تست کرگیری در بتن

تست کرگیری در بتن یکی از روش های مستقیم برای بررسی مقاومت فشاری بتن است و به عنوان یکی از دقیق ترین و مهم ترین انواع آزمایش های درجای بتن از اهمیت خاصی برخوردار است. استاندارد ها و دستورالعمل های بسیاری برای انجام این گونه تست ها موجود است، از جمله استاندارد (EN 12504-1, 2000; EN 13791, 2007) در اروپا و استاندارد (ACI 214.4R, 2003; ASTM C42, 2012) در کشور امریکا. خلاصه مراحلی که برای انجام کرگیری از بتن انجام می شود شامل: برنامه ریزی ، حفر و تهیه مغزه ، آزمایش مغزه و تفسیر نتایج مقاومت مغزه است.
عمل کرگیری بوسیله ابزار چرخنده برش با یک مته الماس انجام می شود. معمولاً سطوح انتهای مغزه ناصاف بوده و بر محور آن عمود نیستند لذا ابتدا در آب خیسانده و سپس کلاهک گذاری می شوند و در حالت مرطوب مورد آزمایش قرار می گیرند.

برنامه ریزی: تعداد و محل کرگیری

برنامه ریزی یک آزمایش شامل تأیید تعداد مغزه ها و انتخاب محل تهیه مغزه ها در سازه می باشد. به منظور انتخاب تعداد مناسب از مغزه ها نیاز است تا دو مورد را مد نظر قرارداد: اندازه محل مورد بررسی و این که میزان عدم اطمینان قابل قبول همراه با مقاومت محاسبه شده تا چه اندازه است.
استاندارد (EN 12504-1, 2000)بر تعداد مغزه ها تمرکز نمی کند و بیشتر بر پروسه تهیه مغزه ها، آزمایش و بررسی مغزه ها تحت فشار تمرکز می کند. استاندارد (EN 12504-1, 2000)به تعداد ۱۵ عدد مغزه با قطر اسمی ۱۰۰ میلی متر برای بررسی مقاومت نیاز دارد. با این حال، هنگامی که از یک روش جایگزین استفاده شود، این استاندارد قابل استفاده با تعداد ۳ تا ۱۴ عدد مغزه است. باید توجه داشت که به دلیل تعداد کمتر مغزه ها میزان قابل اعتماد بودن روش جایگزین از روش اصلی کمتر است. برای هر ناحیه مورد آزمایش، هنگامی که از مغزه های با سایز ۵۰ میلی متر استفاده می شود، باید تعداد مغزه ها سه برابر شود. برای دستیابی به مقدار مشخصی از دقت، نیاز به تعداد مغزه های بیشتری در نمونه بتنی با ناهمگونی بیشتر است. در حالی که تعداد بیشتر مغزه ها منجر به بررسی دقیق تر می شود، هزینه و اثر تخریبی کرگیری بیشتر باعث می شود که کرگیری با تعداد بسیار زیاد مطلوب نباشد.
انتخاب محل های مغزه گیری وابسته به هدف از بررسی مقاومت در آن محل است. به عنوان نمونه اگر هدف از بررسی ظرفیت بار قابل تحمل یک سازه باشد، محل های نمونه گیری بیشتر در نقاط تحت تنش سازه انجام می شود. در حالی که اگر هدف، بررسی یک محل آسیب دیده باشد، نقاط مغزه گیری در ناحیه های انتخاب می‌شوند که نتایج قابل مقایسه با ناحیه بدون آسیب باشد. به صورت کلی بخش هایی از سازه در برنامه بررسی باید به ناحیه های مورد آزمایش تقسیم شوند و در هر ناحیه نقاط مغزه گیری به صورت تصادفی انتخاب گردند.
در انتخاب محل مغزه گیری عوامل دیگری را نیز باید در نظر گرفت که به دلیل تأثیر آنها در میزان مقاومت فشاری محاسبه شده این عوامل عبارتند از: جهت مغزه گیری نسبت به سازه بتنی زیرا در مغزه گیری افقی مقاومت به دست آمده کمتر خواهد بود، بتن در بخش پایینی به صورت کلی از بتن در بخش بالایی مقاوم تر است و این که محل هایی که با فولاد تقویت شده اند نباید برای مغزه گیری انتخاب شود. همچنین نیاز است که از مغزه گیری در نزدیکی کنج ها و اتصالات یک سازه خودداری شود.

