ارتباط بین نتایج آزمایش‌های چکش اشمیت و مقاومت فشاری آزمونه‌های مکعبی ۱۵۰x150x150میلی‌متر

علی ذوالقدری^۱، بابک فروتن‌مهر^۱، محمدصادق چیت فروش زاده^۱، فرهاد عواطفی هویدا^۱

۱-شرکت فهاب بتن

چکیده

تعیین مقاومت فشاری بتن یکی از دغدغه‌های اصلی محققان از زمان استفاده از این ماده و همچنین مهم‌ترین ضابطه برای قضاوت در مورد کیفیت آن بوده است. در این مطالعه ارتباط بین نتایج مقاومت فشاری حاصل از چکش اشمیت به عنوان تست غیر‌مخرب و آزمایش استاندارد مقاومت فشاری به‌عنوان تست مخرب بررسی شده است. به‌منظور واسنجی نتایج چکش اشمیت، آزمونه‌های مکعبی نمونه‌گیری شده در پروژه‌های در حال اجرا مورد استفاده قرار گرفتند. پس از عمل‌آوری استاندارد تا سن ۲۸ روز، روی ۵۵ آزمونه، آزمون مقاومت فشاری و همچنین آزمون چکش اشمیت در دو جهت (افقی و قائم) انجام گرفت. نتایج حاصل از رگرسیون نشان داد که ارتباطی قوی بین نتایج حاصل از مقاومت فشاری استاندارد و تست غیرمخرب با استفاده از چکش اشمیت با ضریب ۰/۹۷۱ وجود دارد. چکش اشمیت می‌تواند به منظور انجام فرایند کنترل کیفیت بتن، با اعمال ضرایب کالیبراسیون حاصله، در تخمین نتایج مقاومت فشاری با دقت قابل قبول مورد استفاده قرار گیرد.

کلمات کلیدی: چکش اشمیت، مقاومت فشاری بتن.

۱.مقدمه

بتن جزو معمول‌ترین مصالحی است که در ساخت و ساز مورد استفاده قرار می‌گیرد[۱]. تعیین مقاومت فشاری بتن یکی از دغدغه‌های اصلی محققان از زمان استفاده از این ماده و همچنین مهم‌ترین ضابطه برای قضاوت در مورد کیفیت آن بوده است. روش‌های آزمایش غیر‌مخرب و مخرب مختلفی برای تعیین این پارامتر از بتن مورد استفاده قرار گرفته است. هدف اصلی این آزمایش‌ها کنترل تولید بتن و تعیین عمر سرویس‌دهی آن در طول زمان است. با این اوصاف، روش‌های مخرب بعضا هزینه‌بر و زمان‌بر هستند. علاوه بر این، نمونه‌های استوانه‌ای و مکعبی که در آزمایشگاه ساخته شده باشند نماینده‌ای از بتن اجرا شده نیستند. به‌علاوه کرگیری از اجزای سازه‌ای باعث کاهش ظرفیت باربری عضو خواهد شد. آزمون غیر‌مخرب در واقع روشی است برای تعیین مقاومت فشاری بتن به صورت غیر‌مستقیم که اندازه‌گیری آن در محل کارگاه نیز امکان‌پذیر است.[۲]. فواید آزمون غیر‌مخرب در مقایسه با مغزه‌گیری  (آزمون مخرب) توسط لشینسکی ارائه شده است[۳]:

۱.کاهش نیروی کارگر در هنگام انجام آزمایش

۲.کاهش تخریب عضو بتنی مورد آزمایش

۳.عدم احتمال آسیب به اعضایی که در صورت کاهش ظرفیت مقطع نیاز به آرماتور گذاری دارند.

