رابطه بین مقاومت بتن مغزه ونمونه استاندارد

چكيده
در بسياري موارد نياز به اندازه گيري مقاومت بتن يك عضو سازه اي مي باشد. در اين موارد مغزه گيري به عنوان يكي از روشهاي تخمين مقاومت قسمتهاي داخلي يك عضو مي تواند به كار رود. با توجه به عوامل مؤثر بر مغزه، مقاومت مغزه با مقاومت نمونه هاي استوانه اي معمول برابر نيست. لذا يك برنامه آزمايشگاهي جهت بررسي مقاومت مغزه تهيه شد و در دانشگاه صنعتي شريف به اجرا درآمد. هدف از اين برنامه تعيين ضرايبي جهت ارتباط بين مقاومت مغزه و مقاومت نمونه استوانه اي مي باشد.

در اين راستا نمونه هايي به صورت تير و استوانه براي سه مقاومت مختلف بتن ساخته شدو پس از عمل آوري از تيرها مغزه هايي گرفته شد. مغزه ها همراه با نمونه هاي استوانه اي استاندارد تحت آزمايش فشاري قرار گرفتند. بر اساس نتايج حاصل از آزمايش ها،روابطي براي تعيين مقاومت بتن بر اساس مقاومت مغزه به دست آمد.

كليد واژه ها: آزمايشهاي بتن، مغزه، مغزه گيري، مقاومت بتن، نمونه هاي استوانه اي استاندارد

مقدمه
معمول ترين آزمايش بر روي بتن، آزمايش مقاومت فشاري است زيرا به هر حال بتن يك مصالح سازه اي است و از طرفي آزمايشهاي مربوط به اندازه گيري مقاومت ساده هستند. نمونه هاي اين آزمايش از بتن تازه و قبل از ريختن آن در قالب گرفته مي شود. درحقيقت اين آزمايش ، مقاومت موجود در عضو سازه اي را به دست نمي‌دهد زيرا در آن اثرات انتقال، تراكم و عمل آوري بتن با وضع موجود در سازه متفاوت است. به علاوه از آنجا كه تعيين مقاومت نمونه هاي

استاندارد معمولا در سن ۲۸ روزه انجام مي‌شود، نمي‌توان از آن براي تعيين مقاومت در سنين كمتر استفاده كرد.گاهي اوقات ممكن است اطلاعات لازم در مورد يك سازه ساخته شده موجود نباشد يا اينكه اطلاعات موجود بنابر دلايلي مورد ترديد واقع شوند يا براي بررسي علل خرابي يك ساختمان پس از خرابي آن نياز به اندازه گيري مقاومت بتن باشد.در همه اين موارد آزمايشهاي در محل مورد نياز مي‌باشند.

مغزه گيري به عنوان يكي از دقيق ترين و مهمترين آزمايشهاي در محل مطرح مي‌باشد. هر چند مغزه گيري بين آزمايشهاي در محل جزء آزمايشهاي پر هزينه و با سرعت كند محسوب مي‌گردد اما دقت و قابليت اعتماد مناسب آن انجام اين آزمايش را توجيه مي‌كند . در بسياري موارد با توجه به عدم دقت ساير آزمايشهاي در محل، نياز به مغزه گيري وجود دارد اگرچه آنها در كاهش تعداد مغزه هاي مورد نياز موثر مي‌باشد. شايان ذكر است كه بررسي دقيق و هوشمندانه بايد همواره همراه آزمايشهاي غير مخرب باشدكه مغزه گيري را نيز دربرمي گيرد.

