره قرار می‌دهند. سپس، بار فشاری را با نرخی معادل 0.23 مگاپاسکال بر ثانیه به نمونه وارد کرده و حداکثر بار فشاری قابل تحمل توسط هر نمونه (قبل از شکست) را اندازه‌گیری و ثبت می‌کنند.

بتن تحت فشار
نمونه مکعبی بتن تحت فشار

از تقسیم حداکثر بار فشاری قابل تحمل بر مساحت سطح مقطع نمونه، مقاومت فشاری به دست می‌آید. به منظور کاهش خطا می‌توان این آزمایش را چندین بار تکرار کرد و از مقادیر به دست آمده میانگین گرفت.

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 9 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

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