آزمایش مقاومت کششی بتن چگونه است؟

تمامی مهندسین عمران با آزمایش مقاومت کششی بتن آشنایی دارند و میزان اهمیتش را میدانند. سنجش مقاومت بتن، مبحثی است که در دانشگاه آموزش داده و بسیار ضروری است در غیر این صورت تهیه بتن و بتن ریزی با مشکلات زیادی رو به رو میشود.  به طور کلی برای سنجش میزان تحمل بتن در برابر نیروهای کششی انجام می‌شود، حتی با اینکه بتن در کشش بسیار ضعیف‌تر از فشار عمل می‌کند.

در آزمایش مقاومت بتن، که اغلب به صورت غیرمستقیم (مانند تست برزیلی یا آزمایش خمشی) انجام می‌شود، اهمیت حیاتی دارد زیرا به پیش‌بینی ترک‌خوردگی بتن، کنترل کیفیت مصالح و ارزیابی عملکرد کلی سازه‌های بتن مسلح کمک می‌کند. درک این مقاومت برای مهندسان ضروری است تا بتوانند سازه‌هایی بادوام‌تر و ایمن‌تر طراحی کنند.

سوالات رایج در مورد آزمایش مقاومت بتن

• چرا اندازه‌گیری مقاومت بتن، با وجود ضعف ذاتی آن در کشش، اهمیت دارد؟
• اجرای آزمایش مقاومت بتن چگونه است؟
• فرمول مقاومت کششی بتن چیست؟
• مقاومت فشاری بتن با مقاومت کششی فرق دارد؟
• وسایل آزمایش مقاومت بتن چه چیزهایی هستند؟
• رایج‌ترین روش‌های غیرمستقیم برای تعیین مقاومت کششی بتن کدامند؟
• آیا نتایج آزمایش مقاومت کششی مستقیماً در طراحی سازه‌های بتن مسلح به کار می‌روند؟
• چه عواملی بر مقاومت بتن تأثیر می‌گذارند؟
• منطور از مقاومت بتن با عیار ۳۵۰ چیست؟
• رابطه بین مقاومت فشاری و مقاومت کششی بتن چگونه است و چرا مقاومت کششی معمولاً کمتر از مقاومت فشاری است؟
• در کدام بخش‌ها یا انواع سازه‌های بتنی، مقاومت کششی بتن اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند؟
• چرا آزمایش مستقیم کشش بتن رایج نیست و چه چالش‌هایی در اجرای آن وجود دارد؟
• نقش آرماتور (میلگرد) در جبران ضعف کششی بتن چیست؟

مقاومت فشاری بتن با مقاومت کششی بتن فرق دارد؟

بله، مقاومت فشاری بتن با مقاومت کششی بتن تفاوت اساسی دارد. این دو نوع مقاومت، توانایی بتن در تحمل انواع مختلف نیروها را نشان می‌دهند و ویژگی‌های بسیار متفاوتی دارند:

مقاومت فشاری بتن یعنی چه؟

منظور از مقاومت فشاری بتن، توانایی بتن در تحمل نیروهایی است که تمایل به فشرده کردن یا له کردن آن دارند. بتن در برابر فشار بسیار قوی عمل می‌کند و این اصلی‌ترین مزیت مکانیکی آن است. به همین دلیل، در سازه‌هایی مانند ستون‌ها و دیوارهای حائل که تحت بارهای فشاری عمودی قرار می‌گیرند، عملکرد بتن بسیار عالی است.

مقاومت کششی بتن چیست؟

مقاومت کششی بتن هم بسیار اهمیت دارد و باید آزمایشگاهی محاسبه شود. منظور از این مقاومت توانایی بتن در تحمل نیروهایی است که تمایل به کشیدن یا گسستن آن دارند. بتن ذاتاً در برابر کشش بسیار ضعیف و شکننده است. مقاومت کششی بتن معمولاً فقط ۸ تا ۱۵ درصد مقاومت فشاری آن است. دلیل این ضعف، وجود ریزترک‌های میکروسکوپی در ساختار بتن است که تحت کشش به سرعت گسترش یافته و منجر به شکست می‌شوند.

