בדיקות של בטון מוקשח במתח

קיבולת המתיחה (f_t)של חומר מרוכבים שביר כמו בטון היא לעתים קרובות בטווח של 1/10 של יכולת הדחיסה שלה (f'c). התנהגות זו מונעת על ידי קיומה של שכבה חלשה מאוד, הנקראת אזור המעבר הבין-דתי (ITZ), בין המרגמה לצבירה. שכבה דקה מאוד זו (רק כ -40 מיקרומטר בערך) מכילה פחות לחות מלט וסידן סיליקטים (C-S-H) מאשר המרגמה, אך גבישים גדולים יותר של סידן הידרוקסיד (C-H) כמו גם הידרטים טריסולפט (או ettringite, המבנים ארוכים דמויי מחט). שני גורמים אלה תורמים לנקבוביות גדולה יותר בשכבה זו ובכך לכוח נמוך יותר. בנוסף, העובדה כי המרווח הממוצע בין חלקיקים מצטברים הוא רק 2 עד 2.5 פעמים את העובי של ITZ, אומר כי כמות משמעותית מאוד של מרגמה, על פי כמה הערכות עד 40%, מורכב מחומר חלש זה.

ההתנהגות הפריכה של בטון מונעת על ידי צמיחה של מיקרו-קראקים המתפשטים מריכוזים מתח המתרחשים בין המצטבר למרגמה. מהו, מבחינה רעיונית, את מצב הלחץ סביב חלקיק צבירה עגול אידיאלי כמו עומס דחיסה מוחל? כאשר הדחיסה מנסה "לזרום" סביב החלקיק וקטור הכוח נוטה, כוחות מתיחה מתפתחים בכיוון האופקי. כוחות אלה גבוהים יותר בממשק בשל ריכוזי לחץ. השילוב של כוחות מתיחה גדולים ו-ITZ חלש מובילים לפיצוח מועדף בתחום זה.

ככל שהלחץ הדחוס גדל במבחן צילינדר, סדקים אלה מתחילים לגדול ולהפיץ כתוצאה מהמתחים המתוחים הרוחביים, מיקרו-קראקים ראשוניים קיימים ונוכחות של ITZ החלש. צמיחת הסדק תהפוך לבלתי יציבה ככל שהבטון יגיע לעוצמתו המרבית, והבטון יאבד את יכולתו לשמור על כוח במהירות רבה כאשר סדקים מתפשטים במהירות רבה. התוצאה היא התנהגות שבירה הכוללת עבור בטון, כמו גם עבור חומרים קרמיים דומים רבים עם אזורי ממשק חלשים.

יכולת המתיחה הנמוכה האופיינית של בטון גם מקשה מאוד על ביצוע מבחן מתח ישיר, שכן דגימות מתיחה קונבנציונליות נוטות להיכשל באחיזות עקב ריכוזי לחץ. פתרון אלגנטי סביב בעיה זו הוא לבדוק צילינדרים בצד שלהם. שיטה זו נקראת צילינדר מפוצל, או מבחן ברזילאי. במבחן זה, ככל שאדם מתרחק מראשי הטעינה, שם יש מצב מורכב של מתח, יפתח שדה מתח מתיחה אופקי אחיד. מאז הבטון חלש במתח, זה יוביל סדק אנכי פיצול של הצילינדר. ממחקרים סטטיסטיים, מבחן צילינדר פיצול צפוי לתת יכולות מתיחה בסדר גודל של 6√f'c.

דרך עקיפה נוספת לבדיקת בטון במתח היא להשתמש בדגימה קצרה של קרן בתצורת מבחן כיפוף של ארבע נקודות. החלק המרכזי של הקרן נמצא תחת רגע קבוע ואפס גיזה, ולכן ניתן לגזור קשר פשוט בין עומס הכישלון, המאפיינים הגיאומטריים ואת חוזק המתיחה של הקרן באמצעות עקרונות תיאוריה אלסטית. הקרן תיכשל בפתאומיות ברגע שנוצר סדק בתחתית ואין לה כוח שיורית. למרות שידוע היטב כי בכישלון התפלגות הזנים על פני עומק קרן הבטון לא ממש עוקבת אחר אלה של התיאוריה האלסטית, חוסר עקביות זה נחשב בדרך כלל בעל השפעה מועטה על התוצאות הסופיות. ממחקרים סטטיסטיים, מבחן מתיחה קרן צפוי לתת יכולות מתיחה בסדר גודל של 7.5√f'c.

