بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی و مقایسه ی روشهای اندازه گیری زبری سطوح بتنی
چکیده
دوام تعمیرات سازههای بتنی ارتباط مستقیمی با کیفیت اتصال بتن جدید و قدیم خواهد داشت، شرایط مطلوب سطح بتن قدیم هنگامی که لایهی جدیدی از بتن بر روی آن قرار میگیرد، میتواند یک پیوند مناسب و در نتیجه یک تعمیر موفق را تضمین کند. چسبندگی دو بتن به عوامل متعددی از قبیل: حضور یک لایهی ضعیف از بتن در سطح اتصال، درجهی رطوبت بتن بستر، میزان جذب آب بتن موجود، مشخصات مکانیکی بتن بستر و جدید و نوع بتن جدید (پایه سیمانی یا رزینی) دارد. زبری سطح اتصال نیز یکی از مهمترین عوامل در چسبندگی دو بتن است و این موضوع به حدی حائز اهمیت است که بعضی از محققین معتقدند با ایجاد زبری مناسب بر روی بتن بستر، تا حد زیادی از چسبندگی فیمابین دو بتن اطمینان حاصل خواهد شد و حتی نیازی به عوامل پیوند نیز نخواهد بود.
در سالهای اخیر روشهای متعددی بمنظور ارزیابی زبری سطوح بتنی ارائه شده لیکن هنوز روشی به عنوان کارآمدترین روش مورد قبول واقع نشده است. در این تحقیق پس از معرفی و تشریح روشهای موجود، به کمیسازی ملاکهای مهم در انتخاب آزمایشها پرداخته شده است. این معیارها شامل نیاز به نیروی متخصص، امکان اجرا در محل، هزینهی آزمایش، مخرب و یا غیر مخرب بودن، نیاز به تماس مستقیم دستگاه با سطح و همچنین امکان ارائهی یک پارامتر کمی پس از بکارگیری روش هستند. در انتهای تحقیق با انجام تحلیل فاصله بر روی متغیرهای کمی شده، مشخص شد که روشهای "ارزیابی دایروی سطح" و "آنالیز دیجیتالی سطح" دارای کمترین فاصله با مقادیر بهینه بوده و به عنوان بهینهترین روشها در ارزیابی میزان زبری سطوح بتنی خواهند بود.
واژههای کلیدی: سطوح بتنی، زبری، روش بهینه ارزیابی، تحلیل فاصله
مقدمه
خرابی در سازههای بتنی معمولاً از سطح آغاز شده و به داخل پیشروی میکنند. بتن تخریب شدهی سطحی باید برداشته شده و با مصالح تعمیراتی جدید جایگزین شود تا یک مصالح یکپارچه و مرکب حاصل شود. به منظور اطمینان از اندرکنش مناسب و به تبع آن انتقال بار صحیح بین بتن قدیم و مصالح جدید، ضروریست که اتصال مطلوبی بین این دو برقرار شود. به طور ذاتی، اتصال به داشتن سطح تمیز و زبر بستر مربوط است. در این زمینه ابوتیر و همکاران با ارائهی روشی به ارزیابی میزان زبری سطوح آماده شده به روشهای مختلف و تأثیر آن بر مقاومت چسبندگی پرداختهاند. در مقایسه با روشهای کارگاهی مورد بررسی، آمادهسازی سطح با قلم فولادی مقاومت چسبندگی بیشتری از خود نشان داده است. استفاده از تفنگ سوزنی اگرچه به نظر میرسد زبری بیشتری ایجاد میکند، لیکن موجب تخریب سطحی بتن شده و مقاومت چسبندگی را کاهش میدهد . [1] ممیز و همکاران به مقایسهی روشهای مختلف در ارزیابی مقاومت چسبندگی بتن جدید و قدیم پرداختهاند. در بخشی از این تحقیق میزان تأثیر زبری سطوح بر مقاومت چسبندگی مورد بررسی قرار گرفته که این میزان در دو ردهی کم و زیاد ایجاد شده است. در سطوح با زبری کم به کمک برس سیمی شیرهی سیمان از سطح خارجی زدوه و سنگدانهها نمایان شدهاند (دامنهی زبری 3 تا 4 میلیمتر). در سطوح با زبری زیاد میزان دامنه زبری برابر 7 تا 8 میلیمتر بوده است. نتایج حاکی از آن است که سطوح زبر موجب افزایش مقاومت چسبندگی شده و این مقدار افزایش از %9 برای آزمایش کشش مستقیم تا %25 برای آزمایش برش مایل بدست آمده است. در مقایسه بین مصالح تعمیراتی پایه سیمانی و پایه رزینی، میزان تأثیر زبری بر افزایش مقاومت چسبندگی در مصالح پایه سیمانی بدلیل قدرت چسبندگی کمتر این مصالح نسبت به پایه رزینی، بیشتر ارزیابی شده است .