آزمایش Pull out در بتن

مقاومت چسبندگی در سازه‌های بتن‌آرمه از اهمیت زیادی برخوردار است. یکی از روش‌های بدست آوردن مقاومت چسبندگی، آزمایش بیرون کشیدگی یا Pull out می‌باشد. آزمایش Pull out اولین بار در سال ۱۹۳۴ مورد استفاده قرار گرفت. اما پیشرفت اصلی این روش در سال ۱۹۶۰ رخ داد و در سال ۱۹۷۰ توسط مالهوترا در آمریکای‌شمالی ابداع شد. این آزمایش بر مبنای اندازه‌گیری حداکثر نیروی لازم برای بیرون کشیدن یک پیچ فولادی مجهز به حلقه منبسط شونده می‌باشد. پیچ فولادی هنگام انجام آزمایش در داخل بتن کار گذاشته شده است. با اعمال یک نیروی کششی، پیچ تحت کشش قرار می‌گیرد. در نهایت گسیختگی با جدا‌شدن یک قطعه مخروط ناقص از سطح بتن اتفاق می‌افتد. در آزمایش Pull out زاویه گسیختگی حدود ۳۱ درجه است. از آنجایی که این زاویه حدوداً مساوی زاویه اصطکاک بتن (۳۷ درجه) است، می‌توان نتیجه گرفت که نیروی مورد نیاز برای بیرون کشیدن با مقاومت فشاری بتن نسبت مستقیم دارد.

مخروط جدا شده از بتن تحت آزمایش Pull out

نیروی بیرون کشیدگی توسط جک هیدرولیکی که بار کششی اعمال می‌کند، وارد می‌شود. گسیختگی شامل شکست و اغلب جدا شدن تکه‌ای از بتن که شکل مخروط ناقص است، می‌باشد.

نمای کلی آزمایش pull out

ویژگی های آزمایش Pull out بتن

یکی از ویژگی های این روش این است که منحنی کالیبراسیون مقاومت فشاری آن به خصوصیات مخلوط بتن نظیر نوع، اندازه سیمان و سنگدانه و نسبت های اختلاط حساس نمی‌باشد. بنابراین هنگام ارزیابی مقاومت بتن زمانی که ترکیبات آن نامعلوم باشد می‌تواند مفید واقع گردد.
به طور کلی دو روش برای آزمایش Pull out مرسوم است. یکی روش کنترل جابجایی (کنترل کرنش) و دیگری روش بر پایه کنترل بارگذاری (کنترل تنش) می‌باشد. روش کنترل بارگذاری برای اعمال بارهای سیکلی یا برای اعمال یک بار ثابت در کل طول تست جهت اندازه‌گیری خصوصیات خزشی استفاده می‌شود. روش کنترل جابجایی روشی است که در آن آزمایش با یک سرعت جابجایی ثابت انجام می‌گردد.

انواع روش های آزمایش pull out

 آزمایش lok test

دستگاه lok Test، شامل یک میله فولادی است که به یک صفحه فولادی دایره‌ای به قطر ۲۵ میلی‌متر و ضخامت ۵/۸ میلی‌متر متصل شده است. این دستگاه در عمق ۲۵ میلی‌متری زیر سطح بتن قرار می‌گیرد. کل مجموعه به روغن آغشته می‌شود تا از چسباندن و اصطکاک میان بتن و دستگاه جلوگیری شود.
میله معمولاً قبل از بتن‌ریزی به قالب متصل می‌شود. در زمان آزمایش، میله برداشته می‌‍شود و یک بولت فولادی به قطر ۵/۷ میلی متر با مقاومت کششی بالا، به دیسک فولادی پیچ می‌شود. سپس نیرو توسط یک جک هیدرولیکی با استفاده از حلقه تکیه گاهی هم‌مرکز با دیسک به قطر ۵۵ میلی‌متر وارد می شود. بارگذاری تا زمان گسیختگی یعنی بیرون کشیده شدن مخروط بتنی ادامه می‌یابد. حفره کوچک به وجود آمده توسط این روش ممکن است متعاقباً نیاز به تعمیر داشته باشد. نیروی کششی اعمال شده در حدود ۶۰-۱۰نیوتن می باشد. مراحل انجام آزمایش Pull outدر شکل‌های زیر آمده‌است:

 ایجاد حفره در آزمایش Pull out

 

