مقاله بررسی روشهای غیرمخرب و نیمه مخرب در ارزیابی مقاومت بتن

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی روشهای غیرمخرب و نیمه مخرب در ارزیابی مقاومت بتن

خلاصه

نیاز به آزمایش بر روی بتن برای تعیین مقاومت آن در محل سرویس دهی از حدود 70 سال پیش احساس شده است و تاکنون روشهای متعددی اعم از روشهای غیرمخرب و نیمه مخرب به منظور تخمین مقاومت بتن در سازه ابداع گردیده است. در انتخاب روش مناسب در ارزیابی مقاومت فشاری بتن درجا ، پارامترهای زیادی می توانند تاثیرگذار باشند که از این بین آنها می توان به نوع روش ، دقت، هزینه و زمان انجام آزمایش اشاره نمود. در این مقاله ، روش های غیر مخرب اولتراسونیک و چکش ارتجاعی و روش های نیمه مخرب بیرون کشیدگی (pull out) ، پاره شدگی

( pull off ) و مغزه گیری ارزیابی شده و عوامل موثر بر روی نتایج هرکدام از این روشها مورد بررسی قرار گرفته اند. همچنین با تکیه بر مطالعات آماری به ارزیابی مقایسه ای آنها برای تعیین مقاومت بتن در محل پرداخته شده است.

کلمات کلیدی: مقاومت فشاری ، بتن درجا ، نمونه های قالب گیری ، نمونه های درجا ، روشهای غیر مخرب و نیمه مخرب

مقدمه

تا قبل از حدود 70 سال پیش ، رایج ترین آزمایش برای تعیین مقاومت فشاری بتن ، آزمایش بر روی نمونه های استاندارد استوانه ای و مکعبی بوده است. اما این نمونه های قالب گیری شده ممکن است در اثر عواملی همچون عدم توجه به شرایط واقعی ، اختلاف در عمل آوری ، نحوه انتخاب نمونه ها ازکل مجموعه ، وجود تغییرات در نوع و مقدار مصالح از پیمانه ای به پیمانه دیگر و تفاوت در نوع تراکم ، معرف مشخصات و خصوصیات بتن بکار رفته در ساخت اعضای سازه واقعی نباشند. از طرفی امروزه وقوع حوادثی نظیر زلزله و آتش سوزی ، ایجاد تغییرات در کاربری سازه موجود ، مورد تردید قرار گرفتن کیفیت بتن در سازه به دلیل نقص در اجرا ، ارزیابی مقاومت فشاری بتن در محل ضرورت پیدا می کند. تلاشهای گسترده ای جهت کنترل کمی و کیفی مقاومت بتن در سازه انجام گردیده و روشهای متعددی برای تخمین مقاومت فشاری بتن در محل ابداع شده است که بر اساس مکانیزم حاکم در این روشها می توان آنها را به دو گروه روشهای غیر مخرب و نیمه مخرب تقسیم نمود که می توانند به نحو مستقیم یا غیر مستقیم مقاومت بتن را مورد ارزیابی قرار دهند.

توسط آزمایشات غیر مخرب ، می توان مقاومت عضو سازه ای و تغییرات در خواص مصالح را نسبت به زمان ، با تکرار آزمایشات بر روی عضو و بدون بر جای گذاردن اثر تخریب بر سازه به دست آورد. البته از آنجایی که تعیین مقاومت ، مستلزم ایجاد تنش های تخریبی می باشد ، لذا واضح است که روش غیر مخرب نمی تواند مقاومت بتن را تعیین نماید . لذا این آزمایشات دربرگیرنده اندازه گیری پارامترهای دیگری می باشند که ارتباط این پارامترها با مقاومت فشاری می بایستی توسط منحنی های کالیبراسیون انجام گیرد. البته باید توجه داشت که هرچند این روش، به علت حساسیت بالای آن به تغییر در ویژگیهای مصالح بکار رفته و نسبت های اختلاط و تعدد پارامترهای تاثیرگذار بر روی منحنی کالیبراسیون پیشنهاد نمی شود ؛ اما می تواند نقش بسیار ارزنده ای در ارزیابی تخمین مقاومت بتن در محل ایفا کند.[1] از میان روشهای غیرمخرب میتوان به روش اولتراسونیک و روش چکش ارتجاعی اشاره نمود.
در روش های نیمه مخرب ، با به جا گذاشتن تخریب جزئی در سازه که البته ساختار سازه ای را مختل نمی کند؛ می توان به نوعی مقاومت بتن را مورد ارزیابی قرار داد . تمامی آزمایشات متعلق به این گروه باعث بوجود آوردن خسارات کوچکی در سازه می گردند بنابراین در طرح و اجرای این آزمایشات می بایستی دقت کافی را به عمل آورد تا بتوان با ترمیم بخشهای آسیب دیده مانع از تحت تاثیر قرار گرفتن دوام بتن گردند. در هر موردی که مقاومت مشخصه اندازه گیری می شود ؛ رابطه آن با مقاومت فشاری مورد نیاز است .در این روش از آنجایی که پارامتر اندازه گیری شده با مقاومت بتن در ارتباط

