تاثیر سرعت بارگذاری روی نتایج مقاومت فشاری آزمونه‌های مکعبی ۱۵۰x150x150 میلی‌متری

علی ذوالقدری^۲، بابک احمدی^۱ ، بابک فروتن‌مهر^۲، محمدصادق چیت فروش زاده^۲، فرهاد عواطفی هویدا^۲

۱.مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی
۲.شرکت فهاب بتن

چکیده
تاثیر سرعت بارگذاری روی نتایج مقاومت فشاری بتن، عنوان بسیاری از تحقیقات در سالیان اخیر بوده است، برخی از محققین این تاثیر را کم و برخی دیگر این تاثیر را زیاد عنوان کرده‌اند، در این پژوهش به منظور بررسی تاثیر سرعت بارگذاری روی نتایج مقاومت فشاری بتن، روی آزمونه‌های مکعبی به ابعاد ۱۵۰x150x150 میلی‌متر در ۶ سرعت بارگذاری مختلف ( محدوده ۰/۲ تا ۱/۵ مگاپاسکال بر ثانیه) بارگذاری انجام گرفت. این آزمایش در دو سن ۷ و ۲۸ روز و همچنین دو نسبت آب به سیمان ۰/۴۵ و ۰/۶۵ انجام شد. نتایج حاصله نشان می‌دهد که افزایش سرعت بارگذاری صرف نظر از سن و مقاومت بتن، باعث افزایش مقاومت فشاری بدست آمده می‌گردد. تغییر نرخ بارگذاری روی مقاومت فشاری در بتن‌های با مقاومت فشاری بالا، بیشتر است. بیشترین اختلاف مقاومت فشاری مشاهده شده (در سرعت بارگذاری مختلف) ۷/۵ درصد برای بتن‌های با آب به سیمان بالا و ۱۴/۵ درصد برای بتن‌های با آب به سیمان پایین است.

۱.مقدمه

تاثیر سرعت بارگذاری خصوصا روی نتایج مقاومت فشاری بتن در طی دهه‌های اخیر عنوان بسیاری از تحقیقات بوده است. برخی از محققین تاثیر سرعت بارگذاری روی مقاومت فشاری بتن را بسیار کم توصیف کردند. در حالی که برخی دیگر آن را قابل توجه شمردند و گزارش کردند که نتایج مقاومت فشاری با افزایش سرعت بارگذاری می‌تواند تا حدود ۳۰درصد و در برخی موارد تا ۸۰درصد افزایش یابد. این مشاهدات متفاوت و در برخی موارد متضاد می‌تواند به علت شرایط متفاوت آزمونه‌ها  از قبیل طرح مخلوط، عمل آوری، ست، مقدار رطوبت در هنگام آزمایش و همچنین ابعاد آن باشد.

اسپونر(Spooner) عنوان کرده است که نوع عمل‌آوری بتن می‌تواند شدت تاثیر سرعت بارگذاری را مشخص کند. بدین صورت که اگر آزمونه‌ها در آب عمل آوری شده باشند، تاثیر سرعت بارگذاری قابل توجه خواهد بود، اما اگر آزمونه‌ها در هوا عمل آوری شده باشند این تاثیر بسیار کم خواهد بود. تحقیقات صورت گرفته توسط جونز (Jones)، واتشتین (Watstein) و ریچارت (Richart)نیز این موضوع را تایید می کند. واتشتین آزمونه‌های بتنی را برای ۲۵ روز در آب و ۲ روز در محیط آزمایشگاه عمل‌آوری کرد، جونز و ریچارت نیز آزمونه‌ها را در اتاق بخار عمل آوری کردند. نتایج هر دو تحقیق نشان دادند که سرعت بارگذاری تاثیر قابل توجهی در نتایج آزمون مقاومت فشاری بتن دارد.

