الخصائص الميكانيكية للخرسانة

الخصائص الميكانيكية للخرسانة

ان الخواص الميكانيكية  المميزة للخرسانة هي :

أ‌-       مقاومة الضغط .

ب‌- مقاومة الشد .

ج-معامل المرونة ( معامل التشكل الطولي ) .

د- معامل التشكل العرضي ( نسبة بواسون ) .

هـ- الزحف والانكماش .

وسنقوم بشرح كل خاصية من هذه الخواص فيما يلي :

أ- مقاومة الضغط في الخرسانة : COMPRESSIVE STRENGTH

ان مقاومة الخرسانة  يمكن التحكم بها من خلال التحكم بنوعية ونسب مكوناتها (الاسمنت ، الركام الخشن والناعم ، الماء ، والاضافات المختلفة ) . و المتغير الأكثر أهمية هو نسبة الماء الى الاسمنت ( w/c ) .

ان مقاومة الخرسانة هي مقاومة ضغط غير محورية  تقاس بتجربة الضغط ( أسطوانة اختبار قياسية ) ابعادها ( قطر 150mm ارتفاع 300mm ) عمر 28 يوما . في العديد من البلدان وحدة الاختبار القياسية هي المكعب بأبعاد (x 200 x 200mm 200) .

مقاومة الخرسانة تعتمد على مقاس وشكل نموذج الاختبار وأسلوب الاختبار . لهذا السبب فان مقاومة الأسطوانة بأبعاد ( قطر 150mm ارتفاع 300mm ) وفق الكود الامريكي تساوي 80% من مقاومة المكعب بابعاد ( 150 x 150 x 150mm ) وتساوي 83%  من مقاومة المكعب بابعاد ( 200 x 200 x 200mm ) .

علاقة الاجهاد بالتشوه : ( وفق الكود الأمريكي ACI )

المنحنيات المثالية للنماذج ( الأسطوانات ابعاد 150 x300mm ) المحملة في الضغط عند عمر 28   يوم .

الشكل- منحنيات الاجهاد - التشوه

الخرسانة ذات المقاومة – الاخفض لها قابلية تشوه ( ممطولية ) أكبر من الخرسانة ذات المقاومة – الأعلى  ( طول جزء المنحني بعد الاجهاد الأقصى واصل الى عند التشوه بين 0.002  و 0.0025 ) .

التشوه الأقصى عند تحطم الخرسانة يتفاوت بين 0.003 الى 0.008   .

ووفقا للكود الأمريكي فان :

·        في تصميم الخرسانة المسلحة العادي تؤخذ f`c  من ( 24Mpa الى 35Mpa ) وتستعمل للمنشات الغير مجهدة  Non prestressed  .

·        تؤخذ f`c  من ( 35Mpa الى 42Mpa ) للمنشات المجهدة  prestressed  .

·        تؤخذ f`c  من ( 35Mpa الى 42Mpa ) للخرسان المجهدة  prestressed  .

·        تؤخذ f`c  من ( 42Mpa الى 97Mpa ) تستخدم بشكل خاص للاعمدة في الأبنية العالية  .

تصنيف درجة جودة الخرسانة : ( وفق الكود العربي السوري )

يقوم المهندس المصمم للمنشأة بافتراض درجة جودة الخرسانة ، التي تمثل المقاومة الاسطوانية المميزة ( f`c ) وبما يتناسب مع طبيعة المنشأ المراد تنفيذها ، ويقوم المهندس المنفذ بالتحقق من الوصول اليها بتصميم الخلطات المناسبة واختبارها .

وبصورة عامة يمكن تصنيف درجات جودة الخرسانة وفق الجدول التالي ( حسب الكود العربي السوري )

جدول درجات جودة الخرسانة واستعمالاتها ( وفق الكود العربي السوري )

درجة الجودة		C5	C8	C10	C12
المقاومة المميزة بالضغط        f`c	Mpa	5	8	10	12
	Kgf/cm2	50	80	100	120
مجال الاستعمال		خرسانة     ردمية	خرسانة للنظافة	خرسانة عادية    (اساسات - جدران ... الخ )