به همین دلیل، در سازه‌های بتنی مسلح (بتن آرمه)، از فولاد (میلگرد) برای جبران ضعف بتن در کشش استفاده می‌شود. فولاد مقاومت کششی بسیار بالایی دارد و در نقاطی از سازه که انتظار می‌رود تنش‌های کششی ایجاد شود (مانند قسمت‌های پایینی تیرها یا دال‌ها)، میلگردگذاری انجام می‌شود تا میلگرد این نیروها را تحمل کند و از ترک‌خوردگی و شکست بتن جلوگیری شود.

تست برزیلی مقاومت کششی بتن (آزمایش غیرمستقیم)

تست برزیلی یا آزمایش کشش غیرمستقیم (Splitting Tensile Test)، روشی استاندارد و پرکاربرد برای تعیین مقاومت کششی بتن است. از آنجایی که اعمال کشش خالص به طور مستقیم به نمونه بتن در آزمایشگاه دشوار و غیردقیق است (به دلیل احتمال ایجاد تنش‌های ثانویه توسط گیره‌ها)، این آزمایش به صورت غیرمستقیم انجام می‌شود. در آزمایش برزیلی، یک نمونه بتن استوانه‌ای تولید شده و سپس با دستگاه مخصوص به دو نیمه بالا و پایین شکافته می‌شود.

چگونگی انجام تست برزیلی:

در این آزمایش، یک نمونه استوانه‌ای استاندارد بتنی (معمولاً با ابعاد ۱۵۰ میلی‌متر قطر و ۳۰۰ میلی‌متر طول) به صورت افقی بین صفحات دستگاه تست فشار قرار می‌گیرد. بار فشاری به صورت پیوسته و با سرعت کنترل‌شده‌ای (طبق استاندارد ASTM C496) در امتداد قطر نمونه اعمال می‌شود. این بار فشاری، در راستای عمود بر اعمال نیرو، تنش‌های کششی یکنواختی را در طول قطر عمودی نمونه ایجاد می‌کند که در نهایت منجر به شکافته شدن و دو نیم شدن نمونه می‌شود.

اهمیت تست برزیلی:

با وجود اینکه بتن در کشش ضعیف است و در سازه‌های بتن مسلح، میلگردها بارهای کششی را تحمل می‌کنند، تعیین مقاومت کششی بتن از طریق تست برزیلی از اهمیت بالایی برخوردار است. این مقاومت به مهندسان کمک می‌کند تا:

میزان ترک‌خوردگی بتن را پیش‌بینی کنند.

کیفیت بتن تولیدی را ارزیابی و کنترل نمایند.

در طراحی برخی از اجزا مانند دال‌ها و روسازی‌ها که تحت بارهای خمشی (و در نتیجه کششی) قرار می‌گیرند، اطلاعات لازم را در اختیار داشته باشند.

وسایل مورد نیاز برای آزمایش مقاومت کششی بتن (تست برزیلی)

برای انجام آزمایش مقاومت کششی بتن به روش برزیلی، به تجهیزات زیر نیاز دارید:

• دستگاه مخلوط‌کن: برای آماده‌سازی و همگن کردن نمونه بتن تازه.
• ظروف مدرج: جهت اندازه‌گیری دقیق حجم آب و مواد افزودنی.
• ترازو: برای وزن کردن دقیق مصالح بتن (سیمان، ماسه، شن).
• دستگاه آزمایش برزیلی (دستگاه شکافت کششی): این دستگاه برای اعمال بار فشاری غیرمستقیم به نمونه استوانه‌ای بتن و محاسبه مقاومت کششی آن به کار می‌رود.
• قالب‌های استوانه‌ای (سیلندری): برای ساخت نمونه‌های بتنی استاندارد با ابعاد مشخص (معمولاً ۱۵۰x۳۰۰ میلی‌متر).
• ماله یا کمچه: برای جابجایی، متراکم کردن اولیه و صاف کردن سطح بتن در حین قالب‌گیری.

آماده‌سازی نمونه استوانه‌ای بتن جهت آزمایش مقاومت کششی،

برای آماده‌سازی نمونه استوانه‌ای بتن جهت آزمایش مقاومت بتن، باید اطمینان حاصل شود که نمونه کاملاً صیقلی، بدون ترک یا سوراخ بوده و دو طرف آن موازی باشند. همچنین، قطر نمونه حداقل ۵۴ میلی‌متر و ضخامت آن بهینه است که حدود نصف قطر باشد تا نتایج دقیق و واقعی به دست آید.