جهت ارزيابي نتايج اين آزمايشها بايد رابطه بين نتايج در محل و مقاومت بتن تعيين گردد. هدف از اين مقاله ارائه ضرايبي براي ارتباط دادن مقاومت مغزه و مقاومت نمونه استوانه اي استاندارد براي مقاومتهاي كمتر از Kg/cm² ۴۵۰ بر اساس مطالعات آزمايشگاهي مي باشد.
تاريخچه :
در اوايل دهه ۶۰ ميلادي و در اوايل شروع تحقيقات بر روي مقاومت مغزه در مقاله اي توسط آقايان Tynes و Mather بيان شد كه براي افزايش دقت نمونه هاي مغزه گيري علاوه بر افزايش تعداد مغزه ها بايد ابعاد آنها را نيز بزرگ تر در نظر گرفت[۴]. در همان دهه افراد مختلف كارهاي آزمايشگاهي و تجربي زيادي در اين زمينه انجام دادند. آنها نيز به اين نتيجه رسيدند كه نتايج آزمايش مقاومت فشاري مغزه ها داراي انحراف معيار بيشتري نسبت به نمونه هاي استاندارد مي

باشند [۴]. آقاي Bloem در سال ۱۹۶۸ به اين نتيجه رسيد كه در صورت عمل آوري خوب و ايده آل مقاومت فشاري مغزه ها به طور متوسط %۱۰ كمتر از مقاومت نمونه هاي استوانه اي استاندارد عمل آوري شده تحت شرايط ميداني مي باشد در حالي كه براي عمل آوري ضعيف اين مقدار ممكن است به %۲۰ برسد [۴]. در همان سال Petersons نيز اعلام كرد كه نسبت مقاومت مغزه به مقاومت استوانه استاندارد (در عمر يكسان) همواره از يك كمتر است و اين نسبت با افزايش سطح مقاومت استوانه كاهش مي يابد. او مقادير تقريبي اين نسبت را قدري كمتر از يك براي وقتي كه مقاومت استوانه استاندارد حدود MPa 20 باشد و ۷/۰

براي وقتي كه مقاومت نمونه استوانه اي استاندارد Mpa 60 باشد به دست آورد . او همچنين نشان داد با افزايش عمق زير سطح فوقاني، مقاومت مغزه افزايش مي يابد]۱].
در سال ۱۹۷۱، Petersons پيشنهاد كرد كه براي شرايط معمولي افزايش در مقاومت پس از سه ماه در مقايسه با مقاومت ۲۸ روزه حدود %۱۰ و براي عمر ۶ ماه %۱۵ درنظر گرفته شود هر چند سه سال بعد توسط Plowman و همكارانش شواهدي به دست آمد كه نشان مي دهند بتن در جا ريخته شده در كارگاه پس از ۲۸ روز افزايش كمي در مقاومت حاصل مي نمايد[۱].

در سال ۱۹۷۷ Bentur و Bungey به اين نتيجه رسيدند كه در مورد سنگدانه هايي با حداكثر اندازه mm 20، مغزه هاي با قطر mm 50 داراي مقاومتي حدود %۱۰ كمتر از مغزه هاي با قطر mm 100 مي باشد [۱]. گزارشهاي مختلف در سال ۱۹۷۷ توسط Malhotra و Murphy پيشنهاد مي كنند كه حتي در شرايط ايده آل در قالب ريختن و به عمل آوردن بتن غير محتمل است كه مقاومت مغزه ها بيش از %۷۰ تا %۸۵ مقاومت نمونه هاي آزمايشهاي استاندارد باشد [۱]. در سال

۱۹۷۹، Bungey رابطه بين تغييرات مقاومت مغزه با تغييرات l/d را به دست آورد و همچنين ضرايبي جهت تعيين مقاومت مكعبي بتن از مقاومت مغزه هاي كوچك (با قطر mm44) ارائه داد [۳]. آزمايشهاي ژاپني ها در سال ۱۹۷۹ نشان داد كه آزمايش در حالت خشك نتايجي را كه حدود %۱۰ بيش از نتايج آزمايش در حالتي كه مغزه مرطوب باشد به دست مي دهد [۱]. در سال ۱۹۸۴، آقايان Munday و Dhir اثر l/d را برمقاومت بررسي نمودند. آنها همچنين روابطي تجربي براي به

دست آوردن مقاومت مكعبي بتن از مقاومت مغزه پيشنهاد نمودند[۳]. در سال ۱۹۹۲ Lee et al پيشنهاد كرد كه از مقاومت مغزه هاي استاندارد به عنوان پايين ترين حدمقاومت واقعي بتن در ساختمان استفاده گردد.