درجة الجودة		C15	C18	C20	C25	C30	C35	C40	C45
المقاومة المميزة بالضغط        f`c	Mpa	15	18	20	25	30	35	40	45
	Kgf/cm2	150	180	200	250	300	350	400	450
مجال الاستعمال		خرسانة مسلحة				خرسانة مسلحة وخرسانة مسبقة الاجهاد

ملاحظة : لا تستعمل خرسانة من درجة أعلى من C45 الا في حالة الخرسانة سابقة الاجهاد أو لأغراض انشائية خاصة وبشرط اجراء اختبارات خاصة وأن تتخذ في التصميم والتنفيذ جميع الإجراءات اللازمة لضمان الجودة اثناء التنفيذ ، علما انه يمكن اعتماد قيم مقاومة مميزة خارج المقاومات المذكورة في الجدول أعلاه ، وخاصة عند تحقيق المنشات القائمة ، حيث تؤخذ المقاومة المميزة التي نتجت بالاختبارات وفقا لتقدير المهندس المسؤول .

كذلك لا تستعمل خرسانة من درجة جودة أدنى من C18 في الخرسانة المستعملة للابنية والمنشات التي ستنفذ من الخرسانة في مناطق الزلازل .

مقاومة الضغط في الخرسانة :

( وفق الكود العربي السوري) تحدد مقاومة الخرسانة على الضغط  (المقاومة المميزة للخرسانة في الضغط ( f`c ))  من نتائج اختبارات الضغط على عينات قياسية  ابعادها ( قطر 150mm ارتفاع 300mm ) عمرها 28 يوما ،  محفوظة تحت الماء في درجة حرارة 20 ±2)) .

ويتم ذلك بطريقتين :

الاولى – تصميم خلطات الخرسانة للحصول على المقاومة المميزة في الضغط :

المقصود بتصميم الخلطة هو تحديد الكميات المثالية اللازمة من الاسمنت والماء والرمل والبحص ( الناعم والخشن ) ، لانتاج متر مكعب من الخرسانة ذات قابلية تشغيل معينة وذات مقاومة متوسطة في الضغط تعطي مقاومة مميزة ( f`c ) .

الثانية - الحصول على المقاومة المميزة في الضغط دون تصميم خلطة :

ونميز حالتين :

أ‌-       مقاومة الضغط المحتملة في حالة الخرسانة المراقبة بشكل جيد :

مراقبة الخرسانة تعني اتباع الإجراءات التالية في عملية تصنيع الخرسانة :

1-    تقسيم الركام الى عدة حجوم : رمل ، بحص ناعم ، بحص خشن ......

2-    استعمال العيارات الوزنية ، بحيث يتحقق التدرج الحبي المطلوب  .

3 -  قياس نسبة رطوبة الركام قبل استعماله في تصنيع الخلطات ، وأخذ هذه النسبة في حساب كمية الماء في الخلطة .

4- وجود اشراف دائم على عملية التصنيع ، بدءا من العيارات الوزنية وانتهاءا بمعالجة الخرسانة بعد صبها ( رش الماء ...) ويشمل ذلك أخذ عينات اسطوانية لضبط الجودة وحفظ هذه الأسطوانات واختبارها وتقييم نتائجها . اذا تم تصنيع الخرسانة ضمن شروط المراقبة الواردة أعلاه فانه يمكن اعتماد القيم الواردة في الجدول التالي :

جدول مقاومة الضغط المميزة ا لمحتملة في حالة الخرسانة المراقبة بشكل دقيق :

كمية الاسمنت  kg/m3		300	350	400		450
درجة جودة الاسطوانة		C18	C20	C25	C30	C35	C40	C45
المقاومة الاسطوانية المميزة المحتملة  f`c	Mpa	18	20	25	30	35	40	45
	Kgf/cm2	180	200	250	300	350	400	450

ب‌-  مقاومة الضغط المحتملة في حالة الخرسانة غيرالمراقبة بشكل دقيق :

يقصد بالخرسانة غيرالمراقبة بشكل دقيق ، الخرسانة المصنعة باهمال واحد أو أكثر من اجراءات تصنيع الخرسانة الواردة أعلاه ( اجراءات الجودة ) في هذه الحالة يمكن اعتماد مقاومات الضغط الواردة في الجدول التالي :