1

می باشد ، نسبت به روش غیر مخرب از درجه اهمیت و اعتبار بیشتری برخوردار می باشد. همچنین باید به این نکته اشاره نمود که منحنی های کالیبراسیون برای این دسته از آزمایشات نسبت به متغیرهایی که وابسته به وضعیت بتن و نسبتهای اختلاط است حساسیت کمتری دارند.[2] از میان انواع روشهای غیر مخرب می توان به مغزه گیری ، مقاومت نفوذ ، pull off و pull out اشاره نمود.

امروزه گرایش به انجام آزمایشات مورد پذیرش در محل ، در قالب روشهای غیرمخرب و یا نیمه مخرب روز به روز بیشتر می شود؛ لکن انتخاب نوع روش بسته به نوع آزمایش، از نظر میزان مخرب بودن آزمایش، سرعت انجام ، هزینه و قابلیت تفسیر نتایج در تخمین مقاومت بتن می بایستی مورد توجه قرار گیرد. در جدول 1 تعدادی از آزمایشها از نظر میزان هزینه ، سرعت و دقت برای تخمین مقاومت ، دسته بندی شده است. ویژگی های اشاره شده در مورد هریک از روشها به همراه میزان قابل اعتماد بودن نتایج حاصل از آنها، می تواند به عنوان عامل تعیین کننده در انتخاب روش مناسب بکار رود.

جدول -1 مقایسه برخی از روشهای تخمین مقاومت بتن در محل [3]

قابلیت اطمینان منحنی کالیبراسیون قابلیت تفسیر نتایج میزان آسیب به بتن سرعت انجام آزمایش هزینه نام روش
خوب متوسط متوسط آهسته بالا مغزه گیری
متوسط در بخشهای سطحی بتن کم سریع متوسط مقاومت نفوذ
متوسط در بخشهای سطحی بتن کم سریع متوسط Pull out
متوسط در بخشهای سطحی بتن کم متوسط متوسط Pull off
ضعیف خوب بدون آسیب سریع کم اولتراسونیک
ضعیف تنها در سطح بتن احتمالی سریع خیلی کم چکش ارتجاعی

برنامه آزمایشگاهی:

در این مطالعه دو نوع مخلوط بتنی با عیار سیمان 250 و 350 کیلوگرم در متر مکعب، تهیه شده است. ماسه مصرفی از نوع رودخانه ای و شن مصرفی به صورت شکسته از نوع ماسه سنگ می باشد. میزان مصالح مصرفی در یک متر مکعب بتن از هر طرح اختلاط تهیه شده در جدول2 آورده شده است.

جدول -2 طرح اختلاط بتن

از دو نوع مخلوط بتن دو دسته نمونه بتنی تهیه شد. دسته اول شامل نمونه های مکعبی به ابعاد 10، 15و20 سانتیمتر بود که برای انجام آزمایشات درجا (به استثنای مغزه گیری) و همچنین آزمایش مقاومت فشاری برای تهیه منحنی کالیبراسیون مورد استفاده قرار گرفتند و دسته دوم دال بتنی به ابعاد 150  150  30 cm بود که مغزه گیری بر روی آن انجام گردید. به طور محدود، تنها برای آزمایش اولتراسونیک و برای مشاهده اثر نوع سنگدانه بر روی منحنی کالیبره ، مشابه طرح اختلاط رده C2 ، طرحی دیگر که در آن از مصالح درشت دانه سنگ آهک به جای ماسه سنگ نیز استفاده گردید مورد بررسی قرار گرفت. 24 ساعت پس از نمونه گیری، قالبهای استاندارد را باز کرده و نمونه ها در داخل حوضچه و تعدادی نیز در شرایط آزمایشگاهی نگهداری شدند. قالب دال بتنی پس از گذشت 24 ساعت، باز شده و دال ها با گونی مرطوب به مدت 7 روز نگهداری و سپس در شرایط محیط قرار گرفتند. از دال ها به کمک مته الماسی مغزه هایی به قطر 5 سانتیمتر تهیه گردید. آزمایشات غیرمخرب چکش ارتجاعی و اولتراسونیک و روشهای نیمه مخرب مغزه گیری ، pull off وpull out در سنین 3 تا 360 روز انجام شدند.

