تعریف آزمایش چکش اشمیت
وقوع چندین زلزله شدید در دو دهه اخیر، این امر مهم را اثبات نموده است که ارزیابی آسیب‌پذیری لرزه‌ای ساختمان‌ها و برنامه‌ریزی جهت آمادگی در برابر خطرات ناشی از زلزله می‌تواند پیامدهای ناشی از این بلایای طبیعی را به حداقل برساند. یکی از اهداف این برنامه‌ریزی‌ها، استفاده از مصالح جدید است که از آن‌ها برای سبک‌سازی و ایمن‌سازی ساختمان‌ها استفاده میشود. اهداف بعدی؛ افزایش عمر مفید سازه، مقاوم‌سازی ساختمان‌های بتنی و فولادی و افزایش سرعت ساخت است. امروزه شرکت‌های زیادی در زمینه بهسازی و تقویت سازه‌ها در برابر پیامدهای ناشی از زلزله فعالیت میکنند. مورد بعدی برای پیشگیری از خطر وقوع زلزله، استفاده از مصالح استاندارد است. برای تشخیص درست این امر از آزمایش‌های مخرب و غیر مخرب استفاده میشود. یکی از این آزمایش‌های غیر مخرب چکش اشمیت است.
چکش اشمیت یک روش غیر مخرب برای تعیین مقاومت فشاری، سختی سطح و مقاومت بتن مسلح و سازه‌های بنایی است. این وسیله یکی از پرمصرف‌ترین و رایج‌ترین ابزارهای تشخصی مقاومت فشاری بتن است. این روش آزمایشی بسیار سریع و کم‌هزینه است. لازم است این نکته نیز ذکر شود که چکش اشمیت نمی‌تواند جایگزین مناسبی برای آزمایش مقاومت فشاری استاندارد باشد. از این آزمایش همچنین به‌منظور تعیین یکنواختی بتن و میزان تغییر کیفیت آن نیز استفاده میشود.
چکش اشمیت مقاومت فشاری و خاصیت ارتجاعی بتن و سنگ را اندازه‌گیری می‌کند. چکش اشمیت به چکش برگشتی یا چکش سوئیسی نیز معروف است. این وسیله آزمایشی توسط یک مهندس سوئیسی به نام ارنست اشمیت اختراع شد و به همین دلیل به آن چکش سوئیسی نیز می‌گویند. تست مقاومت فشاری که با کمک این وسیله انجام میشود به‌عنوان آزمایش چکش برگشتی نیز شناخته میشود.
تاریخچه استفاده از چکش اشمیت
چکش اشمیت اولیه توسط Proceq در دهه 1950 اختراع و وارد بازار شد. از آن زمان تاکنون این ابزار به رایج‌ترین وسیله در جهان به‌منظور تخمین غیر مخرب خصوصیات مقاومتی بتن تبدیل شده است. استفاده از آزمایش چکش اشمیت محدود به بتن نیست. از این آزمایش برای سنگ، کاغذ و ملات نیز استفاده میشود. چکش‌های برگشتی Proceq در مدل‌هایی با انرژی ضربه‌ای متفاوت تولید می‌شوند که هرکدام برای یک آزمایش خاص طراحی‌شده‌اند.
- تیپ N: این تیپ چکش اشمیت برای اکثر کاربردهای مهندسی مناسب است. همچنین محدوده اندازه‌گیری این تیپ بین 20 تا 60 مگا پاسکال است.
- تیپ L: این تیپ نیز مانند تیپ N محدوده اندازه‌گیری مقاومت فشاری آن بین 20 تا 60 مگا پاسکال است. انرژی ضربه‌ای تیپ L سه برابر کوچک‌تر از چکش اشمیت با تیپ N است. در نتیجه از این تیپ برای آزمایش قطعات نازک و کوچک استفاده میشود.
- تیپ NR/LR: این مدل چکش اشمیت دادهها را به بهصورت نمودار روی کاغذ نشان میدهد.
ساختار و عملکرد چکش اشمیت
درون چکش اشمیت یک جرم کنترل‌شده با فنر است که روی یک پیستون درون محفظه لوله‌ای می‌لغزد. پیستون در تماس با سطح بتن قرار می‌گیرد. این امر شرایطی را فراهم می‌کند تا جرم تحت کنترل با فنر با یک انرژی پتانسیل ثابت به سطح بتن ضربه بزند. هنگامی‌که جرم به سطح برخورد کرد، دوباره برمی‌گردد. میزان برگشت (عامل سختی سطح) روی پوسته مدرج اندازه‌گیری میشود. اعداد برگشتی بالاتر نشان میدهد که بتن دارای مقاومت فشاری بیشتری است. رابطه تئوری مشخص کمی بین مقاومت بتن و عدد برگشت چکش وجود دارد. بااین‌حال، یک ارتباط تجربی بین خواص مقاومتی مصالح و عدد برگشت ایجاد شده است. بعلاوه دانشمندان تلاش کرده‌اند تا رابطه‌ای بین عدد برگشت چکش و سختی حاصل از اندازه‌گیری را با روش برینل ایجاد کنند. آزمایش برینل برای تعیین سختی سطوح استفاده میشود. در این روش، با ضربه زدن یک گلوله فولادی و میزان فرورفتگی آن، میزان سختی سطح فولادی را تعیین میکنند.