جدول - مقاومة الضغط المحتملة في حالة الخرسانة غيرالمراقبة بشكل دقيق

كمية الاسمنت  kg/m3		100	150	200	250	300	350	400	450*
درجة جودة الاسطوانة		C5	C8	C10	C12	C15	C18	C20	C25
المقاومة الاسطوانية المميزة المحتملة  f`c	Mpa	5	8	10	12	15	18	20	25
	Kgf/cm2	50	80	100	120	150	180	200	250
مجال الاستعمال		ردم	نظافة تحت الاساسات	خرسانة عادية		خرسانة مسلحة

مع ضرورة إضافة ملدنات عالية الجودة وسيليكا فيوم . وفي جميع الأحوال ينصح بتأمين مراقبة كافية للحصول على قيم تزيد عما ورد في هذا الجدول .

التصحيح لاشكال العينات في اختبارات الضغط :

عند اجراء التجارب عل اشكال أخرى من العينات غير الاسطوانية نعتمد عوامل التصحيح الواردة في الجدول التالي :

شكل العينة	ابعاد عينة الاختبار بالملمتر بفرض انها ذات اسطح مستوية ومتوازية	معامل التصحيحج
الاسطوانة	ارتفاع 150 x 300 قطر ارتفاع 100 x 200 قطر ارتفاع 250 x 500 قطر	1.00 0.97 1.05
الموشور	150 x 150 x 300 150 x 150 x 450 200 x 200 x 600	1.00 1.05 1.05
المكعب	100 x 100 x 100 150 x 150 x 150 200 x 200 x 200 300 x 300 x 300	0.78 0.80 0.83 0.90

التصحيح لاعمار الخرسانة في اختبارات الضغط :

عند اجراء التجارب عل اعمار عينات تختلف عن العمر 28 نعتمد عوامل التصحيح الواردة في الجدول التالي :

عمر الخرسانة باليوم	3	7	28	60	90	360أو أكثر
اسمنت بورتلاندي عادي	2.50	1.50	1.00	0.95	0.90	0.80
اسمنتبورتلاندي سريع التصلب	1.80	1.30	1.00	0.97	0.95	0.90

ب - مقاومة الشد : TENSILE STRENGTH

مقاومة الشد للخرسانة هي حوالي من ( 10 الى 15% ) من مقاومة الضغط  وفق ( الكود الامريكي  ) .

مقاومة الخرسانة في الشد خاصة مهمة فهي كثيرا ما تؤثر على مدى ومقاس الشقوق في المنشات .

الشكل - اختبارالشد في الخرسانة بفلق الاسطوانة

مقاومة الشد عادة تقدر بواسطة :

·        اختبار فلق – الأسطوانة (وفق الكود الامريكي) ، أسطوانة اختبار ضغط قياسية ابعادها ( 150 x 300mm )  موضوعة على جنبها ومحملة في الضغط على طول قطرها . ان مقاومة الشد الفالق f ct تحسب وفق العلاقة :

                                             .L.d Fsp = 2p / π   

حيث p  هو حمل الكسر المستعمل و L هو طول العينة   و  d هو قطر العينة .

وهي نفس العلاقة المستعملة في الكود السوري وتكون مقاومة الخرسانة للشد ( وفق الكود العربي السوري ) مساوية الى 85%  من مقاومة الانفلاق ، أي :

                                            Fct = 0.55p / L . d

واذا كانت العينة الخاضعة للاختبار مكعبية فان مقاومة الشد الفالق f ct تحسب وفق (الكود العربي السوري ) بالعلاقة :      . a Fsp = 2p / π

حيث : a   طول ضلع المكعب .

الشكل - اختبارالشد في الخرسانة بفلق المكعب

·        اختبار الشد بالانحناء البسيط :

على عينة مو شورية مقطعها ( 150x150mm  ) وطولها 700mm تحمل بحملين متساويين ومتماثلين يبعد كل منهما 200mm  عن الركيزة .