روش انجام آزمایش، ارائه نتایج و تحلیل

روشهای غیر مخرب

آزمایش چکش ارتجاعی ( ( Rebound Hammer

این آزمایش در سال 1948 توسط یک مهندس سوئیسی به نام ارنست اشمیت ابداع گردید و اکنون با نام آزمایش چکش اشمیت شناخته می شود. این آزمایش بر این اساس است که برگشت یک جسم الاستیک بستگی به سختی سطحی دارد که جرم با آن برخورد می کند. چکش اشمیت دارای یک میله فولادی است که در تماس با سطح بتن قرار داده می شود. در داخل چکش وزنه ای وجود دارد که با مقدار انرژی معینی بر میله فولادی ضربه می زند.

پس از ضربه زدن، وزنه باز می شود و در همین حال، شاخص متصل به وزنه مقدار بازگشت را نشان می دهد (شکل.(1
در واقع عدد بازگشت همان فاصله برگشت وزنه است که نتایج بر حسب آن گزارش شده و توسط منحنی کالیبره به مقاومت فشاری بتن ارتباط داده می شود. منحنی کالیبره برای مقاومت فشاری در این روش دارای حساسیت بسیار بالایی بوده و تحت تاثیر عوامل متعددی از جمله نوع و مقدار سیمان ، نوع سنگدانه ، میزان رطوبت ، سن بتن ، درجه کربناسیون و حتی امتداد آزمایش قرار می گیرد.[3]

2

شکل – 1 قسمتهای مختلف چکش ارتجاعی

در انجام این مطالعه ، آزمایش چکش ارتجاعی بر روی نمونه های مکعبی به ابعاد 10 سانتیمتر تهیه شده از بتن رده C2 که در شرایط خشک نگهداری شده بودند انجام شد. داده های بدست آمده از این روش ، میانگین36 عدد قرائت شده می باشد. 3) عدد قرائت شده بر روی هرکدام از 4 وجه جانبی 3

نمونه مکعبی).
بر اساس نتایج بدست آمده از این آزمایش و آزمایش مقاومت فشاری نمونه های مکعبی ، رابطه زیر به کمک روش برازش منحنی به شیوه کمترین مربعات مورد تحلیل قرار گرفت. این رابطه که ارتباط مقاومت فشاری بتن و عدد بازگشت را نشان می دهد به صورت زیر می باشد.

که در آن R ، عدد بازگشت ، fc ، مقاومت فشاری بتن بر حسب kg / cm2 و a,b ضرایب تجربی هستند که برای بتن های مختلف و در شرایط
متفاوت تغییر می کنند. در این مطالعه با توجه به شرایط ذکر شده ، رابطه فوق برای به صورت fc  0.308R2.040 با ضریب همبستگی 0/990 بدست آمد که همراه با حدود اطمینان 95% در شکل 2 نشان داده شده است. دقت تخمین مقاومت بر مبنای حد اطمینان 95% برای این آزمایش  12% بدست آمد. نتایج بدست آمده در این تحقیق به همراه نتایج بدست آمده از مطالعه دیگری که توسط مدندوست برروی بتن سبک حاوی Lytag انجام گرفته است [4] ، در شکل 3 آورده شده است . مشاهده می شود که نوع بتن می تواند تاثیر قابل توجهی بر روی منحنی کالیبره داشته باشد و می بایستی در تهیه این منحنی برای آزمایش چکش ارتجاعی مدنظر قرار گیرد. همچنین دقت تخمین مقاومت برای این سبکدانه بر مبنای حد اطمینان % 95،  18% گزارش شده است که می تواند نشان دهنده دقت خوب این آزمایش برای بتن سبک نیز باشد.