۴.امکان انجام آزمایش در سازه‌هایی که امکان کرگیری وجود ندارد (دیوارهای با ضخامت کم، سازه‌های باحجم آرماتور بسیار زیاد و …)

۵.استفاده از تجهیزات با هزینه‌ی بسیار پایین‌تر

این فواید در حالی است که نتایج قابل اعتماد باشند و تا حد قابل قبولی به نتایج واقعی حاصل از اندازه‌گیری به‌روش مخرب نزدیک باشند[۴]. محدودیت‌های اصلی مربوط به آزمون غیر‌مخرب، ناهمسانی و غیرهمگنی مواد و مصالح، محدود بودن محل انجام آزماش، سختی سطحی که مورد استفاده قرار می‌گیرد و جهت انجام آزمایش (افقی، قائم یا زوایای دیگر) است[۵]. به‌منظور غلبه بر این محدودیت‌ها، نتایج حاصل از انجام آزمایش باید با خروجی نتایج آزمون مخرب همبستگی داشته باشند. در واقع این نمودار‌های همبستگی توسط تولیدکننده‌ی تجهیزات برای استفاده‌کنندگان داده شده است.این نمودار‌های برای آزمونه‌های بتنی بین ۱۴ تا ۵۶ روزه ساخته شده است. (روی چکش اشکیت نمایش داده شده است). با این وجود، این نمودار‌ها ممکن است در عمل نتایج متفاوتی با واقعیت به‌دست دهند. در نتیجه تخمین مقاومت فشاری با همبستگی اعداد برجهندگی و نتایج مقاومت فشاری حاصل از آزمایش استاندارد مخرب امکان‌پذیر است.

هنگامی که در یک مجموعه کنترل کیفیت از تست غیر‌مخرب برای ارزیابی مقاومت بتن استفاده می‌شود

برای قابل اعتماد و اطمینان بودن نتایج حاصل از آزمایش، باید با توجه به مصالح و مواد مورد استفاده، نتایج دستگاه با استفاده از نتایج حاصل از تست غیر‌مخرب بررسی و نمودار‌های همبستگی برای آنها بدست آید. معمولا پارامترهایی که روی این نمودارها اثر می‌گذارند، صافی سطح، اندازه، شکل، صلبیت نمونه، سن آزمونه، رطوبت سطحی و عمق آزمونه، نوع سنگدانه درشت، نوع سیمان، وجود حباب هوا در سطح، دما، نوع قالب مورد استفاده، کربناسیون سطحی نمونه و همچنین کالیبراسیون چکش اشمیت است[۶]. تحقیقات زیادی در خصوص اینکه چکش اشمیت وسیله‌ای قابل اعتماد برای تخمین مقاومت فشاری هست یا خیر انجام گرفته است. تحقیقات علمی انجام گرفته نشان می‌دهد که چکش اشمیت می‌تواند اطلاعات مفیدی را در خصوص کیفیت بتن ارائه کند، و این در صورتی است که دستگاه برای نوع بتنی که مورد استفاده قرار می‌گیرد کالیبره شده باشد[۷]. این تحقیق به منظور واسنجی نتایج آزمون چکش اشمیت روی آزمونه‌های مکعبی ۱۵۰x150x150 میلی‌متر بتن‌های تولید شده، و در سن ۲۸ روز انجام شده است. در این تحقیق، نمونه‌های بتن از بتن‌های تولید شده در کارخانه فهاب‌بتن اخذ شده است.

