روش های آزمایش برای تعیین ویژگی های خمشی و کششی بتن حاوی الیاف فولادی
مقدمه
استفاده از الیاف فولادی در مقادیر کمتر از 80 کیلوگرم بر متر مکعب تأثیری بر ویژگی‌های بتن پیش از وقوع ترک‌خوردگی نمی‌گذارد. بحث پیرامون بتن‌های الیافی با مقدار الیاف بیش از 80 کیلوگرم بر متر مکعب خارج از حوصله این کتاب می‌باشد. برای تخمین ویژگی‌های بتن حاوی الیاف فولادی ترک نخورده می‌توان مانند بتن فاقد الیاف عمل نمود. مقاومت کششی محوری و مقاومت خمشی بتن حاوی الیاف فولادی همانند بتن فاقد الیاف تعیین می‌شود. آزمایش‌های خاص بتن حاوی الیاف فولادی مربوط به تعیین شکل‌پذیری بتن می‌باشد که عبارتند از:
- آزمایش‌های تیر بتنی برای تعیین مقاومت خمشی باقیمانده و در برخی موارد برای تعیین طاقت
- آزمایش‌های دال بتنی برای تعیین طاقت بر حسب ظرفیت جذب انرژی
نتایج این دو گروه آزمایش بطور مستقیم بر حسب شکل‌پذیری تعیین شده قابل مقایسه نمی‌باشد. در هنگام طراحی باید دقت شود که از مشخص کردن الزامات دشواری که مستقیماً با طراحی مورد نظر ارتباطی ندارد اجتناب گردد. معمولاً در مواردی که مشخصات بتن در مدل طراحی سازه‌ای بکار می‌رود، تعیین مقاومت باقیمانده ضروری می‌باشد. این در حالی است که تعیین جذب انرژی در مواردی مانند استفاده از راک بولت به همراه شاتکریت که انرژی باید هنگام تغییر شکل در شرایط بهره‌برداری جذب شود، ضرورت بیشتری دارد. آزمایش‌های دال بتنی نیز اغلب برای مدل کردن واقع‌بینانه خمش دومحوری که در مواردی مانند سرشمع‌ها و یا نگهداری و مهار سنگ‌ها رخ می‌دهد، مورد توجه قرار می‌گیرد
در این فصل ابتدا به صورت خلاصه به نحوه تعیین مقاومت کششی محوری و خمشی بتن حاوی الیاف فولادی پرداخته شده است. سپس آزمایش‌های تیر بتنی برای تعیین مقاومت خمشی باقیمانده و آزمایش‌های دال بتنی برای تعیین طاقت مورد بحث قرار گرفته است. در واقع در این فصل تلاش شده است تا خلاصه‌ای از روش‌های آزمایش متداول در خصوص بتن‌های حاوی الیاف فولادی و مبانی محاسباتی آنها ارائه شود. بدیهی است به منظور آشنایی بیشتر با جزئیات این آزمایش‌ها می‌بایست به استانداردهای مربوطه که در متن مورد اشاره قرار گرفته است، مراجعه گردد.
مقاومت کششی محوری بتن حاوی الیاف فولادی
مقاومت کششی طراحی بتن حاوی الیاف فولادی همانند بتن فاقد الیاف می‌باشد. مقاومت کششی حقیقی بتن را می‌توان با استفاده از آزمایش‌های کشش مستقیم یا غیر مستقیم (دو نیمه شدن) تعیین نمود. آیین‌نامه Eurocode 2 مقاومت کششی بتن را تعریف می‌کند
مقاومت خمشی بتن حاوی الیاف فولادی
مقاومت خمشی بتن حاوی الیاف فولادی همانند بتن فاقد الیاف می‌باشد. مقاومت خمشی از بار گسیختگی در آزمایش‌های تیر استاندارد محاسبه می‌شود، با این فرض که توزیع تنش در عمق مقطع خطی می‌باشد. این فرض تا زمان وقوع اولین ترک منطقی می‌باشد، اما در بار حداکثر که متناظر مقاومت خمشی بتن است، خطی بودن توزیع تنش منطقی به نظر نمی‌رسد. آیین‌نامه Eurocode 2 مقاومت خمشی بتن را بر حسب مقاومت کششی بصورت مبسوط تعریف می‌کند
آزمایش‌های تیر بتنی برای تعیین مقاومت خمشی باقیمانده
مقاومت خمشی باقیمانده بتن حاوی الیاف فولادی پس از ترک‌خوردگی به نوع و مقدار الیاف بستگی دارد. این ویژگی به صورت آزمایشگاهی تعیین می‌شود، زیرا نمی‌توان آن را با توجه به ماتریس بتنی فاقد الیاف و الیاف فولادی بکار رفته محاسبه نمود. روش‌های آزمایش استاندارد مختلفی برای تعیین مقاومت باقیمانده تحت خمش و کشش و طاقت بتن وجود دارد. در ادامه، روش‌های آزمایش خمش پیشنهاد شده توسط RILEM، انجمن بتن ژاپن[1]، ASTM و EFNARC[2] برای تیرها و دال‌های بتنی توضیح داده شده است.