نصب دیسک

 

اعمال نیروی کششی

محدودیت‌های آزمایش lok test

محدودیت این روش آن است که می‌بایستی قبل از انجام آزمایش، برنامه‌ریزی برای آن انجام گرفته باشد. بنابراین نمی‌توان در مورد سازه‌های ساخته شده، از این روش استفاده نمود. وسایل و تجهیزات این روش می‌توانند برای بتن‌های با مقاومت بالا نیز مورد استفاده قرار بگیرند. همچنین انجام آزمایشات در عمق بیشتر نیز مجاز می‌باشد. تحقیقات نشان داده که این روش قابل اعتمادترین روش برای انجام آزمایشات در محل برای سنین اولیه و با مقاومت استوانه ای کمتر از ۱۵ مگاپاسکال می‌باشد.

 ارتباط بین نیروی lok test و مقاومت فشاری بتن

به طور تجربی ثابت شده‌است که نیروی بیرون کشیدگی در آزمایش lok test با مقاومت فشاری بتن، رابطه خطی دارد. مطالعات به عمل آمده نشان می دهد که این رابطه مستقل از نسبت آب به سیمان ، نوع سیمان و شرایط عمل‌آوری می‌باشد و اثر سنگدانه نیز بر روی آن خیلی کم است.

 آزمایش Capo Test

Capo test روشی برای تخمین مقاومت بتن درجا می‌باشد که لایه های سطحی بتن را پوشش می‌دهد. این روش در واقع توسعه یافته آزمایش lok test است. آزمایش Capo test روشی شامل حفاری یک سوراخ در عمق بتن با یک مته الماس به قطر ۱۸ میلی‌متر است که با آب خنک می‌شود. سپس در عمق ۲۵ میلی‌متری یک شکاف به قطر ۲۵ میلی متر توسط یک دستگاه چرخشی ایجاد می‌شود. یک دیسک فولادی منبسط شونده در میان سوراخ در شکاف قرار داده می‌شود و توسط میله مخصوص منبسط می‌شود و سرانجام با فشار بر روی یک حلقه عکس العمل تکیه گاهی به قطر ۵۵ میلی‌متر که بر روی سطح بتن قرار داده شده، بیرون کشیده می‌شود. نیروی اعمال شده کاملاً عمود بر صفحه مهاری است.

پس از بهم پیوستن سیستم بارگذاری، بار باید با سرعت یکنواخت اعمال گردد. بارگذاری باید تا گسیختگی بتن ادامه یابد و مقدار نیروی لازم برای شکسته شدن و جدا شدن قطعه مخروطی قرائت شود. در نهایت توسط نمودارهای کالیبره مقاومت فشاری بتن ارزیابی شود. کل زمان انجام آزمایش حدود ۱۰ دقیقه است.

 

نحوه انجام آزمایش capo test

فاکتورهای مؤثر در آزمایش Pull out

– عمق فرورفتگی: با انجام آزمایش با یک زاویه رأس ثابت ۵۸ درجه و تغییرات عمق فرورفتگی بار نهایی بیرون کشیدگی افزایش می‌یابد.
– زاویه رأس: با انجام آزمایش برای عمق فرورفتگی ۲۵ میلی‌متر و تغییرات زاویه a از ۸۶-۳۰ درجه معلوم شد که با افزایش زاویه رأس نیروی بیرون کشیدگی کاهش می‌یابد.
– اندازه سنگدانه‌ها: در یک آزمایش Pull out اثر سنگدانه‌ها برای زاویه رأس ثابت ۷۰ درجه و سنگدانه‌ها با اندازه ۱۹-۶ میلی‌متر مشخص شد که برای عمق نفوذ ۲۵ میلی‌متر اختلاف چندانی در میانگین نیروی بیرون کشیدگی ندارد.

رابطه بین مقاومت فشاری بتن و نیروی بیرون کشیدگی

معمولاً منحنی کالیبره بین مقاومت فشاری بتن و نیروی بیرون کشیدگی، توسط کارخانه سازنده دستگاه ارئه می‌شود. این منحنی محدوده وسیعی از انواع بتن ها را در بر می‌گیرد و از دقت کافی برخوردار است، ولی به هرحال برای افزایش دقت در نتایج می‌توان رابطه همبستگی خاص را برای نوع بتن تحت آزمایش برقرار نمود.