شکل – 2 ارتباط بین عدد بازگشت و مقاومت فشاری شکل – 3 ارتباط بین عدد بازگشت و مقاومت فشاری برای بتن معمولی و بتن سبک

آزمایش اولتراسونیک ( ( Ultrasonic

این روش با نام سرعت امواج پالسی ماورای صوت نیز شناخته می شود و اساس آن بر مبنای تعیین سرعت عبور امواج پالسی ماورای صوت از میان اجسام قرار دارد. مشهورترین دستگاهی که برای این آزمایش به کار می رود موسوم به Pundit است. توسط این دستگاه پالسهای ماورای صوت با اعمال یک تغییر ناگهانی پتانسیل از یک فرستنده محرک به یک کریستال پیزوالکتریک مبدل که ارتعاشی با فرکانس اصلی خود صادر می نماید ایجاد می شود. مبدل فرستنده در تماس با دو وجه بتن قرار می گیرد و ارتعاشات، پس از عبور از بتن توسط مبدل گیرنده دریافت می شود[5] .نحوه قرار دادن مولدها در این آزمایش به سه روش انتقال مستقیم، نیمه مستقیم و سطحی امکان پذیر است که مناسبترین وضعیت برای انتقال امواج به صورت انتقال مستقیم می باشد. در این وضعیت چون امواج از درون بتن عبور می کنند نسبت به دو حالت دیگر دارای دقت بالاتری می باشد. بر اساس نتایج سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری نمونه های استاندارد، منحنی کالیبره تهیه می گردد. محققین متعددی رابطه بین مقاومت بتن و سرعت امواج اولتراسونیک را مورد مطالعه قرار داده اند. مطالعات به عمل آمده نشان می دهد که هیچ گونه رابطه واحدی بین این سرعت و مقاومت بتن وجود ندارد.

برای مثال نوع سنگدانه و مقدار آن و همچنین میزان رطوبت ، دما و حضور آرماتور بر روی رابطه میان سرعت امواج و مقاومت ، موثر می باشد وشاید بتوان در شرایط مشخص شده ای این دو پارامتر را به یکدیگر ارتباط داد. [5]

در این مطالعه جهت انجام آزمایش اولتراسونیک و تهیه نمودار کالیبره ، آزمایش بر روی نمونه های مکعبی به ابعاد 10 سانتیمتر از بتنی مشابه رده C2

که در آن از درشت دانه سنگ آهک استفاده شده بود برای دو وضعیت نگهداری خشک و مرطوب و در سنین 3 تا 42 روز انجام شد. نتایج ، میانگین بدست آمده از آزمایش بر روی 3 نمونه می باشند .سپس به کمک برازش منحنی به شیوه کمترین مربعات ، رابطه زیر که ارتباط مقاومت فشاری بتن و سرعت امواج اولتراسونیک را نشان می دهد، پیشنهاد و مورد تحلیل قرار گرفت.

که در آن fc ، مقاومت فشاری بتن بر حسب kg / cm2 ، Vسرعت امواج اولتراسونیک بر حسب کیلومتر بر ثانیه و a,b ضرایب تجربی هستند. ضرایب
تجربی a,b برای انواع مختلف بتن و شرایط عمل آوری و سن بتن متفاوت خواهد بود. در این مطالعه با توجه به شرایط ذکر شده ، رابطه فوق برای
نمونه های خشک به صورت fc  0.056e2.038V با ضریب همبستگی 0/951 و برای نمونه های قرار گرفته در وضعیت مرطوب به صورت
fc  0.011e2.338V با ضریب همبستگی 0/871 بدست آمد که در شکل 4 آمده است.

شکل – 4 ارتباط بین سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری بتن برای نمونه های خشک و مرطوب

از مقایسه این دو نمودار مشاهده می گردد که درصد رطوبت تاثیر زیادی در تخمین مقاومت فشاری دارد. بطوری که اگر کالیبراسیون بر روی نمونه های مکعبی تر صورت گیرد مقاومت سازه کمتر از مقدار واقعی تخمین زده خواهد شد . برای مشاهده تاثیر نوع سنگدانه، نمودارهای کالیبره تهیه شده از بتن رده C2 با درشت دانه های از جنس سنگ آهک و ماسه سنگ به همراه حدود اطمینان 95% برای داده ها در شکل 5 آورده شده است. همانگونه که از شکل پیداست تاثیر نوع سنگدانه نیز به نوبه خود بسیار حائز اهمیت می باشد . لذا به نظر می رسد که روش اولتراسونیک تحت شرایط مشخصی ممکن است در تعیین مقاومت بتن مطرح باشد. دقت این آزمایش بر مبنای حد اطمینان 95% برای بتن حاوی سنگ آهک ،  24% و برای بتن با درشت دانه ماسه سنگ به اندازه  22% بدست آمده است.

شکل – 5 ارتباط بین سرعت امواج اولتراسونیک و مقاومت فشاری بتن برای سنگدانه های مختلف