הכשל הפתאומי והשברירי שנצפה במבחן קרן הבטון לא יהיה מקובל בכל יישום מעשי, שבו יש צורך בצינורות ובכוח שיורית לשאת לפחות עומסי כבידה. חיזוק פלדה מתווסף בצד התחתון (או המתיחה) של הקרן כדי למנוע כשלים פתאומיים כאלה; כשהבטון יתחיל להיסדק, הפלדה תתחיל לקלוט את כוחות המתיחה. הטכניקה פועלת כל עוד הסורגים, שיש להם עיוותי שטח כדי לעזור להם להעביר כוחות מהבטון, מעוגנים כראוי. במקרה של קרן קצרה כמו זו שתבחן כאן, זה יושג על ידי מתן וו בסוף הסורגים. בנוסף, מכיוון סדקים גיסתיים אלכסוניים יכולים להתרחש ליד העומק האמצעי של הקרן, ארכובות אנכיות מסופקות בדרך כלל. לבסוף, בגלל האופי הלא מוגדר של מבני בטון מחוזקים, קשה לדעת בוודאות היכן המתח והדחיסה יהיו על קרן תחת סט מסוים של עומסים. מסיבה זו, סורגים יוצבו גם בחלק העליון, וכתוצאה מכך כלוב פלדה טיפוסי שנראה ברוב הקורות במבני בטון.

חוזק המתיחה עבור העומס הדחוס המרבי אליו הגיע במהלך בדיקת המתיחה המפוצלת ניתן על-ידי הנוסחה הבאה:
f_t = 2Pmax/ (πDL)
כאשר D הוא הקוטר (אינצ'ים), L הוא האורך (אינצ'ים), ו- Pmax הוא העומס הדחוס המרבי (lb.) שאליו הגיע במהלך בדיקת המתיחה. בבדיקות אלה, הממוצע היה 388 פסאיי עם סטיית תקן של 22.2 פסאיי (לוח 1).

מבחן #	(פסאיי)	P (ק"ג)	(פסאיי)
1	4780	18456	367.17	5.31
2	4780	20678	411.38	5.95
3	4780	19385	385.65	5.58
		ממוצע =	388.07	5.61
		סנט דב.	22.20	0.32

טבלה 1. תוצאות עבור בדיקת מתיחה מפוצלת.

חוזק המתיחה עבור העומס הדחוס המרבי אליו הגיע במהלך בדיקת מתיחה של הקרן ניתן על-ידי הנוסחה הבאה:
f_t = P_maxL/ (bd²)
כאשר d הוא העומק (אינצ'ים), b הוא הרוחב, L הוא האורך (אינצ'ים) ו- P_max הוא העומס הדחוס המרבי (lb.) אליו הגיע במהלך בדיקת המתיחה. נוסחה זו חוקית עבור האירוע שבו העומסים מוחלים בנקודות השלישיות. במבחנים אלה, הממוצע היה 522.9 פסאיי (לוח 2).

מבחן #	(פסאיי)	P (ק"ג)	(פסאיי)
1	4780	2675	501.6	7.3
2	4780	2903	544.3	7.9
		ממוצע =	522.9	7.6
		סנט דב.	30.23	0.44

טבלה 2. תוצאות לבדיקת מתיחה של הקרן.

עקומת הסטת העומס עבור קורות הבטון הלא מחויבות והחזקות מוצגת בתמונה 1. הקרן הלא מאולצת ככל הנראה הלכה באותו נתיב עומס בתחילה, אך נכשלה ברגע שהפיצוח הראשוני התרחש. אחד מחוזק מראה רציפות קלה כאשר הפיצוח הראשוני התרחש נוקשות מעט נמוכה יותר כפי שהוא מתחיל להרים עומס שוב במצב סדוק שלה. העומס רציף להגדיל עד הבטון מתחיל להניב, כאשר העקום מתחיל לשטח. עם זאת, מכיוון שהפלדה מאוד דביקה ומתקשה, העומס ימשיך לעלות מעט והכישלון יתרחש בעיוותים גדולים מאוד כאשר הבטון למעלה מוחץ.

איור 1: השוואה בין עקומות הסטת עומס עבור קורות בטון לא מחויבות (כחולות) וחזקות (אדומות) ב(א) בעומסים קטנים ו-(ב) עומסים גדולים (עקומות מלאות).

הבדיקה הדגימה את האופי השברירי של כשלים מתיחה בבטון והראתה כי כוח המתיחה הוא רק שבריר (1/8 עד 1/12) זה של כוח הדחיסה. כשלים שבירים מסוג זה יכולים להיות השלכות קטסטרופליות על בטיחות האדם, ולכן כל מבני הבטון צריכים להיות מחוזקים עם מוטות פלדה (או דומים) לקחת כוחות מתיחה. השוואה של עקומת עיוות העומס עבור הקורות הלא מחויבות וה מחוזקות מצביעה לא רק על כך שלאחרון יש כוח גדול יותר אלא גם קיבולת עיוות גדולה.

המפתח לבטיחות וביצועים ארוכי טווח של מבני בטון הוא לספק חיזוק פלדה באזורים של מתחים מתיחה גבוהה גיסת. באופן כללי, כמות הפלדה הדרושה כדי להגיע למטרה זו היא קטנה, בסדר גודל של 1%-1.5% משטח חתך הבטון. כמות קטנה זו פירושה כי מבני בטון יכולים להיות חסכוניים, בטוחים ולספק שירות טוב. בנוסף, היכולת להטיל בטון לכל צורה רצויה מעניקה לאדריכל מרחב תמרון רב בפיתוח מבנים אסתטיים.