جائز خرساني بسيط محمل على الانعطاف في ثلث مجاز طوله 600mm  حتى يفشل بسب التشقق على الوجه المشدود معامل التمزق يحسب كما يلي :

                      ( bh^2 = (6pa/  ( C =(6M/bh^2 ( fr =( M/I                               

هذ يتوافق مع (الكود الامريكي) حيث ان القيمة المتوسطة له تؤخذ كما يلى :

                                0.62λ( f`c)^0.5 fr =

حيث :  f`c  بالـ Mpa    .                      

حيث :   = 1 λ  للخرسانة طبيعية الوزن .

الشكل – اختبار مقاومة الشد في الخرسانة بالانحناء

مقاومة الشد المميزة المحتملة :

تؤخذ مقاومة الضغط في هذه الحالة أساسا لحساب مقاومة الشد ، ويمكن اتخاذ العلاقة التالية أساسا للتقدير وفق  ( الكود العربي السوري) :

                                               fct = 0.44(f`c)^0.5

                              (kgf/cm2)  ( fct = 1.4(f`c)^0.5  (

                                           

ويبين الجدول التالي مقاومة الشد المميزة المحتملة :

جدول - مقاومة الشد المميزة المحتملة

درجة الجودة		C10	C12	C15	C18	C20	C25	C30	C35	C40	C45
المقاومة المميزة بالضغط        f`c	Mpa	1.4	1.5	1.7	1.9	2.0	2.2	2.3	2.4	2.5	2.6
	Kgf/cm2	14	15	17	19	20	22	23	24	25	26

التصحيح لاعمار الخرسانة في الشد :

عند اجراء التجارب عل اعمار عينات تختلف عن العمر 28 نعتمد عوامل التصحيح الواردة في الجدول التالي :

عمر الخرسانة باليوم	3	7	28	90	360أو أكثر
اسمنت بورتلاندي عادي	2.00	1.40	1.00	0.95	0.90
اسمنت بورتلاندي سريع التصلب	1.50	1.20	1.00	0.95	0.90

اذا ثبت ان الاسمنت يحقق المواصفات من حيث سرعة التصلب الاولي والنهائي والا فيمكن اعتماد النتائج دون تعديل من اجل عينات بعمر لا يتعدى 45  يوما للاسمنت البورتلندي العادي او سريع التصلب و 60  يوما للاسمنت المقاوم للكبريتات  .

ج- معامل المرونة للخرسانة ( معامل التشكل الطولي ) :

معامل المرونة للخرسانة يتفاوت ، على خلاف الفولاذ ، بالمقاومة . منحني الاجهاد – التشوه للخرسانة في الضغط  يظهر في الشكل . ، الصيغة التجريبية أعطيت من قبل الكود الامريكي :

                             ( f`c) ^0.5 Ec = 0.043(wc)^1.5                             

للخرسانة طبيعية الوزن ، Ec  يؤخذ  كما يلي : ( وفق الكود الأمريكي ) :

                                         ( f`c) ^0.5 Ec = 4700

حيث :     wc ≤ 2560 ≤ 1440  و f`c  بالـ Mpa    .

                                                  

اما الكود العربي السوري : فيميز حالتين :

أ‌-       في حالة الاحمال اللحظية او المتغيرة تغيرا سريعا ، وعندما تكون اجهادات التشغيل أقل من 55%  من مقاومة الكسر f`cj  ، يؤخذ معامل التشوه الطولي ( عامل المرونة ) من العلاقة التالية :

                                       ( f`cj) ^0.5 Eco = 5700                                                     

حيث : Eco   هو معامل التشكل الطولي اللحظي الاولي ، مقدرا بالـ Mpa    .

  و   f`cj مقاومة الخرسانة الاسطوانية في الضغط في تاريخ تقييم معامل التشوه مقدرا بـ Mpa ، والخرسانة عمرها j يوم .

وفي النظام المتري تصبح العلاقة السابقة بالشكل التالي :

                              ( kgf / cm2 )   ( f`cj) ^0.5 Eco = 18000                                                                                  

ب – في حالة الاحمال ذات الاجل الطويل ، والمطبقة بعد فك القوالب مباشرة وعدم وجود تسليح للضغط في المقاطع المعرضة لعزوم الانحناء ( حيث يصل التشوه اللدن الى ضعفي التشوه المرن ، أي يصبح التشوه الكلي ثلاثة أضعاف التشوه المرن ) ، يجوز أخذه من العلاقة التالية :

                                         =( 1/3) Eco  ( f`cj) ^0.5 Ec = 1900

                                             

حيث : Ec   هو معامل التشوه (التشكل ) الطولي ، طويل الاجل  ، مقدرا بالـ Mpa    .