از آزمايشهاي جديدي كه در مورد بررسي رفتار مغزه ها انجام شده است مي توان به آزمايشها و بررسيهاي آقايان Bartlett و MacGregor در دانشگاه آلبرتا اشاره نمود. در يكي از اين آزمايشها با استفاده از ۷۵۸ مغزه اثر نسبت طول نمونه به قطر آن را بر مقدار و دقت مقاومت فشاري آنها بررسي كرده اند. آنها ضرايب اصلاح مختلفي به دست آورده اند تا مقاومت مغزه با بين ۱ تا ۲ نسبت به مقاومت نمونه استاندارد با ۲= را به دست دهد. اطلاعات ايشان بيان مي كند كه رطوبت مغزه و مقاومت آن به شدت بر ضرايب اصلاح فوق تاثير مي گذارند [۸].

در مقاله ديگري Bartlett و MacGregor نشان دادند كه مقاومت بتن در محل و ظرفيت عضو سازه اي مي تواند با دقت مناسب از مقاومت مغزه به دست آيد به شرطي كه آثار خرابي مربوط به حفاري و شرايط رطوبت مغزه ها مدنظر قرارگيرند [۹].

در حال حاضر با وجود انحراف معيارزياد درآزمايشهاي مربوط به مغزه ها، اين آزمايش به عنوان يكي ازدقيق ترين و مهمترين انواع آزمايشهاي غيرمخرب مطرح مي باشد. مطالعات گسترده انجام شده، مخصوصاً مطالعات تجربي و آزمايشگاهي به نوبه خود نشان از اهميت اين آزمايش دارد. با اين وجود هنوز اطلاعات بسياري در مورد مغزه ها، در پرده ابهام وجود دارد. به عنوان مثال هنوز تفاوت بين مقاومت مغزه هاي استاندارد و بتن واقعي موجود در كارگاه به طور كامل بررسي نشده است [۱۰]. از طرفي گسترش روزافزون استفاده از اين آزمايش در كارهاي ساختماني و روسازي هاي بتني، لزوم انجام تحقيقات بيشتر در اين زمينه را مي رساند.

 

برنامه آزمايش ها
با توجه به حساسيت زياد مقاومت مغزه به شرايط نمونه گيري، شرايط رطوبت و فرآيند آزمايشگاهي از ابتداي آزمايش، داشتن يك برنامه منظم كه تحت شرايط يكسان صورت گيرد مد نظر بوده است. به طور كلي برنامه بدين صورت بودكه براي سه مقاومت مختلف بتن(پايين،متوسط و بالا)، تيرهايي با مقطع
cm20 cm18 و به طول m2/1 همراه با ۹ نمونه استوانه اي استاندارد ۳۰ * ۱۵ ساخته شد. پس از عمل آوري مغزه هايي به قطر حدود cm 10 گرفته شد. تعداد مغزه ها در هر مرحله ۳ عدد بوده است كه همزمان با ۳ نمونه استوانه أي استاندارد تحت آزمايش فشاري قرار داده شدند. پس از اتمام آزمايش ها مقاومت مغزه ها با نمونه هاي استوانه اي استاندارد مقايسه گرديد و نمودارهاي مورد نظر به دست آمد.

مصالح مصرفي
مصالح سنگي شامل شن و ماسه طبيعي رودخانه اي، با نسبتهاي اختلاط مختلف همراه سيمان و آب و گاهي روان ساز استفاده ‌شدند. چگالي ميله خورده شن ۶۴۹/۱ و مدول نرمي ماسه ۲/۳ اندازه گيري شد. حداكثر اندازه دانه شن نيز mm 5/12 بوده است.سيمان مصرفي از نوع تيپ I محصول كارخانه سيمان تهران و آب مصرفي آب شرب بوده است.

