تست مقاومت کششی بتن چیست؟ | روش آزمایش و فرمول محاسبه

تست مقاومت کششی بتن چیست؟ با روش های کشش مستقیم، کشش غیر مستقیم و آزمایش برزیلی، مراحل انجام، نمونه و تجهیزات، فرمول محاسبه و استانداردهای آزمایش آشنا شوید.

بتن در برابر فشار مقاومت بالایی دارد، اما مقاومت آن در برابر کشش بسیار کمتر است. به همین دلیل، بررسی مقاومت کششی بتن برای شناخت رفتار آن در برابر ترک خوردگی و بارهای کششی اهمیت زیادی دارد. تست مقاومت کششی بتن یکی از آزمایش های مهم برای ارزیابی این ویژگی و بررسی عملکرد بتن در شرایط مختلف است.

مقاومت کششی بتن را می توان با روش هایی مانند آزمایش کشش مستقیم، کشش غیر مستقیم یا آزمایش برزیلی و آزمایش کشش خمشی بررسی کرد. در این مقاله، مفهوم مقاومت کششی بتن، روش های اصلی آزمایش، نحوه انجام آزمایش کشش غیر مستقیم، فرمول محاسبه و عوامل موثر بر این مقاومت را بررسی می کنیم.

مقاومت کششی بتن چیست؟

مقاومت کششی بتن، حداکثر تنشی است که بتن می تواند در برابر نیروی کششی تحمل کند، بدون اینکه دچار گسیختگی شود. بتن یک ماده ترد است و در برابر کشش، مقاومت بسیار کمتری نسبت به فشار دارد. به همین دلیل، حتی زمانی که بتن از نظر مقاومت فشاری عملکرد مناسبی دارد، ممکن است در اثر ایجاد تنش کششی دچار ترک شود.

مقاومت کششی بتن به عواملی مانند مقاومت فشاری، کیفیت و نسبت آب به سیمان، نوع و مقدار سیمان، کیفیت سنگدانه ها، عمل آوری و سن بتن بستگی دارد. این ویژگی در بررسی احتمال ترک خوردگی و رفتار بتن در سازه هایی که تحت بارهای مختلف قرار دارند اهمیت دارد.

برای تعیین مقدار مقاومت کششی، باید از روش آزمایش مناسب استفاده شود. به همین دلیل، مقدار به دست آمده از آزمایش کشش مستقیم، کشش غیر مستقیم و کشش خمشی لزوما یکسان نیست و هر کدام باید بر اساس روش و استاندارد مربوط به خود تفسیر شوند.

هدف از آزمایش مقاومت کششی بتن، تعیین ظرفیت بتن در برابر تنش کششی و ارزیابی رفتار آن در برابر ایجاد و گسترش ترک است.

چرا مقاومت کششی بتن کمتر از مقاومت فشاری است؟

بتن از ترکیب سیمان، آب و سنگدانه ها تشکیل شده و ساختار آن دارای منافذ و ناحیه انتقالی بین خمیر سیمان و سنگدانه ها است. این ساختار باعث می شود بتن در برابر فشار عملکرد مناسبی داشته باشد، اما در برابر نیروهای کششی ضعیف تر عمل کند.

هنگامی که بتن تحت کشش قرار می گیرد، ریزترک های موجود در خمیر سیمان و ناحیه انتقالی می توانند در اثر تنش کششی رشد کرده و به یکدیگر متصل شوند. در نتیجه، بتن پیش از آنکه بتواند تنش کششی زیادی تحمل کند، دچار ترک و گسیختگی می شود.

به همین دلیل، مقاومت کششی بتن معمولا بخش کوچکی از مقاومت فشاری آن است و نمی توان مقاومت کششی را صرفا بر اساس مقاومت فشاری بتن به صورت مستقیم تعیین کرد. برای اندازه گیری دقیق این ویژگی، باید از آزمایش های استاندارد مقاومت کششی استفاده شود.