وفي النظام المتري تصبح العلاقة السابقة بالشكل التالي :

                              ( kgf / cm2 )   ( f`c) ^0.5 Ec = 6000 

  د-  معامل ( التشكل ) العرضي للخرسانة :                                 

 يعطى معاير القص G   بالعلاقة التالية :  

                                                      G = Ec / 2.( 1 + ᶹ )

 حيث : ᶹ نسبة بواسون وتساوي للخرسانة 0.2

هـ - الزحف : CREEP

الزحف والانكماش تشوهات تعتمد على – الزمن . تكون الخرسانة مرنة فقط تحت احمال المدة  القصيرة ، وبسبب التشوه الإضافي مع الزمن يصبح السلوك الفعال للخرسانة  كمادة غير مرنة ومن الصعب توقع  الانحراف ( السهم ) بعد فترة طويلة من الزمن   .

الزحف هو خاصية للخرسانة ومواد أخرى التي فيها يستمر التشوه مع الزمن تحت الاحمال الثابتة ضمن مدى المرونة المقبول ( قل ، تحت 0.5 f`c ) . هذا التشوه الغير مرن يزيد خلال زمن التحميل ، وقيمته الكلية قد تكون عدة مرات أكبر من التشوه المرن للزمن – القصير . بالتالي الزحف يرتبط بالانكماش ، حيث كلاهما يحدث بشكل اني ويعطي نفس التأثير الصافي ، تشوه متزايد مع الزمن .

ان الالية الداخلية للزحف ، قد تسبب واحد او مجموعة من التالي :

1-    تدفق بلوري اجمالا في الركام وعجينة الاسمنت المتصلبة .

2-    تدفق مرن لمعجونة الاسمنت المحيطة بالركام .

3-    اغلاق الفراغات الداخلية .

4-    تدفق الماء خارج هلام الاسمنت بسبب الحمل الخارج والجفاف .

العوامل التي تؤثر على مقدار الزحف هي :

1-    تركيب الاسمنت ، المزج ، الحجم ، التدرج ، و المحتوى المعدني في الركام .

2-    نسبة الاسمنت في الخرسانة  ، فهو يزداد بازدياد هذه النسبة .

3-    نسبة ماء الخلط ، الزحف يزداد بازدياد نسبة الماء الى الاسمنت .

4-    رطوبة المحيط ، الزحف يتناقص بازدياد الرطوبة

5-    سمك العنصر الخرساني ، الزحف يزداد بتناقص السمك .

6-    عمر الخرسانة عند التحميل ، يتناقص الزحف كلما زاد عمر الخرسانة .

7-    الزمن ، الزحف يزداد مع تزايد الزمن  .

8-    مقدار اجهادات التحميل حيث يزداد الزحف بازدياد الاجهادات.

9-    نسبة تسليح الضغط الى مساحة المقطع العرضي للعنصر   .

زحف الخرسانة سيسبب في اغلب الأحيان زيادة الانحراف ( السهم ) طويل – المدى للاعضاء ، وعلى خلاف الخرسانة ، فان الفولاذ غير  معرض للزحف ، لهذا السبب ، فولاذ التسليح يزود في أغلب الأحيان في منطقة ضغط الكمرات ليخفض قيمة السهم الطويل – المدى لها .

الانكماش عرف بشكل واسع بانه تغير الحجم أثناء تصلب ومعالجة الخرسانة . هو غير مرتبط بالحمل المطبق . ان السبب الرئيسي للانكماش هو خسارة الماء اثناء تصلب و جفاف الخرسانة

انه من المحتمل ازدياد حجم الخرسانة المعالجة بشكل مستمر تحت الماء ، على اية حال ، القلق العادي هو من النقصان في الحجم . عموما ،  وجد بأن خسارة الرطوبة هو العامل الرئيسي المؤثر على كل من تشوه الانكماش وتشوه الزحف  .