کاربرد آزمایش چکش برگشتی برای موارد زیر است:
- ارزیابی مقاومت فشاری احتمالی بتن با کمک ارتباط مناسب بین شاخص برگشت و مقاومت فشاری
- ارزیابی یکنواختی بتن
- ارزیابی کیفیت بتن مطابق با استاندارد
- ارزیابی کیفیت یک قسمت از بتن در رابطه با قسمت دیگر
عوامل تأثیرگذار بر آزمون چکش اشمیت
عدد برگشت در چکش اشمیت تحت تأثیر عوامل مختلفی ازجمله انواع سیمان و سنگدانه، وضعیت سطح و میزان رطوبت، سن و میزان کربناسیون بتن است.
- نوع سیمان: تأثیر نوع بتن‌های سیمانی ساخته‌شده با سیمان آلومینا می‌تواند مقاومت صد در صد بیشتر از سیمان پرتلند معمولی داشته باشد. بتن‌هایی که با سیمان ضد سولفات ساخته می‌شوند می‌توانند 50 درصد مقاومت کمتری نسبت به سیمان پرتلند معمولی داشته باشند.
- نوع سنگدانه: تأثیر نوع سنگدانه مورداستفاده در بتن رابطه متفاوتی بین مقاومت فشاری و عدد برگشتی ایجاد می‌کند. سنگدانه‌های معمولی مانند شن و سنگدانه‌های سنگ‌های خردشده ارتباط مشابهی دارند اما بتن ساخته‌شده با سنگدانه‌های سبک به کالیبراسیون ویژه‌ای نیاز دارد.
- شرایط سطح و مقدار رطوبت: تأثیر شرایط سطحی و میزان رطوبت بتن در روش چکش برگشتی فقط برای بتن با دانه‌بندی پیوسته مناسب است. بتن با دانه‌بندی گسسته، بتن لانه‌زنبوری یا بتن بدون ریزدانه برای این آزمایش نامناسب است. همه روابط آزمایشات چکش اشمیت تراکم کامل را در نظر می‌گیرند زیرا مقاومت بتن نیمه متراکم هیچ ارتباط منحصربه‌فردی با عدد برگشت ندارد. یک سطح مرطوب باعث تخمین کمتر مقاومت بتن کالیبره شده تحت شرایط خشک میشود. در بتن سازه‌ای، این امر می‌تواند حدود 20 درصد کمتر از یک بتن خشک معادل باشد.
عوامل موثر دیگر در چکش اسمیت
- سن بتن: اثر سن بتن روی آزمایش چکش برگشتی در رابطه با سختی و مقاومت به‌عنوان تابعی از زمان متفاوت است. تغییرات در نرخ سخت شدگی اولیه، عمل‌آوری و شرایط گیرش نیز روی این رابطه تأثیر می‌گذارد. در این آزمایش اثر سن را می‌توان برای بتن بالای 14 روز نادیده گرفت.
- کربناسیون بتن: تأثیر کربناسیون سطح بتن بر روی عدد برگشتی بسیار قابل‌توجه است. بتن گازدار مقاومت را بیش از حد تخمین می‌زند که در موارد شدید این امر می‌تواند تا 50 درصد باشد. همچنین عمق کربناسیون باید در مواردی بررسی شود که سن بتن بیش از شش ماه باشد. با حذف لایه گازدار و آزمایش بتن با چکش برگشتی روی بتن بدون کربن، می‌توان ضرایب تصحیح را تعیین کرد.
- موقعیت آزمون: تأثیر فاصله عمودی از ابتداییترین لایه بتن ریخته شده بر روی عدد برگشتی بسیار قابل‌توجه است. به‌طورکلی، یک عدد برگشت بالاتر در نزدیکی پایینترین لایه بتن ریخته شده مشاهده میشود علت این امر هم به این خاطر است که در هنگام تراکم، غلظت سنگدانه‌ها در پایین بیشتر خواهد بود.
- میزان رطوبت: رابطه مستقیمی بین عدد برگشتی و مقاومت فشاری نمونه‌های مکعبی مرطوب، توصیه نشده است. ایجاد یک رابطه بین مقاومت نمونه‌های مکعبی آزمایش‌شده مرطوب و مقاومت نمونه‌های مکعبی آزمایش‌شده خشک که عدد برگشتی آن‌ها قرائت‌شده، ضروری است. نسبت مقاومت فشاری نمونه مکعبی آزمایش‌شده خشک به نمونه مکعبی آزمایش‌شده مرطوب به‌طورکلی در حدود 05/1 است.