۲-۱. آزمون غیر‌مخرب بتن با استفاده از چکش اشمیت

در میان روش‌های غیر‌مخرب، تعیین مقاومت فشاری بتن با استفاده از چکش اشمیت معمول‌ترین روش عملی است. این روش با توجه به سادگی، سرعت انجام بالا، و هزینه ی پایین آن در تمام دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. روش انجام آزمایش با چکش اشمیت در ASTM C805[8] و BS 1881: Part 202 [9]  شرح داده شده است. این آزمایش به عنوان یک روش سختی سنجی دسته‌بندی شده و بر اساس برگشت الاستیک یک جسم با توجه به سختی سطح برخورد اندازه‌گیری می‌شود. انرژی دریافت شده توسط بتن به مقاومت آن بتن بستگی دارد. این آزمایش با انتخاب صحیح سطح و آماده سازی آن سطح شروع می‌شود. با توجه به تاثیر جهت برخورد چکش به سطح آزمونه که در مقدار برجهندگی تاثیر‌گذار است، آزمایش عمود بر سطوح انجام می‌گیرد و زاویه ی چکش با افق در هنگام آزمایش  در نتایج حاصله تاثیر گذار است. اعداد بر جهندگی باید برای حداقل ۱۰نقطه طبق استاندارد ASTM و ۱۲ نقطه طبق استانداردBS، اندازه گیری کردند. پس از اندازه گیری، نتایج حاصل از آزمایش چکش اشمیت با نتایج تست مخرب بررسی و نمودارها ترسیم میگردند. مطالعات مختلفی به منظور بررسی تاثیر هر یک از پارامترهای ذکر شده در مقدمه روی نتایج چکش اشمیت انجام گرفته است.برای مثال آماساکی^۴ [۱۰] تاثیر کربوناسیون را روی عدد برجهندگی بررسی کرده است و گریب^۵ [۱۱] به بررسی تاثیر نوع سنگدانه روی عدد برجهندگی پرداخته است.

۲.فعالیت میدانی و آزمایشگاهی

هدف این تحقیق بدست آوردن نمودار همبستگی ساده‌ای است که بتواند توسط مهندسان مجموعه کنترل کیفیت برای ارزیابی بتن تولید شده، مورد استفاده قرار بگیرد است. آزمونه‌ها، از بتن‌های در حال اجرا اخذ شده است که توسط تکنسین‌ها در قالب‌های ۱۵۰x150x150 میلی‌متر به روش استاندارد ساخته شده اند. آزمونه‌ها پس از ۲۸ روز عمل‌آوری، از آب خارج شده و سطح آن‌ها با استفاده از دستمال خشک شد. صاف‌ترین سطوح آزمونه‌ها به منظور آزمون غیر‌مخرب انتخاب شد. این آزمون در دو حالت افقی و قائم طبق تصویر شماره ۱ انجام گرفت.

به منظور انجام آزمون با چکش اشمیت در حالت افقی آزمونه‌ها زیر جک مقاومت فشاری با تنش بسیار پایین (۷۰کیلوگرم بر سانتی‌مترمکعب) قرار گرفتند (در استاندارد BS 1881-202[9] برای اندازه گیری اعداد برجهندگی آزمونه‌های مکعبی در حالت افقی توصیه شده است) سپس نیرو به چکش روی سطح مورد آزمون اعمال شد تا عدد برجهندگی به‌دست آید. فواصل قرائت اعداد بر جهندگی در حدود ۲۵میلی‌متر از یکدیگر در مرکز آزمونه انتخاب شد. در حالت قائم، این مراحل روی آزمونه‌ها با گذاشتن آزمونه روی زمین سخت و صاف مطابق شکل۱ انجام گرفت در هر مرحله ۱۴ قرائت انجام گرفت و میانگین و انحراف معیار آنها محاسبه شد. طبق استاندارد ASTM C805[8] در صورت مشاهده‌ی اختلاف بیش از ۶واحدی در قرائت اعداد برجهندگی، آزمایش روی سطح مناسب دیگری انجام گرفته و در صورت تکرار این امر، آزمونه از آزمایش حذف گردید.

پس از اندازه‌گیری اعداد برجهندگی قائم و افقی، آزمون مقاومت فشاری مطابق استاندارد ملی ۳-۱۶۰۸ [۱۲] انجام گرفت. در پایان به منظور تخمین مقاومت فشاری بتن با استفاده از اعداد ارائه شده توسط شرکت سازنده‌ی چکش، در دو حالت افقی و قائم، نمودار شکل ۲ ترسیم و نتایج استخراج شد.