روش های آزمایش مقاومت کششی بتن

برای تعیین مقاومت کششی بتن، بسته به نوع آزمایش و هدف ارزیابی، از چند روش مختلف استفاده می شود. مهم ترین روش ها شامل آزمایش کشش مستقیم، آزمایش کشش غیر مستقیم یا برزیلی و آزمایش مقاومت کششی خمشی هستند.

در آزمایش کشش مستقیم، نمونه مستقیما تحت نیروی کششی قرار می گیرد و مقاومت بتن در برابر گسیختگی کششی اندازه گیری می شود. در آزمایش کشش غیر مستقیم یا برزیلی، با اعمال نیروی فشاری در امتداد قطر نمونه استوانه ای، تنش کششی در راستای عمود بر بار ایجاد می شود. آزمایش کشش خمشی نیز برای بررسی عملکرد بتن در برابر کشش ناشی از خمش، به ویژه در اعضای بتنی مانند تیرها، مورد استفاده قرار می گیرد.

هر یک از این روش ها شرایط آزمایش، شکل نمونه و نحوه محاسبه مخصوص خود را دارند و نتایج آنها را نباید بدون توجه به روش آزمایش با یکدیگر مقایسه کرد.

آزمایش کشش مستقیم بتن

آزمایش کشش مستقیم از نظر مفهومی، مستقیم ترین روش برای تعیین مقاومت کششی بتن است، اما اجرای آن به دلیل دشواری اعمال نیروی محوری یکنواخت و جلوگیری از ایجاد خمش ناخواسته در نمونه، نسبت به روش کشش غیر مستقیم پیچیده تر است.

آزمایش کشش غیر مستقیم یا برزیلی

آزمایش کشش غیر مستقیم که با نام آزمایش برزیلی نیز شناخته می شود، یکی از روش های رایج برای تعیین مقاومت کششی بتن است. در این روش، نمونه استوانه ای بتن به صورت افقی در دستگاه قرار می گیرد و نیروی فشاری در امتداد قطر آن اعمال می شود. این بارگذاری باعث ایجاد تنش کششی در راستای عمود بر صفحه بارگذاری شده و در نهایت نمونه در امتداد قطر خود دچار ترک و گسیختگی می شود.

مزیت مهم این روش، ساده تر بودن اجرای آزمایش و استفاده از تجهیزات متداول آزمایش مقاومت فشاری است. در ادامه، نحوه آماده سازی نمونه، تجهیزات، مراحل انجام آزمایش و فرمول محاسبه مقاومت کششی غیر مستقیم را بررسی می کنیم.

آزمایش مقاومت کششی خمشی بتن

در آزمایش کشش خمشی، نمونه بتن تحت بارگذاری خمشی قرار می گیرد و مقاومت آن در برابر کشش ایجاد شده در ناحیه کششی نمونه بررسی می شود. این آزمایش بیشتر برای ارزیابی رفتار بتن در اعضایی که تحت خمش قرار دارند کاربرد دارد و نتیجه آن با مقاومت کششی مستقیم یا غیر مستقیم بتن یکسان نیست.

آزمایش کشش غیر مستقیم بتن چگونه انجام می شود؟

آزمایش کشش غیر مستقیم بتن یا آزمایش برزیلی یکی از روش های متداول برای تعیین مقاومت کششی بتن است. در این روش، برخلاف آزمایش کشش مستقیم، نیروی کششی مستقیما به نمونه وارد نمی شود؛ بلکه نمونه استوانه ای تحت نیروی فشاری قرار می گیرد. نحوه اعمال بار باعث ایجاد تنش کششی در راستای قطر نمونه می شود و با افزایش بار، ترک اصلی معمولا در امتداد قطر بارگذاری شده شکل می گیرد.

شکل و ابعاد نمونه آزمایش

نمونه مورد استفاده در آزمایش کشش غیر مستقیم معمولا استوانه ای است. یکی از ابعاد رایج نمونه، قطر 150 میلی متر و طول 300 میلی متر است، اما ابعاد نمونه، روش آماده سازی و شرایط عمل آوری باید بر اساس استاندارد مورد استفاده تعیین شود.