[2] گاربچ و همکاران به مقایسه روشهای مختلف مضرسسازی سطوح و نیز روشهای متفاوت در ارزیابی میزان زبری پرداختهاند. در بین روشهای بررسی شده، ساچمهپاشی زبری بیشتری را ایجاد کرده است. البته این روش موجب ایجاد ترکهای سطحی در بتن شده و به طور کلی برای بتنهای با مقاومت سایشی کم توصیه نشده است. همچنین با افزایش زمان آمادهسازی، احتمال تخریب لایههای سطحی افزایش یافته است. بنابراین در بتنهایی که دارای لایهی سطحی ضعیفی هستند، مقاومت چسبندگی بین بتن جدید و قدیم به طور مستقیم با میزان زبری سطح بستر ارتباط ندارد. در کنار تأثیر زبری در مقاومت چسبندگی، استفاده از بتونه و رابطهی آن با میزان زبری سطوح در مقاومت چسبندگی مورد بررسی قرار گرفت. انجام آزمایش کشش مستقیم بر روی نمونهها نشان داد که در سطوح با زبری زیاد (استفاده از ساچمهپاشی)، اعمال بتونه بین سطوح اتصال موجب افزایش بیشتر مقاومت چسبندگی نمونهها در مقایسه با سطوح با زبری کمتر شده و محل شکست به نقطهای غیر از محل اتصال انتقال یافته است .[3] سانتوس و همکاران تحقیقات وسیعتری را بر روی تأثیر میزان زبری بر اتصال بتن قدیم و جدید انجام دادهاند. در این مطالعه اثر زبری سطوح به همراه اثر استفاده از مواد چسبی در سطح اتصال و نیز تأثیر میزان رطوبت بتن قدیم مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین اتصال بتن قدیم به جدید به دو دستهی اتصال بتن سخت شده با سخت شده و نیز بتن تازه با بتن سخت شده تقسیم شده است. در این مطالعه سه نوع سطح زبری برای بررسی تأثیر زبری سطوح اتصال عبارت است از: -1 سطح بتن قدیم بعد از باز کردن قالبها بدون تغییر باقی بماند (نمونه شاهد) - 2با استفاده از برس سیمی سطح بتن قدیم آماده شود -3 ایجاد زبری روی سطح بتن قدیم با استفاده از تکنیک ساچمهپاشی. نتایج تحقیق حکایت از افزایش قابل ملاحظهی مقاومت چسبندگی با افزایش میزان زبری در اتصال بتن سخت شده با بتن تازه داشته است. استفاده از مواد چسباننده ( اپوکسی) تأثیر مثبتی بر مقاومت چسبندگی داشته اگرچه در سطوح زبرتر تأثیر این مواد کمتر گزارش شده است. در اتصال دو بتن سخت شده افزایش زبری سطوح اتصال تأثیری ناچیزی بر روی مقاومت اتصال داشته ولی در مقابل استفاده از مواد چسبی موجب افزایش کیفیت اتصال شده است. در مورد اثر رطوبت در مقاومت اتصال میتوان گفت در مواردی که بتن قدیم اشباع بوده است، تأثیر زبری بر مقاومت چسبندگی ناچیز مشاهده شده است. در این حالت استفاده از مواد چسبی تأثیر بهتری داشته اگرچه در مقایسه با شرایط مشابه در حالت غیر اشباع تأثیر مواد چسبی نسبت به حالت اشباع بیشتر است که این موضوع به دلیل اثر منفی رطوبت بر مواد پایه رزینی است .[4]
روشهای ارزیابی زبری سطوح
در سالهای اخیر بسیاری از محققین بر روی روشهای ارزیابی زبری سطوح به تحقیق پرداختهاند. با این وجود هنوز روشی به عنوان بهترین روش برای ارزیابی زبری مورد قبول واقع نشده است. روشهای موجود را میتوان با ملاکهای متفاوتی دستهبندی کرد. به عنوان مثال روشهایی که نیاز به تماس مستقیم ابزار با سطح را دارند و یا بدون تماس با سطح، زبری را ارزیابی میکنند. در دستهبندی دیگری آزمایشها را میتوان به روشهای کمی و یا کیفی تفکیک کرد، در روش کیفی بازرسی چشمی و قضاوت انسانی اساس کار بوده حال آنکه ارزیابی کمی با اندازهگیری پارامترهایی به عنوان پارامترهای زبری صورت میگیرد. در شیوهی دیگری این تستها بر اساس میزان خسارت و اثر تخریبی که بر سطح دارند به سه گروه غیر مخرب، نیمه مخرب و مخرب دستهبندی شدهاند. روش مطلوب برای ارزیابی میزان زبری باید یک روش کمی و غیرمخرب بوده و نیازی به تماس مستقیم
دستگاه با سطح نداشته باشد. در این قسمت به تشریح روشهای ارزیابی زبری سطوح پرداخته خواهد شد که شامل شرح مختصری از روش، مزایا و معایب هرکدام خواهد بود .[5]
(1روش ارزیابی چشمی
معروفترین روش در ارزیابی میزان زبری سطوح بوده که توسط مؤسسهی بینالمللی تعمیرات بتن (ICRI ) ارائه شده است. این روش بر اساس بازرسی چشمی سطوح و مقایسهی آن با 9 نمونهی استاندارد (CSP) و سپس تعیین میزان زبری است. سادگی و سرعت بالای اجرا از مزایای این روش بوده این در حالیست که نیاز به تجربهی کافی برای ارزیابی دقیقتر از نکات منفی این روش قلمداد میشود به علاوهاینکه این روش اساساً بر پایهی یک ارزیابی کیفی استوار است.