در انتخاب مقطع مناسب براي تيرمعيارهاي (۱) قطر مغزه طبق استانداردهاي موجودحتي الامكان بزرگتر يا مساوي cm 10 و(۲) با توجه به پيشنهادات استاندارد ASTM نسبت طول به قطر ۲ دز نظر گرفته شده است. بنابراين نمونه بتني، تيرهاي بتني با ابعاد مقطع cm 20×۱۸ انتخاب شد. عرض تيرها نيز cm 20 بود. ابعاد مغزه ها cm20×۱۰ و نمونه هاي استوانه اي استاندارد نيز cm 30×۱۵ مي‌باشد.

بتن ريزي و عمل آوري
بتن ريزي براي سه مقاومت به طور جداگانه صورت گرفت. بتن ريزي نمونه هاي استوانه اي استاندارد مطابق استاندارد ACI – C39 در انجام شد. مسئله قابل ذكر در مورد بتن ريزي تيرها، ويبره كردن بتن مي‌باشد كه به وسيله ميله زدن تير انجام شد. به طوري كه فاصله هر دو نقطه ميله خورده حدود cm 5/2 بود.
تيرها تا سه روز به وسيله پلاستيك و گوني مرطوب نگه داشته ‌شده، پس از انجام اولين مغزه گيري درون آب قرار مي‌گرفتند. هر قطعه تير ۲۴ ساعت قبل از مغزه گيري از آب خارج مي‌شد و پس از مغزه گيري در صورت نياز دوباره در آب قرار مي‌گرفت. نمونه هاي استوانه اي روز بعد از بتن ريزي از قالب خارج شده و در آب قرار مي‌گرفتند و تا قبل از كلاهك گذاري و آزمايش در آب عمل آوري شدند.

 

جدول ۱- طرح اختلاط بتن هاي با مقاومت پايين، متوسط و بالا
طرح اختلاط f'(c)
Kg/cm^2 شن
Kg/m^3 ماسه

Kg/m^3 آب
Kg/m^3 سيمان
Kg/m^3 w/c
– روان ساز
Kg/m^3

مقاومت پايين ۲۵۰ ۸۶۰ ۸۷۵ ۲۱۵ ۳۶۰ ۶/۰ –
مقاومت متوسط ۳۵۰ ۸۶۰ ۷۷۵ ۲۱۵ ۴۶۰ ۴۷/۰ –
مقاومت بالا ۴۵۰ ۱۱۰۰ ۶۵۰ ۱۷۰ ۵۱۰ ۳۳/. ۷/۷

دستگاه آزمايش و مغزه گيري
دستگاهي كه اين آزمايش به وسيله آن انجام شد يك مغزه گير از سري EL – ۳۵ – ۵۰۱ ميباشد‌. مته هاي دستگاه به صورت استوانه اي و داراي سر الماسه مي‌باشند كه براي خنك كردن آنها حين كار از آب استفاده مي‌شود. طبق راهنماي استفاده از اين دستگاه سرعت آب مورد نياز ۳ ليتر بر ثانيه مي‌باشد ] ۶ [ ، هر چند در عمل به صورت تجربي مي‌توان مقدار آب لازم را تنظيم كرد. در اين آزمايش با توجه به زمان بر بودن تهيه كف قوي و نبودن امكانات مهار محور از بالا،دستگاه با قرار دادن باري نزديك به kg 200 بر روي پايه آن مهار شد كه در حد اين آزمايشها كارايي لازم را داشت.