پیش از آزمایش، نمونه از نظر ترک، آسیب یا نقص ظاهری بررسی می شود و قطر و طول آن اندازه گیری می شود. سپس نمونه به صورت افقی روی دستگاه قرار می گیرد تا نیروی فشاری در امتداد قطر آن اعمال شود.

تجهیزات مورد نیاز

برای انجام آزمایش برزیلی بتن به دستگاه اعمال بار مناسب، نمونه استوانه ای بتن و تجهیزات لازم برای انتقال یکنواخت بار در محل تماس با نمونه نیاز است. استفاده از نوار یا پد بارگذاری در محل تماس نمونه با صفحات دستگاه، به توزیع مناسب تر نیرو و کاهش تمرکز موضعی تنش کمک می کند.

مراحل انجام آزمایش

1. آماده سازی نمونه: نمونه بتن پس از طی دوره عمل آوری مشخص، از نظر ابعاد و سلامت ظاهری بررسی می شود.

2. اندازه گیری نمونه: قطر و طول نمونه اندازه گیری و برای محاسبات ثبت می شود.

3. قرار دادن نمونه: استوانه به صورت افقی بین صفحات دستگاه قرار می گیرد و محل اعمال بار به گونه ای تنظیم می شود که بار در امتداد قطر نمونه وارد شود.

4. اعمال بار: بار مطابق الزامات استاندارد مربوط به آزمایش، به صورت کنترل شده افزایش پیدا می کند.

5. ثبت بار گسیختگی: بارگذاری تا ایجاد گسیختگی ادامه پیدا می کند و حداکثر بار ثبت شده در لحظه شکست، برای محاسبه مقاومت کششی غیر مستقیم بتن استفاده می شود.

6. بررسی شکست: در پایان، مسیر ترک و نحوه گسیختگی نمونه بررسی می شود. در یک شکست مناسب، ترک اصلی در امتداد قطر نمونه شکل می گیرد.

نتیجه آزمایش به شرایط نمونه، ابعاد آن، نحوه قرارگیری، کیفیت انتقال بار و شیوه انجام آزمایش وابسته است؛ بنابراین برای مقایسه نتایج، باید شرایط آزمایش و استاندارد مورد استفاده نیز گزارش شود.

در گزارش آزمایش بهتر است سن نمونه، ابعاد و نوع نمونه، حداکثر بار گسیختگی، شرایط عمل آوری، روش آزمایش و نحوه گسیختگی نمونه ثبت شود.

فرمول محاسبه مقاومت کششی بتن در آزمایش برزیلی

در آزمایش کشش غیر مستقیم یا برزیلی، مقاومت کششی غیر مستقیم بتن از روی حداکثر بار وارد شده به نمونه استوانه ای و ابعاد آن محاسبه می شود. فرمول محاسبه مقاومت کششی غیر مستقیم بتن به صورت زیر است:

fct,sp = 2P / (πLD)

در این رابطه:

• fct,sp: مقاومت کششی غیر مستقیم بتن، بر حسب مگاپاسکال (MPa)

• P: حداکثر بار ثبت شده در زمان گسیختگی نمونه، بر حسب نیوتن (N)

• L: طول نمونه استوانه ای، بر حسب میلی متر (mm)

• D: قطر نمونه استوانه ای، بر حسب میلی متر (mm)

• π: عدد پی، تقریبا برابر با 3.14

برای به دست آوردن نتیجه صحیح، ابعاد نمونه و حداکثر بار شکست باید با دقت اندازه گیری و ثبت شوند. اگر طول و قطر نمونه بر حسب میلی متر و بار بر حسب نیوتن وارد فرمول شوند، نتیجه مقاومت کششی بر حسب N/mm² به دست می آید که از نظر عددی با MPa برابر است.

