تحلیل و بررسی شکست نمونههای بتن (Concrete Specimen Failure)
آزمایش مقاومت فشاری بتن (Compressive Strength Test) یکی از مهمترین آزمایشها در صنعت ساختمان است. نحوه شکستن نمونه بتن (معمولاً استوانهای یا مکعبی) زیر فشار دستگاه جک بتنشکن، اطلاعات بسیار ارزشمندی فراتر از صرفاً «عدد مقاومت» به ما میدهد. الگوی شکست نشان میدهد که آیا بتن به درستی اجرا شده، آیا دستگاه کالیبره است و یا اینکه آیا توزیع بار یکنواخت بوده است یا خیر.
۱. اهمیت الگوی شکست (Failure Pattern)
هنگامی که یک نمونه بتن تحت بار فشاری تکمحوره قرار میگیرد، تنشها در داخل آن توزیع میشوند. در حالت ایدهآل، ما انتظار داریم شکست ناشی از غلبه تنش بر مقاومت ذاتی مصالح باشد. اما عوامل متعددی مانند اصطکاک صفحات دستگاه، عدم تراز بودن سطح نمونه (کلاهکگذاری نامناسب) و یا مشکلات اختلاط، الگوی ترکها را تغییر میدهند.
رابطه کلی مقاومت فشاری (fcf_cfc) به صورت زیر است:
fc=PA f_c = \frac{P}{A} fc=AP
که در آن:
- PPP = حداکثر بار وارده هنگام شکست (نیوتن)
- AAA = سطح مقطع نمونه (میلیمتر مربع)
۲. انواع الگوهای شکست در نمونههای استوانهای (طبق استاندارد ASTM C39)
استاندارد ASTM C39 الگوهای شکست را به چند دسته اصلی تقسیم میکند. شناخت این الگوها برای تایید یا رد اعتبار آزمایش ضروری است.
نوع ۱: مخروطی و شکاف (Cone and Split) – بسیار مطلوب
- توضیح: شکست به صورت دو مخروط در بالا و پایین نمونه شکل میگیرد و ترکهای عمودی نیز مشاهده میشود.
- تفسیر: این الگو نشاندهنده این است که اصطکاک بین صفحات دستگاه و نمونه وجود داشته (که طبیعی است) اما توزیع بار نسبتاً یکنواخت بوده است. این یک شکست نرمال محسوب میشود.
نوع ۲: مخروطی و برشی (Cone and Shear) – مطلوب
- توضیح: یک مخروط در یک طرف نمونه تشکیل میشود و ترکهای قطری (برشی) در بدنه دیده میشود.
- تفسیر: معمولاً زمانی رخ میدهد که ارتفاع نمونه دقیقا دو برابر قطر باشد. این نیز یک الگوی شکست قابل قبول است.
نوع ۳: برشی ستونی (Shear) – مطلوب
- توضیح: ترکها به صورت موازی با محور طولی نمونه (عمودی) ایجاد میشوند و نمونه به صورت ستونی ترک میخورد.
- تفسیر: این حالت معمولاً در بتنهای با مقاومت بالا یا زمانی که اصطکاک بین صفحات دستگاه و نمونه حذف شده باشد (مثلاً استفاده از پدهای نامناسب) رخ میدهد.
نوع ۴: برشی (Shear) – نامطلوب (نیاز به بررسی)
- توضیح: شکست به صورت یک صفحه مورب (قطری) رخ میدهد که از گوشههای بالا یا پایین شروع نمیشود، بلکه در بدنه است.
- تفسیر: میتواند نشاندهنده عدم همگنی بتن یا تمرکز تنش در یک نقطه خاص باشد.
نوع ۵: شکست گوشهها (Corner Fracture) – نامطلوب
- توضیح: گوشههای بالا یا پایین نمونه خرد میشوند اما مرکز نمونه سالم میماند.
- تفسیر: این الگو قویاً نشاندهنده کپینگ (Capping) نامناسب است. سطح نمونه تخت نبوده یا مصالح کپینگ (مانند گوگرد) ضعیف یا حبابدار بودهاند. این آزمایش معمولاً باید تکرار شود.
نوع ۶: ترکهای ستونی نوکتیز (Pointed Columnar) – نامطلوب
- توضیح: ترکها از نوک به پایین منتشر میشوند و نشاندهنده تمرکز شدید تنش در مرکز است.