شواهدی دیگر مبنی بر تاثیر رطوبت آزمونه‌ها در هنگام آزمایش وجود دارد. در مطالعه‌ای که توسط اسپونر انجام گرفت، مشاهده شد که مقاومت فشاری آزمونه‌هایی که در هنگام آزمایش رطوبت داشتند متاثر از سرعت بارگذاری است، این در حالی است که آزمونه‌های تقریبا خشک متاثر از سرعت بارگذاری نبودند، علت وقوع را آب آزاد بتن عنوان کردند که با افزایش نسبت آب به سیمان (و به تبع آن افزایش فشارآب منفذی هنگام شکست بتن) اثر سرعت بارگذاری روی مقاومت فشاری بتن نیز افزایش می یابد. دیر و سانگا، ابتدا آزمونه‌ها را به مدت ۲۵ روز در آب عمل‌آوری نمودند و سپس به مدت ۷۰روز خارج از آب و در شرایط محیطی آزمایشگاه عمل آوری کردند. آنها مشاهده کردند که مدت زمان کافی برای تبخیر آب قابل تبخیر آزمونه‌ها وجود داشته و در نتیجه سرعت بارگذاری تاثیر چندانی در نتایج مقاومت فشاری نداشته است.

نتایج تحقیقات برخی از محققین نشان می‌دهد که هر مقدار رده‌ی مقاومتی بتن بالاتر باشد تاثیر سرعت بارگذاری بیشتر است.در حالی که برخی دیگر نشان دادند رده‌ی مقاومتی مستقل از سرعت بارگذاری بتن است، مگر در مواردی که سرعت بارگذاری بسیار بالاست (حالت دینامیکی دارد)

تاثیر سرعت بارگذاری روی نتایج مقاومت فشاری به سن بتن نیز می‌تواند وابسته باشد و تاثیر آن با توجه به افزایش سن نمونه‌ها بیشتر می‌شود.

اسپارکس و منزیس در مطالعه‌ای نشان دادند که سختی سنگدانه‌ها در بتن نیز موثر است، بدین شکل که هر چه مقدار سختی سنگدانه‌ها کمتر باشد تاثیر سرعت بارگذاری روی نتایج مقاومت فشاری کمتر است.

از مطالعه‌ی تحقیقات صورت گرفته می‌توان دریافت بسیار دشوار است که به ارزیابی اهمیت نسبی هر یک از این پارامتر‌ها روی تاثیر سرعت بارگذاری بر نتایج مقاومت فشاری بتن پرداخت و هر یک از پارامتر‌ها به نوعی می‌توانند در نتایج حاصله موثر باشند.

در استاندارد ملی ایران به شماره ۳-۱۶۰۸ سرعت بارگذاری مجاز بتن برای اندازه‌گیری مقاومت فشاری در محدوده‌ی ۰/۲ ± ۰/۶ مگاپاسکال بر ثانیه اعلام شده است، در توضیحات این استاندارد آورده شده که برای بتن‌های با مقاومت بالا از سرعت بارگذاری بالا‌تر و از بتن‌های با  مقاومت فشاری پایین‌تر از محدوده سرعت بارگذاری پایین‌تر ارائه شده استفاده گردد. که اهمیت تاثیر سرعت بارگذاری بر مقاومت فشاری بتن در محدوده‌ی توصیه شده، در پژوهش‌های آزمایشگاهی عموما مغفول مانده و لازم است تا به بررسی بیشتری در این رابطه پرداخته شود.

در این پژوهش به تاثیر سرعت بارگذاری روی نتایج مقاومت فشاری بتن در دو سن ۷ روزه و ۲۸ روزه در دو نسبت آب به سیمان ۰/۶۵ و ۰/۴۵ پرداخته می‌شود که در محدوده‌ی سرعت بارگذاری ۰/۲ تا ۱/۵ مگاپاسکال بر ثانیه قرار دارند.                                                          