مثال محاسبه مقاومت کششی بتن

فرض کنیم یک نمونه استوانه ای بتن با مشخصات زیر در آزمایش کشش غیر مستقیم آزمایش شده است:

• قطر نمونه: 150 mm

• طول نمونه: 300 mm

• حداکثر بار هنگام گسیختگی: 100000 N

اکنون مقادیر را در فرمول قرار می دهیم:

fct,sp = (2 × 100000) / (3.14 × 300 × 150)

بنابراین:

fct,sp ≈ 1.41 MPa

در نتیجه، مقاومت کششی غیر مستقیم این نمونه حدود 1.41 مگاپاسکال است.

توجه داشته باشید که این مقدار، نتیجه آزمایش کشش غیر مستقیم است. مقاومت به دست آمده از آزمایش کشش مستقیم یا آزمایش کشش خمشی با این مقدار یکسان نیست و برای هر روش باید رابطه و استاندارد مربوط به همان آزمایش در نظر گرفته شود.

عوامل موثر بر مقاومت کششی بتن

مقدار مقاومت کششی بتن به مجموعه ای از عوامل مربوط به طرح اختلاط، کیفیت مصالح، شرایط ساخت و عمل آوری بستگی دارد. به همین دلیل، دو بتن با مقاومت فشاری مشابه می توانند مقاومت کششی متفاوتی داشته باشند. مهم ترین عوامل موثر بر مقاومت کششی بتن عبارتند از:

• نسبت آب به سیمان: افزایش نسبت آب به سیمان معمولا تخلخل خمیر سیمان را بیشتر کرده و پیوستگی ساختار بتن را کاهش می دهد. در مقابل، کاهش مناسب این نسبت می تواند با ایجاد ساختار متراکم تر، مقاومت بتن در برابر کشش را بهبود دهد.

• کیفیت سنگدانه ها: اندازه، دانه بندی، شکل و بافت سطحی سنگدانه ها بر چسبندگی آنها با خمیر سیمان و نحوه انتقال تنش در بتن تاثیر می گذارد. سنگدانه های مناسب می توانند به بهبود عملکرد بتن در برابر ترک و گسیختگی کمک کنند.

• ناحیه انتقالی خمیر سیمان و سنگدانه: ناحیه انتقالی یا ITZ یکی از بخش های حساس ساختار بتن است. وجود تخلخل و ریزترک در این ناحیه می تواند مسیر مناسبی برای گسترش ترک ایجاد کند و بر مقاومت کششی بتن تاثیر بگذارد.

• عمل آوری: عمل آوری مناسب، هیدراتاسیون سیمان را بهبود می دهد و به تشکیل ساختاری متراکم تر در بتن کمک می کند. از طرف دیگر، خشک شدن زودهنگام یا عمل آوری نامناسب می تواند احتمال ایجاد ترک و کاهش مقاومت را افزایش دهد.

• سن بتن: مقاومت بتن با ادامه فرایند هیدراتاسیون سیمان معمولا در طول زمان افزایش پیدا می کند. بنابراین سن نمونه هنگام انجام آزمایش مقاومت کششی بتن باید در گزارش نتایج ثبت شود.

• نوع و مقدار افزودنی ها و مواد مکمل سیمانی: برخی مواد مانند افزودنی های کاهنده آب، میکروسیلیس و سایر مواد مکمل سیمانی، در صورت استفاده صحیح، می توانند با کاهش تخلخل و بهبود ساختار خمیر سیمان و ناحیه انتقالی، بر مقاومت کششی بتن تاثیر بگذارند. میزان و نحوه مصرف این مواد باید متناسب با طرح اختلاط و شرایط پروژه تعیین شود.

در نتیجه، برای تفسیر درست نتیجه آزمایش مقاومت کششی، نباید فقط عدد نهایی را در نظر گرفت؛ بلکه طرح اختلاط، کیفیت مصالح، سن و شرایط عمل آوری نمونه و روش انجام آزمایش نیز باید بررسی شوند.