- تفسیر: معمولاً به دلیل محدب بودن سطح بارگذاری یا نقص در صفحات فولادی دستگاه پرس رخ میدهد.
۳. عوامل موثر بر نحوه شکست
چرا نمونههای بتن گاهی زودتر میشکنند یا الگوی عجیبی دارند؟
- نسبت آب به سیمان (w/cw/cw/c): افزایش آب باعث ایجاد تخلخل بیشتر و کاهش مقاومت میشود. شکست در بتنهای پرآب معمولاً خردشدگی بیشتری دارد.
- دانه بندی سنگدانهها: اگر سنگدانهها ضعیف باشند (سنگدانههای آهکی نرم)، ترک از وسط سنگدانه عبور میکند. اگر سنگدانهها قوی باشند (گرانیت)، ترک از ناحیه خمیری (سیمان) و دور سنگدانه عبور میکند که به آن ناحیه انتقال بینفازی (ITZ) میگویند.
- سرعت بارگذاری: طبق استاندارد، سرعت بارگذاری باید ثابت باشد (مثلاً 0.25±0.05 MPa/s0.25 \pm 0.05 \text{ MPa/s}0.25±0.05 MPa/s). بارگذاری ناگهانی باعث نشان دادن مقاومت کاذب (بالاتر از واقعیت) و شکست انفجاری میشود.
- رطوبت نمونه: نمونه خشک معمولاً مقاومت بالاتری نسبت به نمونه اشباع نشان میدهد، اما شکنندگی آن بیشتر است.
- خروج از مرکزیت (Eccentricity): اگر مرکز نمونه دقیقاً زیر جک قرار نگیرد، لنگر خمشی ایجاد شده و یک سمت نمونه زودتر تحت فشار خرد میشود.
σmax=PA+M⋅cI \sigma_{max} = \frac{P}{A} + \frac{M \cdot c}{I} σmax=AP+IM⋅c
در فرمول بالا، اگر خروج از مرکزیت وجود داشته باشد، ممان MMM ایجاد شده و تنش ماکزیمم (σmax\sigma_{max}σmax) در یک لبه بسیار بیشتر از تنش میانگین خواهد بود.
۴. مکانیزم میکروسکوپی شکست
شکست بتن یک پدیده ناگهانی نیست، بلکه حاصل رشد ترکهای ریز (Microcracks) است:
- مرحله اول (۰ تا ۳۰٪ بار نهایی): ترکهای ریز در ناحیه انتقال (فصل مشترک سنگدانه و خمیر سیمان) وجود دارند اما رشد نمیکنند. رفتار بتن الاستیک خطی است.
- مرحله دوم (۳۰٪ تا ۵۰٪ بار نهایی): ترکهای ناحیه انتقال شروع به رشد و گسترش میکنند.
- مرحله سوم (۵۰٪ تا ۷۵٪ بار نهایی): ترکها وارد ماتریس خمیر سیمان میشوند. رفتار بتن غیرخطی میشود.
- مرحله چهارم (۷۵٪ تا ۱۰۰٪ بار نهایی): ترکها به هم میپیوندند، شبکهای از ترکهای بزرگ ایجاد میشود و در نهایت شکست ماکروسکوپی رخ میدهد.
۵. نکات کلیدی برای مهندسین ناظر و آزمایشگاه
- بررسی سطح شکست: همیشه بعد از آزمایش، داخل نمونه شکسته شده را نگاه کنید. آیا سنگدانهها شکستهاند یا قلوهکن شدهاند؟ (اولی نشانه سیمان قوی، دومی نشانه سیمان ضعیف یا سنگدانه کثیف است).
- توزیع سنگدانه: آیا سنگدانههای درشت ته نشین شدهاند؟ (نشانه جداشدگی یا Segregation در بتن تازه).
- حفرههای هوا: وجود حبابهای بزرگ هوا نشاندهنده ویبره نامناسب یا عدم تراکم کافی است.
- کپینگ (Capping): برای نمونههای استوانهای، استفاده از ملات گوگرد یا پدهای نئوپرن الزامی است تا سطح تماس کاملاً صاف باشد.
دیدگاهتان را بنویسید