---

آزمایش مقاومت کششی بتن

با استفاده از فرمول زیر مقاوت کششی بتن بدست می آید:

T=2P/pi LD

که در آن:

T = مقاومت کششی بتن، به مگاپاسکال (MPa)
P = بیشینه بار اعمالی نشان داده شده بوسیله ی دستگاه تست، به نیوتن (N)
D = قطر نمونه، به میلی متر (mm)
L = طول نمونه، به میلی متر (mm)

مثال محاسبه مقاومت کششی بتن (آزمایش برزیلی)

فرض کنید در یک آزمایش شکافت استوانه‌ای (برزیلی)، یک نمونه بتنی استوانه‌ای با مشخصات زیر داریم:

• قطر نمونه ($D$): ۱۵۰ میلی‌متر ($\mathrm{۱۵۰}\text{ mm}$)
• طول نمونه ($L$): ۳۰۰ میلی‌متر ($\mathrm{۳۰۰}\text{ mm}$)
• بیشینه بار اعمال شده ($P$): ۳۵۰,۰۰۰ نیوتن ($\mathrm{۳۵۰},\mathrm{۰۰۰}\text{ N}$) (در لحظه شکست نمونه توسط دستگاه نمایش داده شده است)

حال می‌خواهیم مقاومت کششی بتن ($T$) را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنیم:

T=πLD۲P​

مراحل محاسبه:

1. قرار دادن مقادیر در فرمول:T=π×۳۰۰×۱۵۰۲×۳۵۰,۰۰۰​
2. محاسبه مخرج کسر:$$\pi \times \mathrm{۳۰۰}\times \mathrm{۱۵۰}\approx \mathrm{۳.۱۴۱۵۹}\times \mathrm{۴۵},\mathrm{۰۰۰}\approx \mathrm{۱۴۱},\mathrm{۳۷۱.۵}$$
3. محاسبه صورت کسر:$$\mathrm{۲}\times \mathrm{۳۵۰},\mathrm{۰۰۰}=\mathrm{۷۰۰},\mathrm{۰۰۰}$$
4. تقسیم صورت بر مخرج:T=۱۴۱,۳۷۱.۵۷۰۰,۰۰۰​≈۴.۹۵۱ MPa

نتیجه:

بنابراین، مقاومت کششی بتن در این آزمایش تقریباً ۴.۹۵ مگاپاسکال ($MPa$) است.

نکات کلیدی در آزمایش تست دو نیم شدن بتن (برزیلی)

برای به حداقل رساندن خطا و تضمین دقت در گزارش آزمایش تست دو نیم شدن بتن، رعایت نکات زیر ضروری است:

• استاندارد مرجع: همواره به استاندارد ملی ایران شماره ۶۰۴۷ و  آیین نامه بتن ایران مراجعه کنید.
• دقت به شماره آزمونه.
• یادداشت دقیق قطر و طول نمونه (بر حسب میلی‌متر).
• ثبت سن نمونه در زمان آزمایش.
• بررسی و ثبت هرگونه نقص موجود در نمونه.
• ثبت سوابق عمل‌آوری نمونه.
• یادداشت حداکثر بار اعمال شده (بر حسب نیوتن).
• ثبت مقاومت کششی دو نیم شدن بتن با دقت بالا.
• توجه به نوع گسیختگی نمونه.
• برآورد نسبت سنگدانه درشت در حین آزمون.

---

خطاهای احتمالی در نتایج آزمایش مقاومت کششی بتن

نتایج آزمایش مقاومت کششی بتن ممکن است به دلایل مختلفی با خطا همراه باشند. برای دستیابی به نتایج دقیق، توجه به نکات زیر ضروری است:

• خطای ویبره زدن بتن: عدم ویبره صحیح و دقیق بتن (چه از نظر شدت و چه تعداد ضربات) در هنگام قالب‌گیری نمونه، منجر به نتایج اشتباه می‌شود.
• خطای جایگذاری نمونه: قرار ندادن صحیح و دقیق نمونه در دستگاه آزمایش، نتایج را مخدوش خواهد کرد.
• خطای محاسبات: گرد کردن اعداد یا بی‌دقتی در ثبت و محاسبه نتایج، موجب خطا در گزارش نهایی می‌شود.
• علاوه بر موارد فوق، در نمونه‌هایی که دارای دانه‌های درشت نامتعارف، سطوح ناهمسان یا تخلخل زیاد هستند، نمی‌توان به نتایج آزمایش با اطمینان کامل تکیه کرد.