نحوه تست کرگیری در بتن

پیش از تهیه مغزه نیاز است که ابعاد مغزه از نظر قطر و طول بسته به نسبت طول به قطر انتخاب شود. انتخاب قطر مغزه وابسته به فاکتورهای گوناگون است. نسبت قطر مغزه به حداکثر مساحت توده از مهمترین فاکتور هاست و با افزایش قطر به مساحت میزان عدم اطمینان کاهش می یابد. استاندارد (EN 12504-1, 2000) توصیه می کند که نسبت قطر به حداکثر مساحت نمونه برابر یا بیشتر از ۳ باشد در حالی که در استاندارد (ASTM C42, 2012) مقدار ۲ یا بیشتر پیشنهاد شده است. اندازه های بخش مورد بررسی در انتخاب سایز مغزه باید به نحوی در نظر گرفته شود که در سازه هایی که با فولاد تقویت شده اند مغزه های با سایز کوچک تر تهیه شوند. در بسیاری از کشورها حداقل اندازه مغزه ۱۰۰ میلی متر استفاده می شود در حالی که اندازه ۱۵۰ میلیمتر ترجیح داده می شود. طول مغزه وابسته به نسبت طول به قطر است و نسبت طول مغزه به قطر آن باید عددی بین ۱ تا ۲ باشد.

برای انجام تست کرگیری (مغزه گیری)، نیاز به تجهیزات خاص است که در عکس زیر نمونه دستگاه موجود آن در آزمایشگاه سازه ملاحظه می گردد. این دستگاه با نام تجاری Hilti-DD 150 core می باشد و از سه قسمت اصلی پایه، سرمته و الکتروموتور تشکیل شده است. پایه آن توانایی نصب روی هر سطح صافی را دارد و با یک رول بولت دستگاه، محکم در محل نصب می گردد تا از جابه جایی دستگاه در هنگام مغزه گیری جلوگیری کند. سرمته های آن نیز به صورت استوانه خالی با طول حدود ۶۰ سانتی متر و قطر ۱ تا ۶ اینچ موجود می باشند. به علت الماسه بودن سر مته، مغزه گیری از بتن بسیار سخت، به همراه فولاد امکان پذیر می باشد.

دستگاه کرگیری با متعلقات

دستگاهی که آزمایش به وسیله آن انجام می شود، با سرعت زیاد می چرخد و برای خنک کردن آن، حین کار از آب استفاده می شود. سرعت آب مورد نیاز، بسته به نوع دستگاه، متفاوت و به طور متوسط، سه لیتر در ثانیه می باشد. درصورتی که بتن سخت شده، دارای خلل و فرج باشد مته به خوبی عمل حفاری را انجام نمی دهد و نمونه، کامل به دست نمی آید. پس از نمونه برداری، دو سطح به صورت مناسب، بریده و صاف می شوند. پس از وزن کردن و اندازه گیری ابعاد استوانه ای استاندارد و مغزه ها، نمونه ها کلاهک گذاری می شوند. نمونه های استوانه ای فقط از یک طرف کپینگ می شوند، ولی مغزه ها از دو انتها کپینگ می شوند. طبق استاندارد ACI ضخامت لایه کپینگ باید در کمترین مقدار ممکن باشد ( در حدود ۲ میلیمتر ): ولی متأسفانه به دلیل وجود مقداری زیادی ناخالصی ماسه در پودر کپینگ، این ضخامت، گاهی به پنج میلی متر می رسد که ممکن است در نتایج آزمایش ها تأثیرگذار باشد. نمونه ها پس از خشک شدن در هوای آزاد، مطابق استاندارد ۹۰-ASTM C42 شکسته می شوند.

جهت کرگیری

مقاومت نمونه هایی که به طور عمودی مته می شوند (در امتداد لایه های بتن ریزی) به خاطر آثار لایه ای، بیشتر از مقاومت مغزه هایی است که به طور افقی، مته می شوند اطلاعات منتشر شده دراین مورد، متفاوت است؛ اما متوسط اختلاف (حدود ۸ درصد) در اکثر موارد، اعلام شده است. با اینکه نمونه های استوانه ای استاندارد، به صورت عمودی آزمایش می شوند، نمونه های مکعبی معمولاً در صفحه ای عمود بر جهت بتن ریزی، تحت آزمایش قرار می گیرند. بدین ترتیب، تطابق بیشتری با مغزه هایی دارند که به صورت افقی، مته شده اند.
آنالیز تغییرات توسط محققین نشان داده است که تغییر پذیری نتایج آزمایشات، برای آزمایش مغزه ها یا نمونه های قالب گیری شده، به طور کلی با کاهش اندازه قطر مغزه یا نمونه قالب گیری شده افزایش می یابد.