از لحاظ تئوری، آزمایش‌های کشش تک‌محوری نسبت به آزمایش‌های تیر بتنی ارجحیت دارد، زیرا با استفاده از نتایج بدست آمده از آنها می‌توان رفتار تنش- بازشدگی ترک در بتن‌های حاوی الیاف فولادی را که در روش‌های طراحی پیشرفته مورد نیاز است مشخص نمود. اما در عمل معمولاً آزمایش‌های تیر بتنی انجام می‌شود، زیرا نسبت به آزمایش‌های کشش ساده‌تر بوده و شرایط موجود در بسیاری کاربردهای عملی را شبیه‌سازی می‌کند.
استانداردها
BS EN 14651: استاندارد
استاندارد BS EN 14651 روشی را برای اندازه‌گیری مقاومت خمشی- کششی در بتن‌های حاوی الیاف فلزی ارائه می‌کند. این روش آزمایش برای الیاف فلزی با طول کمتر از 60 میلیمتر در نظر گرفته شده است. اگرچه آزمایش مشخصاً برای الیاف فولادی می‌باشد، اما استفاده از آن برای ترکیب الیاف فولادی با الیاف دیگر نیز مناسب خواهد بود. با این روش آزمایش می‌توان حد تناسب ([3]LOP) که متناظر با مقاومت خمشی است و همچنین مجموعه مقادیر مقاومت خمشی- کششی باقیمانده را تعیین نمود. در استاندارد تعداد نمونه‌های آزمایش مشخص نشده است، اما معمولاً باید حداقل شش تیر بتنی مورد آزمایش قرار گیرد. این آزمایش مشابه آزمایش تیر بتنی بر اساس روش RILEM می‌باشد
تیرهای بتنی مورد آزمایش دارای مقطع مربع شکل به ابعاد 150 میلیمتر بوده و روی دهانه 500 میلیمتری با تکیه‌گاه ساده قرار گرفته است. نمونه‌ها در وسط دهانه دارای شکاف بوده و به صورت مرکزی بارگذاری می‌شوند. عملکرد نمونه آزمایش بر حسب رابطه میان بار اعمال شده و جابجایی بازشدگی دهانه ترک (CMOD[4]) که به شکل مستقیم و یا از طریق خیز در مرکز تیر قابل محاسبه می‌باشد، مشخص می‌گردد. بر اساس تعریف استاندارد، حد تناسب به صورت بار حداکثر تا CMOD برابر 05/0 میلیمتر می‌باشد. همچنین بار اعمال شده در مرکز تیر در مقادیر CMOD ثبت می‌شود
مقاومت‌های کششی بتن بر پایه فرض توزیع تنش خطی می‌باشد. اما در واقعیت، شیب حقیقی توزیع تنش غیر خطی بوده و توسط رفتار تنش- کرنش بتن تعریف می‌شود. مقاومت‌های خمشی باقیمانده نسبت به تنش کششی حداکثر تیر بتنی که در نزدیکی تار خنثی پس از ترک‌خوردگی رخ می‌دهد، بزرگتر هستند.
[1] Japanese Concrete Institute (JCI)
[2] The European Federation of Producers and Applicators of Specialist Products for Structures
[3] Limit of proportionality
[4] Crack Mouth Opening Displacement