۲.آماده سازی آزمونه‌ها و روش انجام آزمایش

در این پژوهش از آزمونه‌های مکعبی به ابعاد ۱۵۰x150x150 میلی‌متر استفاده شد. مشخصات شیمیایی و فیزیکی سیمان مورد استفاده در تولید‌بتن به ترتیب درجداول۱و ۲ آورده شده است. سیمان مصرفی سیمان نوع ۲، سنگدانه درشت از جنس سیلیسی با حداکثر اندازه ۱۹میلی‌متر و ماسه طبیعی با دانه‌بندی مطابق رده ۲ استاندارد ملی ۳۰۲ به منظور تولید بتن، مورد استفاده قرار گرفتند. چگالی اشباع با سطح خشک شن و ماسه مورد استفاده به ترتیب ۲/۷۵ و ۲/۵۶ گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد. طرح مخلوط‌های مورد استفاده برای تولید بتن در جدول ۳ آورده شده است. GI-0.65 ، بتن بدون افزودنی با نسبت آب به سیمان ۰/۶۵ و اسلامپ ۱۳۰میلی‌متر و G2-0.45 بتن حاوی افزودنی فوق روان کننده با نسبت آب به سیمان ۰/۴۵ و اسلامپ ۲۰۰میلی‌متر است.

به منظور افزایش دقت اندازه‌گیری‌ها برای انجام آزمون در هر اندازه‌گیری از سه آزمونه مکعبی استفاده شد. این آزمونه‌ها، پیش از آزمون، به مدت ۷ و ۲۸ روز در حوضچه‌های آب و آهک با دمای ۲۰ ± ۲ درجه‌ی سیلسیوس عمل آوری شدند. پس از عمل‌آوری در سنین مورد آزمون آزمونه‌ها از آب خارج شده و پس از ۳۰ دقیقه از خروج آزمونه‌ها از آب، سطح آنها با دستمال خشک شد.این شرایط برای تمامی آزمونه‌ها مشابه بوده است. برای انجام آزمون در هر سرعت بارگذاری، از ۳ آزمونه مکعبی استفاده شده است و میانگین نتیجه آنها گزارش شد. از جک مقاومت فشاری دیجیتال با ظرفیت ۲۰۰ تن و سرعت بارگزاری قابل تغییر به منظور شکست آزمونه‌ها استفاده شد.به دلیل قابل تنظیم نبودن دقیق سرعت بارگذاری، سرعت بارگزاری متوسط شکست بتن، به کمک رابطه‌ی ۱محاسبه شد.

(۱)

که به ترتیب ROL نشان‌دهنده‌ی میانگین سرعت بارگذاری آزمونه‌های مکعبی، مگاپاسکال برثانیه؛ C_s مقاومت فشاری آزمونه‌های مکعبی بتن، مگاپاسکال؛ t مدت زمان شکست آزمونه‌های مکعبی، بر حسب ثانیه است.

۳.نتایج و تحلیل

نتایج سرعت بارگذاری و مقاومت فشاری نمونه‌ها در سنین ۷ و ۲۸ روزه به همراه انحراف معیار و ضریب تغییرات اندازه‌گیری شده در جدول ۴ آورده شده است. نمودار نتایج سرعت بارگذاری در سنین ۷ و ۲۸ روزه به ترتیب برای GI-0.65 در شکل ۱ و ۲ و برای G2-0.45 در شکل ۳ و ۴ ارائه شده است.

همانطور که در شکل۱ برای طرح مخلوط  در سن ۷ روزه مشاهده می گردد، به طور کلی مقاومت فشاری با افزایش سرعت بارگذاری افزایش یافته است. اما مقدار افزایش مقاومت فشاری اندک بوده و بین پایین‌ترین مقدار سرعت بارگذاری  (۰/۲۵ مگاپاسکال بر ثانیه) تا بالاترین سرعت بارگذاری اعمال شده (۰/۹۸ مگاپاسکال بر ثانیه) ۷/۴ درصد اختلاف وجود دارد (قابل توجه است که امکان اعمال سرعت بارگذاری استاتیکی بالاتر یا پایین تر با توجه به نوع جک فشاری و مدت زمان شکست بسیار زیاد، وجود نداشت).

پس از ۲۸ روز از عمل آوری آزمونه‌ها در شرایط استاندارد، همانطور که در نمودار شکل ۲ ارائه شده است، مقاومت فشاری با توجه به تغییرات سرعت بارگذاری حساس شده است. به طوری که بیش‌ترین اختلاف مقاومت فشاری مشاهده شده حدود ۸/۹ درصد است که به ترتیب در سرعت بارگذاری ۰/۲۱ و ۰/۸۵ مگاپاسکال بر ثانیه مشاهده می‌گردد. همچنین با توجه به نمودار، روند افزایش مقاومت فشاری پس از سرعت بارگذاری ۰/۸۵ مگاپاسکال بر ثانیه، روندی کاهش را نشان می‌دهد. سرعت بارگذاری ارائه شده در استاندارد در محدوده‌ی ۰/۴ تا ۰/۸ مگاپاسکال می‌باشد که با نتایج به‌دست آمده، تغییرات نتایج مقاومت فشاری در این محدوده زیر ۴ درصد برای بتن‌های GI-0.65 با آب به سیمان بالاست.