(2روش پخش ماسه
این روش به عنوان سادهترین روش کمی برای ارزیابی زبری سطوح شناخته شده است و شامل پخش کردن حجم مشخصی از ماسهی کالیبره شده بر روی سطح خشک بتن و سپس اندازهگیری مساحت پوشیده شده توسط آن میباشد(شکل MTD .(1 شاخصی کمی برای تخمین زبری بوده و برابر است با:
که V حجم ماسه بر حسب mm" و D میانگین قطر مساحت پوشیده شده با ماسه است. بدیهی است که کاهش MTD نشان دهندهی کاهش میزان زبری سطح خواهد بود .[6]
هزینهی کم و سادگی اجرا از مزیتهای این روش بوده به علاوه اینکه اجرای این روش هم در آزمایشگاه و هم در محل کار امکانپذیر است. از طرفی این روش فقط برای سطوح افقی مناسب بوده و تکرار مجدد آزمایش در نقاط آزمایش شده با خطا همراه است ضمن اینکه زبری در ابعاد ماکرو اندازهگیری میشود و به ابعاد ریزتر و بافتهای در ابعاد میکرو حساس نیست.
شکل -1 روش پخش ماسه (a)قبل از پخش ماسه (b) بعد از پخش ماسه
(3روش جریان خروجی آب
یک روش اندازهگیری حجمی بمنظور ارزیابی زبری سطح رویه آسفالت و بتن است. در این روش یک مخزن استوانهای با پایههای لاستیکی بر روی سطح قرار گرفته و سپس مخزن از آب پر شده و زمان لازم برای خروج آب از فضای مابین پایه لاستیکی و سطح اندازهگیری میشود(شکل .(2 ایدهی اصلی این روش ارتباط بین زمان لازم برای خروج حجم مشخصی از آب از طریق فضاهای خالی بین پایهی لاستیکی و سطح بتن، به زبری سطح است. برای سطوح هموارتر زمان خروج آب بیشتر از سطوح با زبری بیشتر خواهد بود.
یکی از ضعفهای اساسی این روش تأثیر نفوذپذیری سطح بتن بر زمان اندازهگیری شدهی خروج آب است که موجب ایجاد خطا در آزمایش خواهد شد به علاوه اینکه این روش فقط در وجوه فوقانی سطوح افقی کاربرد دارد.
شکل -2 نمایی از روش جریان خروجی آب
(4روش قلم فولادی
یک روش شناخته شده بویژه در ارزیابیهای آزمایشگاهی است. اصول کار بدین شرح بوده که یک ردیاب سوزنی شکل (معمولاً با سر الماسی) در امتداد یک خط راست بر روی سطح کشیده شده و نحوهی حرکت آن در کامپیوتر ضبط و تحلیل خواهد شد. شرایطتأثیرگذار بر روی نتایج عبارتند از :اندازه و سختی سر سوزنی شکلِ ردیاب، روشهای انتقال سیگنال از سر سوزن به کامپیوتر، سرعت حرکت ردیاب و میزان نامنظمی و زبری سطح.
از معایب این روش میتوان به نیاز تماس دستگاه به سطح مورد ارزیابی، عدم توانایی تشخیص در پیکهای کوچکتر از اندازهی سر ردیاب و همچنین ارزیابی خطی سطوح (در امتداد یک خط) اشاره کرد که برای ارزیابی کامل سطح باید از تعداد چندین مسیر خطی استفاده شود. از طرف دیگر مزایایی از قبیل هزینه متوسط، سرعت نسبتاً بالا و عدم نیاز به آمادهسازی نمونهها قبل از انجام آزمایش، برای این روش آزمایشی برشمرده شده است.