مغزه گيري از قسمت مياني عرض تير انجام شد و جهت مغزه گيري هم جهت با بتن ريزي بود. هر سه مغزه مربوط به يك سن به طور متوالي و در يك بازه يك ساعته گرفته شده‌اند و به طور معمول هر مغزه گيري ۸ تا ۱۲ دقيق طول كشيده است. .
شكستن نمونه ها

براي شكستن نمونه ها نمونه هاي استوانه اي فقط از يك طرف كپينگ شدند ولي مغزه ها در دو انتها كلاهك گذاري شدند. طبق استاندارد ACI ضخامت لايه كپينگ بايد در كمترين مقدار ممكن باشد ( در حدود ۲ ميليمتر) ولي متاسفانه به دليل وجود مقدار زيادي ناخالصي ماسه در پودر كپينگ اين ضخامت گاهي به mm 5 مي‌رسيد كه ممكن است در نتايج آزمايشها تاثير گذار باشد. .نمونه ها پس از خشك شدن در هواي آزاد مطابق تمهيدات ASTM C42 – ۹۰ شكسته

شدند. جهت شكستن نمونه هاي استوانه اي در راستاي بتن ريزي و در مورد مغزه ها در جهت مغزه گيري بوده است. از آنجا كه نمونه هاي استوانه اي و تيرهاي بتني هر دو در آب عمل آوري شدند. همزمان با مغزه گيري نمونه هاي استوانه أي نيز از آب بيرون آورده شده و در هواي آزاد قرار مي‌گرفتند. مغزه ها پس از جدا شدن ازسازه بتن در هواي آزاد خشك شده در روز بعد همزمان با نمونه هاي استاندارد شكسته شدند.

نتايج آزمايش ها و بحث درباره آنها
گزارش نتايج آزمايشها
خلاصه نتايج آزمايشها در جدول ۲ ارائه شده است.در اين جدول نتايج مربوط به ميانگين مقاومت نمونه هاي استاندارد و مغزه نشان‌داده شده است.. حروف L,M,H به ترتيب براي مقاومت هاي بالا,متوسط وپايين به كار رفته اند. حروف SC براي نمونه هاي استاندارد و حروف CC نيز براي مغزه ها به كار رفته اند. اعداد به كار رفته نيزاز چپ به راست نمايانگر سن (۱،۲و۳ به ترتيب نشان گر۳،۷و۲۸ روز)وشماره نمونه( ۱ تا ۳ )مي باشند.

داده هايي كه با علامت «*» مشخص شده اند داده هايي هستند كه بررسي ها بدون آنها انجام شده است. اين حذف در بررسي ها بنا به مشاهداتي نظيركج بودن كپنيگ و عدم تقارن در بارگذاري، كنده شدن قسمتي ازگوشه نمونه( به گونه اي كه سطح مقطع به طور كامل و يكنواخت تحت بارگذاري قرار نگيرد.)و…بوده است.

جدول ۲-خلاصه نتايج آزمايشها
Specimens f (ave) Ratio Specimens f (ave) Ratio
LSC11-LSC13 113.36 HSC11-HSC13 * 339.95
LCC11-LCC13 68.33 0.6 HCC11-HCC13 249.95 0.73

LSC21-LSC23 188.75 HSC21-HSC23 365.25
LCC21-LCC23 129.48 0.68 HCC21-HCC23 * 336.05 0.92
LSC31-LSC33 241.62 HSC31-HSC32 * 447.84
LCC31-LCC33 211.97 0.87 HCC31-HCC32 384.69 0.85
MSC11-MSC13 146.61

MCC11-MCC13 88.86 0.6
MSC21-MSC23 232.69
MCC21-MCC23 128.07 0.55
MSC31-MSC33 296.49
MCC31-MCC33 * 233.57 0.78

منحني هاي R ( نسبت مقاومت مغزه به مقاومت نمونه استوانه اي استاندارد)بر حسب سن
اين منحني ها براي مقاومتهاي مختلف در شكل ۱ رسم شده است. بررسي منحني نشان مي دهد در مورد مقاومتهاي LSC و MSC افزايش مقاومت موجب كاهش نسبت R شده است. در حالي‌كه در مورد مقاومت MSC اين افزايش مقاومت منجر به افزايش نسبت R شده است باتوجه به اينكه مقاومت در طرح اختلاط LSC وMSC باهم اختلاف كمتري نسبت به اختلاط MSC دارند به نظر مي رسد اين تناقض ناشي از تعداد كم داده هاي آماري مي باشد وچنانچه نمونه