یکی از راهکارهای افزایش عملکرد مکانیکی بتن، بهینه سازی طرح اختلاط و استفاده از افزودنی های مناسب است. در بتن های با مقاومت بالا، استفاده از ژل میکروسیلیس می تواند با کاهش نفوذپذیری، افزایش تراکم ساختار بتن و بهبود مقاومت، عملکرد بتن را ارتقا دهد. برای بررسی دقیق تر این موضوع، می توانید راهنمای بتن پرمقاومت HSC با ژل میکروسیلیس را مطالعه کنید.

تفاوت مقاومت کششی، فشاری و خمشی بتن

مقاومت فشاری، مقاومت کششی و مقاومت خمشی سه شاخص مهم برای ارزیابی عملکرد بتن هستند، اما هر کدام رفتار متفاوتی از بتن را در برابر بارگذاری نشان می دهند. شناخت تفاوت این سه ویژگی اهمیت زیادی دارد، زیرا نتیجه هر آزمایش را نمی توان به جای نتیجه آزمایش دیگر استفاده کرد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تفاوت اصلی این سه مقاومت چیست؟

بتن معمولا در برابر فشار بسیار مقاوم تر از کشش است. به همین دلیل، در اعضای بتنی تحت خمش، ناحیه کششی عضو معمولا زودتر از ناحیه فشاری آسیب می بیند. مقاومت خمشی نیز به هندسه نمونه، نحوه اعمال بار، ابعاد مقطع و شرایط آزمایش وابسته است و به همین دلیل نمی توان مقدار آن را مستقیما برابر با مقاومت کششی بتن در نظر گرفت.

از طرف دیگر، مقدار مقاومت کششی به روش آزمایش نیز وابسته است. برای مثال، مقاومت به دست آمده از آزمایش کشش غیر مستقیم یا برزیلی، با مقاومت کششی مستقیم یکسان نیست. بنابراین هنگام گزارش یا مقایسه نتایج، باید نوع مقاومت، روش آزمایش و شرایط نمونه مشخص باشد.

در طراحی و ارزیابی سازه های بتنی، مقاومت فشاری معمولا یکی از پارامترهای اصلی کنترل کیفیت بتن است، اما برای بررسی ترک خوردگی، رفتار اعضای تحت کشش و خمش و برخی محاسبات طراحی، شناخت مقاومت کششی و خمشی نیز اهمیت دارد.

استانداردهای آزمایش مقاومت کششی بتن

برای به دست آوردن نتیجه قابل اعتماد از آزمایش مقاومت کششی بتن، باید روش آزمایش، نوع نمونه، نحوه بارگذاری و شرایط آزمایش بر اساس استاندارد مشخصی انجام شود. مهم ترین استانداردهای مرتبط با روش های مطرح شده در این مقاله عبارتند از:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

استاندارد EN 12390-6:2023 روش تعیین مقاومت کششی شکافتی بتن سخت شده را مشخص می کند و نمونه مرجع در آن، نمونه استوانه ای قالب گیری شده است. این استاندارد همچنین شرایط استفاده از مغزه های بتنی و نمونه های مکعبی یا منشوری را نیز پوشش می دهد.

استانداردASTM C496/C496M  استاندارد مربوط به مقاومت کششی شکافتی بتن. با توجه به تغییر وضعیت نسخه های ASTM، هنگام اجرای آزمایش باید آخرین ویرایش قابل استفاده و الزامات پروژه یا مشخصات فنی بررسی شود.

برای آزمایش مقاومت خمشی بتن نیز استاندارد ASTM C78/C78M روش آزمایش تیر ساده با بارگذاری در یک سوم دهانه را مشخص می کند. نتیجه این آزمایش به صورت مدول گسیختگی یا Modulus of Rupture گزارش می شود و شرایطی مانند ابعاد و آماده سازی نمونه، عمل آوری و وضعیت رطوبتی می توانند بر نتیجه اثر بگذارند.