(5روش ارزیابی دایروی سطح
این روش یک روش کمی و بدون نیاز به تماس مستقیم بوده که در ابتدا برای ارزیابی سطوح روسازیها بکار گرفته شده است. اساس کار روش استفاده از یک حسگر لیزری که بر روی یک بازو سوار شده و حرکت دایروی (قطر284 میلیمتر) دارد میباشد. این حسگر اطلاعات را به یک لپتاپ منتقل کرده و تحلیل میزان زبری سطح در آن انجام میشود. خروجی کامپیوتر عددی به عنوان RMS خواهد بود که از جذر میانگین عمق پروفیل سطح (MPD) بدست میآید. نتایج آزمایشهای پخش ماسه و ارزیابی دایروی سطح به کمک روابط ارائه شده در ASTM E 2157 به یکدیگر قابل تبدیل هستند .[7]
محاسن متعددی برای این روش میتوان برشمرد، به عنوان مثال کاهش خطای انسانی در مقایسه با روش پخش ماسه و امکان بکارگیری این روش در شرایط مختلف آب و هوایی و زمانی (تاریک یا روشن بودن هوا) از جمله این محاسن است. از طرفی اجرای این روش گرانتر بوده و هزینهی نگهداری و تعمیر دستگاه بیشتر است.
(6روش ارزیابی دیجیتالی
در ابتدا این روش بمنظور ارزیابی زبری سطوح بتنی قبل از چسباندن ورقهای FRP به آن بکار برده میشد ولی در حال حاضر بمنظور ارزیابی سطوح بتنی در حالتهای متفاوت بکار گرفته میشود. دستگاه ارزیابی از یک جعبهی آلومینیومی سبک که در آن یک دوربین و یک فرستندهی لیزری قرار دارد تشکیل شده است (شکل .(3 لیزر به سطح تابیده شده و انعکاس آن توسط دوربین گرفته و از آن به کامپیوتر فرستاده خواهد شد. این روش توانایی اندازهگیری پارامترهای متعددی را برای ارزیابی زبری سطوح دارد.
نتایج بدست آمده از این روش همبستگی خوبی با خروجیهای روشهای دیگر نظیر پخش ماسه و ارزیابی دایروی سطح دارد. این روش قابل اجرا در سایت و در شرایط با دید کم بوده همچنین خطای انسانی و پراکندگی نتایج در آن ناچیز است. دقت بالا و قابلیت تکرارپذیری آسان، این روش را از سایر روشها متمایز کرده است. البته هزینهی بالای اجرای این روش و نیاز به افراد ماهر از جمله ضعفهای ذکر شده برای این روش است.
شکل -3 نمایی از روش ارزیابی دیجیتالی سطح
(7روش میکروسکوپی
یک روش هزینهبر ولی بسیار دقیق و قابل اعتماد است. حسن اصلی این روش توانایی ارزیابی زبری درحد نانو بوده و هر دو نوع میکروسکوپ نوری و الکترونیکی در این روش کاربرد دارد که به ترتیب بر اساس پرتوی نور یا اشعهی الکترونی زبری سطح ارزیابی میشود.
معایب اصلی این روش عبارتند از: هزینهی بالای اجرا و تحلیل نتایج، قرارگیری نمونه در خلاء بمنظور انجام آزمایش، نیاز به یک منبع دائمی با ولتاژ بالا و نیز سنگینی وسایل و غیرقابل حمل بودن آنها. البته میکروسکوپهای نوری به قراردادن نمونه در خلاء و نیز منبع با ولتاژ بالا نیاز نداشته اگرچه پدیدهی شکست نور ممکن است در این دستگاه ایجاد خطا کند.
(8روش امواج ماوراء صوت
از این روش بمنظور ارزیابی کمی زبری سطوح در محل اتصال دو لایه در حالی که هر دو لایه اجرا شده و موجود هستند استفاده میشود. اساس این روش بر پایهی انتشار امواج ضربهای داخل عضو بتنی و سپس بازگشت امواج از سطح اتصال و تحلیل آن است. این روش همچنین بمنظور پیدا کردن محل خرابی، ترک و جدایش آرماتورهای داخلی از بتن نیز بکار میرود.
مزیت اصلی این روش که موجب تمایز آن نسبت به روشهای دیگر شده است، ارزیابی سطح اتصال در حالی که لایهی رویه ریخته شده و دسترسی به سطح امکانپذیر نمیباشد است. از معایب این روش تأثیر ناهمگنی بتن بر نتایج است. ناهمگنی موجب انعکاس امواج شده و تشخیص سطح زبر از صاف را دشوار خواهد کرد بنابراین برای دستیابی به نتایج دقیق، بتن رویه باید همگن باشد.