۳.نتایج و بحث

پس از محاسبه‌ی نتایج تخمین مقاومت حاصل از چکش اشمیت و استخراج اعداد مقاومت فشاری با استفاده از نمودار شکل ۲، به منظور کالیبراسیون چکش‌اشمیت با نتایج واقعی که از شکست آزمونه‌های بتنی حاصل شد، رگرسیون ساده خطی برقرار شد. نتایج ارتباط بین آزمایش مقاومت فشاری بتن و نتایج بدست آمده از چکش اشمیت در دو حالت افقی و قائم به ترتیب در تصویر ۳ و ۴ نشان داده شده است. ارتباط بین نتایج چکش اشمیت اندازه‌گیری شده در حالت قائم و افقی و مقاومت فشاری به ترتیب در روابط ۱ و ۲ آورده شده است.

(۱)                                                                                       C_s=۱.۶۷۵(S-P), R^۲=۰.۹۷۳

(۲)                                                                                    C_s=۱.۳۰۲۹(S-H), R^۲=۰.۹۷۱

که به ترتیب C_s نشان دهنده‌ی مقاومت فشاری بتن، مگاپاسکال: S-P نتیجه آزمایش چکش اشمیت در حالت قائم، مگاپاسکال: S-H نتیجه آزمایش چکش اشمیت در حالت افقی، مگاپاسکال است.

با توجه به ضرایب حاصل شده از رگرسیون خطی، مشاهده می‌گردد که نتایج حاصل از انجام آزمایش در حالت افقی، از دقت بالاتری برخوردار است(ضریب x پایین‌تری دارد.) و در صورت عدم اعمال ضریب حاصل از رگرسیون نتایج تخمین حاصل از چکش اشمیت به‌نتایج واقعی نزدیک‌تر است. این در حالی است که با توجه به نمودار شکل ۳، در صورت استفاده از تخمین مقاومت فشاری با استفاده از چکش اشمیت در حالت قائم و بدون اعمال ضریب واسنجی حاصل شده، نتایج واقعی می‌توانند به طور متوسط ۶۷ درصد کمتر باشند و این موضوع اهمیت انجام واسنجی را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌گردد ضرایب تعیین (R^۲)در هر دو نمودار بدست آمده بالاست و نشان از ارتباط قوی بین نتایج واقعی و نتایج تخمین با تست غیر‌مخرب حاصل از آزمایش چکش اشمیت دارد. همانطور که پیش‌تر در مقدمه بحث شد، با توجه به تاثیر عوامل مختلف در نتایج حاصل از چکش اشمیت از قبیل: صافی سطح، اندازه، شکل، صلبیت نمونه، سن آزمونه، رطوبت سطحی و عمقی آزمونه، نوع سنگدانه درشت، نوع سیمان، وجود حباب هوا در سطح، دما، نوع قالب مورد استفاده کربناسیون سطحی نمونه و همچنین واسنجی چکش اشمیت، سعی شد که متغیر‌های اندازه‌گیری تنها به واسنجی چکش اشمیت محدود گردد و سایر موارد در تمامی آزمونه‎‌ها مشابه باشد که این امر به بالارفتن دقت حاصل از اندازه‌گیری منجر شد. توسط محققین مختلفی نیز ارتباط قوی بین نتایج حاصل از چکش اشمیت و همچنین مقاومت فشاری بتن یافت شده است و در این بین نظرات متضاد و مختلفی نیز در میان محققین در مورد دقت تخمین مقاومت فشاری از اعداد برجهندگی قرائت شده و ارتباط همبستگی وجود دارد. ضریب تغییرات مقاومت فشاری برای محدوده‌ی زیادی از نمونه‌ها به طور میانگین ۱۸/۸ درصد و برای گروهی دیگر بیش از ۳۰درصد گزارش شده است.[۱۳] فرهات‌آیدین^۶ و سریبیک^۷[۱۴]، روی نتایج حاصل از کرگیری و نمونه های ازمایشگاهی، آزمایش چکش اشمیت و مقاومت فشاری انجام دادند. و نتیجه گرفتند که برای بدست‌آوردن نتایج قابل قبول انجام واسنجی چکش بسیار اهمیت دارد و با استفاده از چکش اشمیت می‌توان کرگیری از سازه‌های بتنی را بسیار کاهش داد در تحقیق دیگری که توسط همدانیان و همکاران[۱۵] با استفاده از ترکیب چکش اشمیت و امواج التراسونیک انجام گرفت، نشان داده شد که نتایج حاصل از چکش اشمیت بین ۱۵±تا۲۰± درصد با نتایج اندازه‌گیری واقعی اختلاف دارد.