بنابراین هنگام گزارش نتیجه آزمایش، بهتر است فقط مقدار مقاومت کششی بتن ذکر نشود؛ بلکه استاندارد مورد استفاده، نوع نمونه، ابعاد نمونه، سن بتن و روش آزمایش نیز ثبت شود. این اطلاعات برای تفسیر و مقایسه صحیح نتایج اهمیت دارند.

سوالات متداول

مقاومت کششی بتن چند مگاپاسکال است؟

مقدار مقاومت کششی بتن عدد ثابتی نیست و به مقاومت بتن، سن نمونه، طرح اختلاط و روش آزمایش بستگی دارد. بنابراین برای بیان مقدار دقیق باید روش آزمایش و شرایط نمونه مشخص باشد.

مقاومت کششی بتن چگونه اندازه گیری می شود؟

برای اندازه گیری مقاومت کششی بتن می توان از آزمایش کشش مستقیم، کشش غیر مستقیم یا برزیلی و آزمایش کشش خمشی استفاده کرد. انتخاب روش به هدف آزمایش و استاندارد مورد استفاده بستگی دارد. در آزمایش برزیلی، نمونه استوانه ای تحت بار فشاری قرار می گیرد و مقاومت کششی غیر مستقیم از روی حداکثر بار گسیختگی محاسبه می شود.

فرمول مقاومت کششی بتن چیست؟

فرمول به روش آزمایش بستگی دارد. در آزمایش کشش غیر مستقیم بتن، مقاومت کششی با استفاده از حداکثر بار گسیختگی و ابعاد نمونه استوانه ای محاسبه می شود:

fct,sp = 2P / (πLD)

بنابراین نمی توان یک فرمول واحد را برای تمام روش های تعیین مقاومت کششی بتن به کار برد.

آیا مقاومت کششی بتن با مقاومت فشاری آن برابر است؟

خیر. بتن در برابر فشار بسیار مقاوم تر از کشش است. به همین دلیل مقاومت کششی بتن معمولا مقدار بسیار کمتری نسبت به مقاومت فشاری آن دارد. با این حال، نمی توان مقدار مقاومت کششی را بدون در نظر گرفتن نوع بتن، سن، روش آزمایش و شرایط نمونه فقط از روی مقاومت فشاری تعیین کرد.

چه عواملی بر مقاومت کششی بتن تاثیر می گذارند؟

نسبت آب به سیمان، کیفیت و نوع سنگدانه، کیفیت ناحیه انتقالی بین خمیر سیمان و سنگدانه، عمل آوری، سن بتن، طرح اختلاط و نوع و مقدار برخی افزودنی ها و مواد مکمل سیمانی می توانند بر مقاومت کششی بتن تاثیر بگذارند.

تفاوت مقاومت کششی مستقیم و غیر مستقیم بتن چیست؟

در آزمایش کشش مستقیم، نیروی کششی مستقیما به نمونه وارد می شود، در حالی که در آزمایش کشش غیر مستقیم یا برزیلی، با اعمال نیروی فشاری قطری، تنش کششی در نمونه ایجاد می شود. به دلیل تفاوت روش بارگذاری و شرایط گسیختگی، نتایج این دو آزمایش لزوما یکسان نیستند.

آیا مقاومت خمشی همان مقاومت کششی بتن است؟

خیر. مقاومت خمشی و مقاومت کششی به هم مرتبط هستند، اما یک ویژگی یکسان محسوب نمی شوند. مقاومت خمشی از آزمایش خمش یک نمونه و بر اساس شرایط بارگذاری و هندسه آن تعیین می شود، در حالی که مقاومت کششی می تواند با روش مستقیم یا غیر مستقیم اندازه گیری شود.
در طراحی بتن، انتخاب صحیح مواد اولیه و افزودنی های بتن می تواند تاثیر قابل توجهی بر مقاومت و دوام نهایی داشته باشد. یکی از افزودنی های پرکاربرد برای بهبود تراکم و کاهش نفوذپذیری بتن، ژل میکروسیلیس است که در طرح های اختلاط مختلف با توجه به نوع پروژه و مقاومت مورد نیاز استفاده می شود.