آزمایش درون گسیختگی

یکی دیگر از انواع آزمایش بیرون کشیدگی آزمایش درون گسیختگی می‌باشد. نیروی بیرون کشیدگی می‌تواند به دو روش مستقیم و پیچشی اعمال گردد.
الف)آزمایش درون گسیختگی به روش پیچشی (BRE):

این آزمایش ابتدا در سال ۱۹۷۷ توسط چابوکسی و اسمیت در موسسه تحقیقات ساختمان برای سیمان پرآلومین مورد استفاده قرار گرفت و در سال ۱۹۸۰ توسط همین اشخاص، برای بتن با سیمان پرتلند بکار گرفته شد. مفهوم این آزمایش بر مبنای بیرون کشیدن یک پیچ مهاری گوه ای با حلقه منبسط شونده در دور آن است که در زمان آزمایش در بتن جایگذاری می‌شود.

نحوه انجام آزمایش درون گسیختگی بتن

روش انجام آزمایش بدین صورت است که با استفاده از یک دریل با مته به قطر اسمی ۶ میلی‌‍متر سوراخی به عمق ۳۰ تا ۳۵ میلی‌متر در بتن ایجاد می‌شود، سپس سوراخ ایجاد شده با فشار هوا کاملاً تمیز می‌گردد بعد پیچ مهاری گوه‌ای به همراه حلقه منبسط شونده دور آن با استفاده از چکش  به گونه‌ای که عمق فرورفتگی حلقه منبسط شونده در حدود ۲۰ میلی‌متر باشد، وارد حفره می‌شود. سپس با دستگاه اعمال نیروی تورکمتر که حلقه‌ای به قطر داخلی ۸۰ میلی‌متر است، در سطح بتن به گونه‌ای قرار می گیرد که مهره زیر این دستگاه در انتهای پیچ قرار گرفته در بتن پیچانده شود. عمل بیرون کشیدگی با اعمال یک نیروی چرخشی توسط اهرم دستگاه اعمال نیرو انجام می‌شود. نحوه اعمال نیرو به این صورت است که باید اهرم دستگاه به آرامی پیچانده شود تا گیج روی آن عدد ۱ نیوتن متر را نشان دهد سپس در هر ۱۰ ثانیه نصف دور اهرم چرخانده می‌شود و این کار آنقدر ادامه می‌یابد تا در نهایت گسیختگی با جدا شدن یک تکه مخروط ناقص از سطح بتن اتفاق بیافتد.

مراحل انجام آزمایش درون گسیختگی بتن

نمودار کالیبره‌ای برای تعیین مقاومت فشاری بتن بر مبنای نیروی بیرون کشیدگی در آزمایش درون گسیختگی با استفاده از دستگاه torque meter، توسط استاندارد انگلستان (BS 1881:Proft 207) بر مبنای مقاومت نمونه‌های مکعبی استاندارد استفاده شده‌است.

ب) آزمایش درون گسیختگی به روش بیرون کشیدگی

آزمایش درون گسیختگی به روش بیرون کشیدگی مستقیم: در آزمایش درون گسیختگی به روش پیچشی عمل بیرون کشیدن به همراه حلقه دور آن با اعمال نیروی پیچشی توسط دستگاه Torque meter انجام می‌شود. این امر باعث کاهش میزان بار گسیختگی و همچنین افزایش در نمودار پراکندگی شده و از سوی دیگر بدلیل عدم دقت بالا در تعیین مقدار نیروی بیرون کشیدگی توسط این دستگاه، لازم شد که آزمایش با دقت بیشتری انجام شود. لذا در این راستا از دستگاه دیگری که عمل بیرون کشیدن را بطور مستقیم انجام می‌دهد استفاده می‌شود.

برای تعیین مقاومت فشاری بتن بر مبنای نیروی بیرون کشیدگی در آزمایش درون گسیختگی بتن به روش مستقیم یک رابطه توانی برای بتن معمولی ارائه شده‌است.

البته این رابطه بر مبنای مقاومت مشخصه نمونه‌های مکعبی استاندارد می‌باشد و از آنجا که در این تحقیق از بتن با مقاومت مشخصه استوانه‌ای استاندارد استفاده شده‌است، باید روابط فوق را به روابطی بر مبنای مقاومت مشخصه نمونه استوانه‌ای استاندارد تبدیل نمود.