مزایای آزمایش برزیلی

آزمایش برزیلی برای تعیین مقاومت کششی بتن، به دلیل سادگی، سرعت بالا و هزینه کم آن، دارای مزایای قابل توجهی است. علاوه بر این، این تست به تجهیزات پیچیده و خاصی نیاز ندارد که این موضوع، اجرای آن را در بسیاری از آزمایشگاه‌ها و پروژه‌ها آسان می‌کند.

---

مقاومت کششی بتن تحت کشش خالص

اندازه‌گیری تنش کششی خالص به صورت مستقیم در نمونه‌های بتنی آزمایشگاهی دشوار است، زیرا ابزارهای نگهدارنده می‌توانند تنش‌های ثانویه‌ای ایجاد کنند که نتایج را مخدوش می‌سازند. به همین دلیل، استاندارد ASTM C496 برای سنجش مقاومت کششی بتن تحت کشش خالص، آزمایش شکافت کششی یا شکافت استوانه (Splitting Tension Test) را معرفی می‌کند که با نماد
f
ct
نمایش داده شده و به آن آزمایش برزیلی نیز می‌گویند. در این روش، یک نمونه بتنی استوانه‌ای استاندارد با ابعاد ۱۵۰x۳۰۰ میلی‌متر، از پهلو و در امتداد دو خط محوری مخالف تحت فشار قرار می‌گیرد. بار به صورت پیوسته و با سرعت ثابت ۰.۷ تا ۱.۴ مگاپاسکال بر ثانیه اعمال می‌شود تا نمونه دچار شکست شود؛ این بار فشاری، تنش کششی متعامدی در طول قطر عمودی نمونه ایجاد می‌کند که تقریباً یکنواخت است و منجر به دو نیم شدن آن می‌شود.

فرمول تنش کششی شکافتی (Splitting Tensile Strength)

تنش کششی شکافتی (Splitting Tensile Strength) در آزمایش برزیلی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

fct​=πLD۲P​

در این فرمول:

• fct​ مقاومت کششی شکافتی بتن است که معمولاً بر حسب مگاپاسکال (MPa) بیان می‌شود.
• $P$ بیشینه بار اعمال شده در لحظه شکست نمونه است که بر حسب نیوتن (N) اندازه‌گیری می‌شود.
• $\pi$ عدد پی (تقریباً ۳.۱۴۱۵۹) است.
• $L$ طول نمونه استوانه‌ای بتن است که بر حسب میلی‌متر (mm) بیان می‌شود.
• $D$ قطر نمونه استوانه‌ای بتن است که بر حسب میلی‌متر (mm) بیان می‌شود.

این فرمول بر اساس تئوری الاستیسیته برای محیط‌های همسانگرد و با در نظر گرفتن شرایط بارگذاری در آزمایش برزیلی استخراج شده است.

مطلب مرتبط: نحوه بتن ریزی  را بخوانید. 

سوالات و جواب رایج در مورد آزمایش مقاومت بتن

آیا نتایج آزمایش مقاومت کششی مستقیماً در طراحی سازه‌های بتن مسلح به کار می‌روند؟

خیر، نتایج آزمایش مقاومت کششی بتن معمولاً مستقیماً در طراحی سازه‌های بتن مسلح به کار نمی‌روند. در طراحی، از مقاومت کششی فولاد (میلگرد) استفاده می‌شود، زیرا بتن در کشش ضعیف بوده و میلگرد وظیفه تحمل این نیروها را بر عهده دارد.