هاي بيشتري در مقاومتهاي LSCوMSC وجودداشت اين رابطه شفاف تر مي شد. اگر نمونه هاي دو مقاومت LSC و MSCاز يك جامعه آماري در نظرگرفته شود (باتوجه به اختلاف كم مقاومت آنها)وبانمونه هاي مقاومتHSC مقايسه شوند,مي توان به اين نتيجه رسيد كه افزايش مقاومت (درمحدوده زيرkg/cm2 450 ) موجب افزايش نسبت R خواهد شد

شكل ۱-منحني هاي R بر حسب سن(رگرسيون خطي )
نمودار مقاومت نمونه هاي استاندارد برحسب مقاومت مغزه ها

براي رسم نمودار ارتباط دهنده مقاومت مغزه ها به مقاومت نمونه هاي استاندارد در ابتدا به نظر مي رسد براي سنين مختلف بايد نمودارهاي متفاوتي رسم كرد . چنين نموداري در شكل ۲ به وسيله رگرسيون خطي به دست آمده است . همان طور كه مشاهده مي شود ,اين سه خط بسيار به هم نزديك مي باشند به گونه اي كه به نظر مي رسد بتوان براي تمام نقاط موجود يك خط واحد با تقريب مناسب رسم كرد .

شكل ۲- نمودار مقاومت نمونه هاي استاندارد برحسب مقاومت مغزه ها(رگرسيون خطي)
در شكل ۳ اين خط برروي همه نقاط برازش داده شده است. ممكن است به نظر آيد ملات بتن سه روزه از نظر ميزان گيرش باملات بتن ۲۸ روزه متفاوت است واين تفاوت در مقدار نسبت R مؤثر است ودر نتيجه بايد براي سنين مختلف نمودارهاي مختلف ارائه كرد. اما نمودارهاي اين قسمت نشان مي دهد ,نسبت R به مقاومت بتن بيش از سن آن وابسته است. به عنوان مثال نسبت R براي بتن ۲۸ روزه بامقاومت حدود kg/cm2 240 نزديك به مقدار R براي بتن ۷روزه باهمان مقاومت مي باشد. علت اين پديده رامي توان بدين صورت بيان كرد كه مقدارR تابعي از ميزان زيان وارده به مغزه درحين مغزه گيري مي باشد و اين زيان به مقاومت وچسبندگي بتن در حين مغزه گيري وابسته است.

شكل۳- نمودار مقاومت نمونه هاي استاندارد برحسب مقاومت مغزه ها(رگرسيون خطي )

شكل۴-مقايسه با نتايج ساير محققين
مقايسه با نتايج ساير محققين
شكل ۴ نتايج آزمايشهاي محققين ذكر شده در ذيل خودرادربر دارد. خط رگرسيون بدست آمده از اين آزمايش ها نيز پس از تبديل واحد به صورت نقطه چين رسم شده است. مقايسه نتايج نشان مي دهد كه نسبت R به دست آمده از اين آزمايش ها از متوسط نتايج ساير آزمايش ها كمي پايين تر است. اما آنچه كه تفاوت بيشتري رانشان مي دهد آن است كه در ساير آزمايش ها با افزايش مقاومت R كاهش يافته است در حالي كه در خط مربوط به اين آزمايش ,چنين افزايشي ديده نمي شود.درحقيقت اين نتيجه با نتيجه اي كه در مرجع ]۱۰[ وجوددارد همخواني بيشتري دارد. درآن مرجع ذكرشده است:” گزارش شده است كه نسبت مقاومت در محل به آزمايش نمونه استاندارد درسن يكسان باافزايش مقاومت كاهش مي يابد. درحالي كه اين آزمايش چنين وابستگي رانشان نمي دهد.“