ارتباط بین مقدار آزمایش درون گسیختگی و مقاومت فشاری

داده‌های بدست آمده از آزمایشات نشان داده‌است که بین میزان پیچش یا بیرون کشیدگی و مقاومت فشاری می‌تواند رابطه ای وجود داشته باشد. مشخص شد که منحنی کالیبراسیون غیرخطی بوده و مستقل از نسبت آب به سیمان، وضعیت عمل‌آوری و نوع سیمان می‌باشد. اندازه و نوع دانه‌بندی بر روی نیروی بیرون کشیدگی با میزان پیچش مقداری تأثیر دارد اما این تأثیر نسبتاً کم است. همچنین گزارش شده‌است که چون تنها حجم کوچکی از بتن و تنها در نزدیکی سطح آن تحت تنش قرار می‌گیرد تغییر پذیری در آزمایشات بالا بوده‌است.

انواع مهار

نوع واکنش بین فولاد و بتن بستگی به نوع مهار دارد. دو نوع از پراستفاده‌ترین مهارها، مهار منبسط شونده و مهار چسبنده می‌باشد.

مهارهای منبسط شونده

 

مهار چسبی

مهار نشان داده‌ شده در قسمت a با چرخاندن مهره بوسیله آچار به سمت بیرون رانده شده که موجب انبساط حلقه و در نتیجه اصطکاک بین مهار و بتن می‌شود. ولی در مهار نشان داده شده در قسمت b انبساط مهار بوسیله چکش زدن صورت می‌گیرد. از آنجایی که مهار به شکل مخروطی و درپوش آن استوانه ایی می‌باشد، با ضربه زدن توسط چکش مهار انبساط پیدا می‌کند. مهارهای چسبی در پروژه های ساختمانی و تعمیراتی جدید کاربرد فراوانی دارند. مهارهای چسبی به وسیله یک چسبنده که از دو جزء رزین و سخت کننده تشکیل شده‌است. این مهارها بار را از طریق اتصال به بتن در امتداد ناحیه تمام اتصالی مهار انتقال می‌دهند.
مهارهای چسبی ۳ نوع حالت شکست را نمایش می‌دهند:
١- شکستگی فولاد مهار
۲- شکستگی مخروط بتن (معمولاً با بیرون کشیدن هسته چسبی بتن)
۳- بیرون کشیدن مهار چسبی
شکست فولاد مهار احتمالاً با طول مهارهای بلند رخ می‌دهد. شکست مخروط بتن بدون یک هسته چسبی فقط برای مهارهای بسیار سطحی مشاهده شده‌است.

انواع شکستگی مهارهای چسبی

یکی از پارامترایی که بر روی مقدار نیروی بیرون کشیدگی تأثیر می‌گذارد، نوع بتن می‌باشد. جهت بررسی این موضوع به مدل کردن آزمایش pull out بر روی بتن با مقاومت های فشاری مختلف پرداخته شده‌است.

آزمایش Break off

در آزمایش نیمه مخرب (Break-off (BO، مانومتر مکانیکی به موازات سطح تمام شده نمونه بتنی باری را به مغزه جزئی استوانه‌ای بتنی وارد کرده و باعث گسیختگی در قسمت کف نمونه مغزه می‌شود. کریستیانسن و همکاران نشان دادند که عواملی چون نسبت آب به سیمان، سن بتن، شرایط نگهداری و نوع سیمان می‌تواند بر نتایج آزمایش در ارزیابی مقاومت بتن مؤثر باشد. در آزمایش Break-offدقت ۲۰%± در محدوده اطمینان ۹۵%± مورد انتظار است. بنظر می‌رسد این آزمایش در مقایسه با سایر روش‌ها کمتر در دنیا مورد توجه قرار گرفته‌است. جوانسن مهمترین کاربرد این روش را تعیین مقاومت در محل بتن برای تشخیص زمان مناسب برای جداسازی قالب معرفی کرده‌است. همچنین به بررسی کاربرد این روش برای سنجش تغییرات مقاومت بتن در طول عمل آوری و شرایط آن پرداخته و در نهایت به این نتیجه دست یافت که این روش در نشان دادن تغییرات مقاومت بتن به مراتب مناسب تر از روش نمونه مکعبی می‌باشد. دو گزارش پیرامون کاربردهای روش دال یورگنسن منتشر ساخت.