 

نحوه انجام آزمایش کرگیری

اندازه مغزه ها

مغزه های گرفته شده باید دارای نسبت ارتفاع به قطر مساوی ۲ باشند اما وقتی که نمونه های آزمایشی استاندارد مکعبی باشد، آنگاه نسبت ارتفاع به قطر مساوی ۱، نتایج بسیار مناسبی را ارائه می دهند. همچنین نسبت ارتفاع به قطر نباید کمتر از یک باشد و ضخامت کلاهک نباید بیشتر از ۱۰ میلی متر باشد. طبق استاندارد ملی ایران (ICS: 91.100.30) مغزه هايي كه براي تعيين ضخامت رويه هاي بتني، دال ها، ديوارها و المان هاي سازه اي ديگر استفاده مي شوند بايد داراي حداقل قطر ۹۵ ميلي متر بوده و براي مغزه هايي كه ملزم به تعيين ابعاد ساختماني نباشند مي توان طولاني ترين وكوتاه ترين طول نمونه را از سطح برش يافته در راستاي محور موازي با محور طولي مغزه اندازه گيري كرد.
استاندارد( BS1881 (1983در انگلستان و ASTMC42-9 در ایالات متحده آمریکا، حداقل قطر مغزه ها را ۱۰۰ میلی متر در نظر می گیرند به این شرط که قطر مغزه حداقل ۳ برابر قطر حداکثر سنگدانه باشد. البته برخی از محققین قطر ۵۰ میلی متر را نیز مجاز دانسته اند. نتایج آزمایشگاهی نشان داده است که اختلاف این مغزه ها به قطر ۱۰۰ میلی متر بین ۳ تا ۶ درصد است.

کاربرد نمونه مغزه ی بتنی

تعیین مقاومت و چگالی
عمق کربناتِ شدن بتن
تحلیل شیمیایی
نفوذپذیری آب یا گاز
تحلیل سنگ نگاری
تست نفوذپذیری کلرید ASHTO

استفاده ی منطقی از تست های مختلف غیر مخرب بتن و همچنین ترکیب بیش از یک تست، از منظر اعتبار نتایج بسیار جالب توجه است. تست کرگیری قابل اعتمادتر بوده اما در طی ترمیم یا بازسازی سازه های موجود، همواره امکان اجرای چندین تست مغزه وجود ندارد. علاوه بر این، مغزه گیری پرهزینه است.

بنابراین، مهندسان باتجربه در ابتدا از تست چکش ارتجاعی بهره میبرند که مشخص کننده نواحی قوی تر و ضعیف تر خواهد بود. نواحی مشکوک تر با تست التراسونیک مورد ارزیابی قرار می گیرند. تست مغزه گیری در شرایطی اجباری می شود که حتی تست های التراسونیک نیز بر بتن ضعیف دلالت دارند؛ بنابراین، یک مهندس باید از قضاوت و حس شخصی خود برای اجرای ترکیبی تست ها استفاده کند و پیش از تعیین طرحهای پیشنهادی مقاومسازی، به قضاوت بپردازد.

تفسیر نتایج مقاومت مغزه

مقاومت فشاری به دست آمده از آزمایش های مغزه گیری با مقاومت مقطع مورد نظر در سازه و در جایی که مغزه استخراج شده است، متفاوت است. این تفاوت دلایل گوناگونی دارد از جمله: شرایط رطوبتی مغزه، میزان حفره های اضافی در نمونه مغزه، نسبت طول به قطر، جهت حفره مغزه نسبت به سطح بتنی، وجود تقویت کننده ها و تأثیرات حفاری. بنابراین فاکتور های اصلاحی مناسب برای به دست آوردن مقاومت در محل متناسب باید استفاده شوند. تحقیقات بسیار زیادی برای به دست آوردن ضریب های اصلاح انجام شده است. پرکاربرد ترین فرمول برای تبدیل مقاومت فشاری اندازه گیری شده از طریق مغزه (Fcs) به مقاومت معادل مکعب در محل توسط فرمول زیر است:

 

در این فرمول DD نماینده جهت حفاری است که مقداری برابر ۲.۵ برای مغزه هایی دارد که به صورت افقی تهیه شده اند و مقدار ۲.۳ برای مغزه هایی که به صورت عمودی تهیه شده است. Freinf ضریب اصلاح برای زمانی است که تقویت کننده ها در نمونه مغزه در جهت عمود بر محور مغزه وجود دارند. این مقدار برابر ۱ در هنگامی است که مغزه بدون تقویت کننده هاست در غیر این صورت از فرمول زیر استفاده می شود.

 

که در آن r∅ قطر نمونه، h فاصله محور بار از نزدیکترین انتهای مغزه است، D قطر و L طول مغزه است. لازم به ذکر است که در واقع به دست آوردن مقدار حقیقی مقاومت بتن در یک سازه امکان پذیر نیست و فرمول های ارائه شده در واقع تقریب هایی از مقاومت نمونه مغزه با استفاده از تعدادی از ضرایب تصحیح است.

بهبود دقت نتایج تست کرگیری در بتن

استفاده از یک روش از میان روش های مختلف مخرب و غیرمخرب مغزه گیری برای اندازه گیری مقاومت بتن دارای نقاط ضعف های متعددی است. در نتیجه به منظور بهبود نقاط ضعف روش کرگیری، پیشنهاد می شود که کرگیری در ترکیب با چکش برگشتی و یا سرعت پالس استفاده شود. این ایده بر این اساس است که تست های غیرمخرب مطابق با استانداردهای موجود به منظور پوشش بخشی از سازه که تحت بررسی است انجام شود. سپس، مغزه گیری انجام شده و تست های مقاومت فشاری از این مغزه ها در آزمایشگاه انجام شود. در نهایت با ترکیب نتایج این روش ها مقاومت فشاری بتن تخمین زده شود. این روش در مطالعات موردی بسیاری و همچنین در مقالات علمی مورد استفاده قرار گرفته است.
در مقاله های علمی مختلف بهبود نتایج با ترکیب روش های مغزه گیری با دیگر تست های غیر مخرب اشاره شده است، در حالی که در بعضی مطالعات بهبود چشمگیری با ترکیب این روش ها گزارش نشده است. همچنین اطلاعات کمی در مورد ترکیب از استانداردها در دسترس است. استاندارد بهینه برای انجام مطالعات ترکیبی عبارتند از استاندارد (EN 13791, 2007) در اروپا و استاندارد (ACI 228.1R, 2003) در امریکا.

تأثیر وجود آرماتور

کاهش در مقاومت اندازه گیری شده، ناشی از وجود آرماتورهای عرضی، کمتر از ۱۰ درصد است، اما تغییرات اندازه گیری، موقعیت و پیوستگی با بتن ، عملاً به حساب آوردن نقش آرماتورها را بسیار مشکل می کند. به همین دلیل بهتر است در صورت امکان، از حضور آن ها در مغزه جلوگیری نمود. چنانچه در هنگام اندازه گیری مقاومت مغزه، آرماتور نیز حضور داشته باشد، لازم است تصحیحات لازم برای رسیدن به مقاومت واقعی بتن، صورت پذیرد. وجود آرماتور به موازات محور مغزه، نامطلوب است و نمونه غیر قابل قبول تلقی می شود و برای یک مغزه با یک آرماتور عمود بر محور آن، ضریب تصحیحی در اندازه گیری مقاومت مغزه، اعمال می شود.

رابطه مقاومت فشاری بتن در آزمایش کرگیری

رابطه زیر ارتباط مقاومت فشاری بتن و مقاومت بدست آمده از نتایج آزمایش کرگیری را نشان می دهد:

 

 

که در آن fc ، مقاومت فشاری بتن بر حسب کیلوگرم بر سانتی متر مربع ، fcc، مقاومت فشاری مغزه برحسب کیلوگرم بر سانتی مربع و a, b ضرایب تجربی هستند. ضرایب تجربی a, b برای هر نوع بتن و شرایط عمل آوری متفاوت خواهد بود.