برای طرح مخلوط G2-0.45 در نمودار شکل ۳ در سن ۷ روز مشاهده می‌شود که همانند طرح G2-0.65 مقاومت فشاری با افزایش سرعت بارگذاری افزایش یافته است، که این افزایش مقاومت فشاری از سرعت بارگذاری ۰/۱۵ تا ۱/۵۸ مگاپاسکال بر ثانیه حدود ۷/۷ درصد می‌باشد.

همانطور که در شکل ۴ مشاهده می‌گردد، پس از ۲۸ روز از عمل آوری بتن‌های G2-0.45 ، ابتدا مقاومت فشاری آزمونه‌‌ها با افزایش سرعت بارگذاری تا رسیدن به سرعت ۱/۰۲ مگاپاسکال بر ثانیه یافته و سپس روند افزایشی کاهش یافته است.این افزایش مقاومت در حدود ۱۴/۵ درصد است که تاثیر حدودا دو برابری سرعت بارگذاری در مقایسه با سن ۷ روزه را نشان می‌دهد. به طور کلی، با افزایش نرخ بارگذاری، میکرو ترک‌های ناحیه انتقال و خمیر سیمان، فرصت کمتری برای انتشار و اتصال به یکدیگر پیدا کرده و در نتیجه مقاومت فشاری بالاتری در این حالت مشاهده می‌شود.

با مقایسه نتایج به‌دست آمده در مجموع می‌توان گفت با افزایش مقاومت فشاری بتن، حساسیت بتن در برابر سرعت بارگذاری افزایش می‌یابد بطوری که در بتن‌های با مقاومت بالا عدم توجه به سرعت بارگذاری اعمالی توسط اپراتور، می‌تواند منجر به کاهش یا افزایش نتایج مقاومت فشاری بتن به دست آمده حتی در حدود یک رده گردد. تحقیقات صورت گرفته در این زمینه نیز نتایج به دست آمده را تایید میکند. اگر چه تغییرات کمتری در مقایسه با برخی از محقیق دیگر یافت شد، اما با مقایسه‌ی نتایج در محدوده‌ی توصیه شده توسط استاندارد (سرعت بارگذاری ۰/۲ ± ۰/۶ مگاپاسکال بر ثانیه)، می‌توان گفت که در این محدوده تغییرات بسیار کمتری مشاهده شده و نتایج به‌دست آمده به هم نزدیکترند (در این محدوده بیشترین اختلاف مقاومت فشاری مشاهده شده در دو گروه طرح مخلوط بین ۳/۴ تا ۶/۸ درصد است).

۴.نتیجه‌گیری

در مطالعه‌ی انجام گرفته روی تاثیر سرعت بارگذاری بر نتایج مقاومت فشاری بتن، مشاهده شد که به طور کلی با افزایش سرعت بارگذاری، مقاومت بتن بدون توجه به سن و رده‌ی مقاومتی آن افزایش می‌یابد، بیشترین اختلاف مقاومت فشاری مشاهده شده (در سرعت بارگذاری مختلف) ۷/۵ درصد برای بتن‌های با آب به سیمان بالا و ۱۴/۵ درصد برای بتن‌های با آب به سیمان پایین است. حساسیت بتن به سرعت بارگذاری در بتن‌های با مقاومت فشاری بالاتر بیشتر بود. در محدوده‌ی مجاز اعلام شده توسط استاندارد ملی ایران برای اعمال سرعت بارگذاری (۰/۲ ± ۰/۶ مگاپاسکال بر ثانیه) تغییرات محدودی در نتایج مقاومت فشاری بتن مشاهده شده و رعایت این محدوده باعث حصول نتایج با پراکندگی کمتری خواهد شد.

۵.قدردانی

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