مقاومت بتن با عیار ۳۵۰ یعنی جه؟

عبارت “مقاومت بتن با عیار ۳۵۰ یعنی چه؟” به دو مفهوم مرتبط اشاره دارد:

عیار بتن (Cemnt Content): عدد ۳۵۰ در اینجا به معنای مقدار سیمان مصرفی در هر متر مکعب بتن است. یعنی، در هر متر مکعب از این نوع بتن، ۳۵۰ کیلوگرم سیمان به کار رفته است. بتن با عیار ۳۵۰ کیلوگرم سیمان در متر مکعب، معمولاً معادل بتن با رده مقاومتی C25 (یا قبلاً B250) است. این یعنی مقاومت فشاری مشخصه این بتن پس از ۲۸ روز عمل‌آوری، برابر با ۲۵ مگاپاسکال (MPa) یا حدود ۲۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است.

رایج‌ترین نوع آزمایش مقاومت بتن کدام است؟

آزمایش مقاومت فشاری (Compression Test) رایج‌ترین و مهم‌ترین آزمایش مقاومت بتن است. دلیل آن هم این است که بتن اساساً در برابر فشار بسیار مقاوم است و بیشتر در سازه‌ها تحت بارهای فشاری قرار می‌گیرد.

چه زمانی نمونه‌برداری و آزمایش مقاومت بتن انجام می‌شود؟

نمونه‌برداری از بتن تازه در حین بتن‌ریزی در محل پروژه انجام می‌شود. نمونه‌ها سپس در شرایط استاندارد (عمل‌آوری) نگهداری شده و در سنین مشخصی (معمولاً ۷ و ۲۸ روزه) برای آزمایش به آزمایشگاه منتقل می‌شوند.

چرا آزمایش مقاومت کششی بتن به صورت غیرمستقیم (مانند تست برزیلی) انجام می‌شود؟

به دلیل ضعف ذاتی بتن در کشش و دشواری اعمال نیروی کششی خالص و یکنواخت به نمونه‌های بتنی به صورت مستقیم. روش‌های غیرمستقیم مانند تست برزیلی، تنش‌های کششی را به صورت یکنواخت‌تری در نمونه ایجاد می‌کنند و نتایج قابل اطمینان‌تری ارائه می‌دهند.

چه عواملی می‌توانند بر نتایج آزمایش مقاومت بتن تأثیر بگذارند؟

عوامل متعددی مانند: کیفیت مصالح اولیه (سیمان، آب، سنگدانه)، نسبت‌های طرح اختلاط (نسبت آب به سیمان)، نحوه اختلاط، حمل و ریختن بتن، تراکم و ویبره زدن نامناسب، شرایط عمل‌آوری (دما، رطوبت)، نحوه نمونه‌برداری و نگهداری نمونه‌ها، و دقت دستگاه آزمایش می‌توانند بر نتایج نهایی تأثیرگذار باشند.

اگر مقاومت بتن کمتر از حد مورد انتظار باشد، چه باید کرد؟

در صورتی که نتایج آزمایش مقاومت بتن کمتر از مقاومت مشخصه مورد نیاز باشد، باید بررسی‌های دقیق‌تری انجام شود. این شامل بررسی مجدد نمونه‌ها، انجام آزمایش‌های غیرمخرب (مانند تست چکش اشمیت یا اولتراسونیک) روی بتن درجا و در نهایت، در صورت نیاز، مغزه‌گیری (کرگیری) از سازه و آزمایش آن‌ها است. بسته به شدت کمبود مقاومت، ممکن است نیاز به تقویت سازه یا اقدامات اصلاحی دیگر باشد.

نقش آرماتور (میلگرد) در جبران ضعف کششی بتن چیست؟

آرماتور (میلگرد) با تحمل نیروهای کششی، ضعف ذاتی بتن را در برابر این نیروها جبران کرده و مقاومت و شکل‌پذیری سازه بتنی را افزایش می‌دهد.

در کدام بخش‌ها یا انواع سازه‌های بتنی، مقاومت کششی بتن اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند؟

مقاومت کششی بتن در طراحی روسازی‌های بتنی، دال‌های روی زمین، و دیوارهای حائل که در آن‌ها تنش‌های کششی مستقیم یا خمشی قابل توجهی ایجاد می‌شود، اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. همچنین، در بررسی ترک‌خوردگی و دوام کلی سازه‌های بتنی نیز نقش حیاتی دارد.