۴.نتیجه گیری

با توجه به‌نتایج بدست‌آمده حاصل از چکش اشمیت به عنوان تست غیر‌مخرب و مقاومت فشاری مکعبی استاندارد روی آزمونه‌های نمونه‌گیری شده از بتن‌های تولید شده نتایج زیر حاصل شده است:

• استفاده از چکش اشمیت نیازمند مطالعه‌ی دقیق آزمایشگاهی است. به دلیل تاثیر متغیر‌های مختلف از جمله مصالح مورد مصرف در تولید بتن‌آماده، لازم است تا نتایج چکش با توجه به این مصالح کالیبره و مورد استفاده قرار گیرد.
• با توجه به نتایج رگرسین حاصل شده، با ضریب تعیین ۰/۹۷=R^۲، استفاده از چکش اشمیت به عنوان آزمون غیر‌مخرب می‌تواند نتایج قابل قبولی داشته باشد و توسط واحد کنترل کیفیت مجموعه‌ی بتن‌آماده مورد استفاده قرار گیرد.
• این واقعیت باید مدنظر قرار گیرد که چکش اشمیت نمی‌تواند جایگزین آزمایش استاندارد مقاومت فشاری گردد، اما به منظورم یکنواختی بتن تولید شده و همچنین مقایسه آنها می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

۵.قدردانی

نویسندگان این مقاله مراتب سپاس خود را نسبت به حمایت‌های مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهر‌سازی و شرکت فهاب‌بتن اعلام می‌دارند.

۶.مراجع

Orr, J. (2012). Flexible formwork for concrete structures (Doctoral dissertation, University of Bath).[1]

Yüksel, I. (1995). Determination of concrete strength using combined nondestructive tests and application on a reinforced concrete structure (Doctoral dissertation, MSc. Thesis, Yildiz Technic University, Science of Technology Institute, Istanbul). [2]

.Leshchinsky, A. (1991, June). Non-destructive methods instead of specimens and cores, quality control of concrete structures. In Proceedings of the International Symposium   E&FN Spon held by RILEM, Belgium

 .Turgut, P. (2004). Research into the correlation between concrete strength and UPV values.[4]

Yilmaz, I. (2009). A new testing method for indirect determination of the unconfined compressive strength of[5]

rocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences

Malhotra, V. M., & Carino, N. J. (2003). Handbook on nondestructive testing of concrete. CRC press[6]

 Brencich, A., Cassini, G., Pera, D., & Riotto, G. (2013). Calibration and reliability of the rebound (Schmidt)[7]
hammer test. Civil Engineering and Architecture

[۸]ASTM C805/C805M. (2013).Standard test method for rebound number of hardened concretes. West
.Conshohocken, USA: American Society for Testing and Materials.

 [۹] BS 1881: Part 202. (1986) Recommendations for Surface Hardness Tests by the Rebound Hammer. BSI, U.K.,
[۱۰] Amasaki, S. (1991). Estimation of strength of concrete structures by the rebound hammer. CAJ Proc Cem

 Conc, 45, 345-351.

Grieb, W. E. (1958). Use of Swiss hammer for estimating compressive strength of hardened concrete. Highway [11]

 Research Board Bulletin, (201)