دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت (Schmidt hammer test)

سختی سنگ، عبارت است از میزان مقاومت سنگ در برابر نیروی خارجی اعمال شده ناشی از تماس، سایش یا ضربه جسم دیگر. به طور کلی بسته به این که این نیرو به شکل تدریجی یا ناگهانی به سنگ وارد شود، سختی به دو صورت سختی استاتیکی و سختی دینامیکی تقسیم بندی می شود. در حالت کلی، مقادیر این سختی ها لزوما با یکدیگر برابر نیستند و می توان از طریق آزمایش های گوناگونی همچون براینل، ویکرز، راکول، اسکلروسکوپ، چکش اشمیت و … آن ها را به دست آورد.

چکش اشمیت چیست؟

چکش اشمیت (Schmidt hammer) یا چکش بازگشتی، ابزاری برای اندازه‌گیری سختی سطح بتن و مقاومت فشاری غیرمخرب مصالح است. این ابزار توسط ارنست اشمیت در سال 1950 اختراع شد و از آن زمان به طور گسترده در صنایع ساختمانی و مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

عملکرد چکش اشمیت به این شکل است که یک جرم فلزی تحت فشار بر روی سطح بتن رها می‌شود و سپس میزان بازگشت این جرم اندازه‌گیری می‌شود. این بازگشت متناسب با سختی و مقاومت فشاری سطح است. مقدار بازگشتی به عنوان عدد بازگشتی یا شاخص چکش اشمیت شناخته می‌شود و بر اساس آن می‌توان تخمینی از مقاومت فشاری بتن یا سایر مصالح مشابه به دست آورد.

ویژگی‌های کلیدی چکش اشمیت:

1. غیر مخرب بودن: نیازی به نمونه‌برداری یا تخریب سازه نیست.
2. ساده و سریع: به سرعت می‌توان اطلاعاتی درباره‌ی کیفیت بتن یا مصالح به دست آورد.
3. اقتصادی: از نظر هزینه مقرون به صرفه است.

این ابزار بیشتر در موارد زیر کاربرد دارد:

• ارزیابی کیفیت بتن در سازه‌های قدیمی و جدید.
• تخمین مقاومت فشاری سازه‌ها بدون نیاز به تخریب.
• کنترل کیفیت در محل‌های ساخت و ساز.

بیشتر بخوانید: نیلینگ

آزمایش چکش اشمیت چگونه انجام میشود؟

آزمایش چکش اشمیت یا آزمایش ضربه‌ای چکش بازگشتی، روشی غیرمخرب برای ارزیابی و سنجش مقاومت فشاری بتن یا دیگر مصالح سخت مانند سنگ است. این تست به کمک چکش اشمیت انجام می‌شود و به طور کلی برای بررسی کیفیت و سختی سطحی بتن به کار می‌رود.

مراحل انجام تست چکش اشمیت:

1. آماده‌سازی سطح: سطح بتن باید تمیز، صاف و خشک باشد تا نتایج دقیق‌تری به دست آید. اگر سطح ناهموار یا کثیف باشد، باید آن را تمیز یا هموار کرد.
2. انتخاب نقاط تست: معمولاً نقاط مختلف روی سطح سازه برای تست انتخاب می‌شوند تا اطلاعات جامع‌تری درباره مقاومت بتن به دست آید. برای دقت بیشتر، چندین نقطه (حداقل 10 تا 12 نقطه) بر روی یک سطح مورد آزمایش قرار می‌گیرد.
3. نحوه کار چکش اشمیت: چکش اشمیت به صورت عمودی یا زاویه‌دار نسبت به سطح بتن قرار می‌گیرد. پس از فشردن دسته چکش، جرم داخلی آن با نیروی مشخصی بر سطح بتن برخورد می‌کند. سپس میزان بازگشت جرم اندازه‌گیری می‌شود.
4. اندازه‌گیری شاخص بازگشتی: شاخص بازگشتی یا عدد چکش از روی مقیاسی که بر روی چکش وجود دارد خوانده می‌شود. این عدد بازگشتی به سختی سطح بتن مرتبط است.
5. تبدیل عدد بازگشتی به مقاومت فشاری: پس از انجام چندین ضربه در نقاط مختلف، میانگین اعداد بازگشتی محاسبه می‌شود. سپس با استفاده از جداول یا فرمول‌های استاندارد (که به نوع بتن و چکش بستگی دارد)، عدد بازگشتی به مقاومت فشاری بتن (به مگاپاسکال) تبدیل می‌شود.

بیشتر بخوانید: تخریب ساختمان

مزایای تست چکش اشمیت:

• غیرمخرب بودن: تست بدون ایجاد آسیب یا تغییر دائمی در سازه انجام می‌شود.
• ساده و سریع: این آزمایش در مقایسه با سایر روش‌های تعیین مقاومت فشاری، سریع‌تر و کم‌هزینه‌تر است.
• مناسب برای سازه‌های موجود: به‌خصوص برای بررسی کیفیت بتن در سازه‌های قدیمی بدون نیاز به تخریب.

محدودیت‌های تست چکش اشمیت:

• تاثیر شرایط سطحی: سطح بتن باید هموار، تمیز و بدون ترک یا آلودگی باشد؛ در غیر این صورت نتیجه آزمایش ممکن است دقیق نباشد.
• تنها سنجش سطحی: این تست فقط مقاومت سطحی بتن را می‌سنجد و اطلاعات دقیقی از مقاومت درونی بتن ارائه نمی‌دهد.
• تاثیر رطوبت و زمان: رطوبت و گذر زمان می‌تواند بر نتایج تست تاثیر بگذارد، بنابراین شرایط محیطی باید در نظر گرفته شود.

سختی استاتیکی سنگ ها مانند دیگر جامدات، با ایجاد خراش یا نفوذ تدریجی جسم دیگر مشخص می گردد. افزون بر روش موس، آزمایش های براینل (Brinell) (نفوذ نوک نیم کره ای فولادی در نمونه) ، ویکرز (Vickers) (نفوذ الماس هرمی شکل) و راکول (Rockwell) (نفوذ نوک تیز در اثر اعمال دو نوع بار به صورت متوالی) برای تعیین سختی استاتیکی به کار می روند.

سختی دینامیکی سنگ، در حقیقت عبارتست از واکنش سنگ در برابر اعمال ضربه است که با کمک آزمایش هایی مانند چکش اشمیت (Schmidt Hammer) و اسکلروسکوپ (Shore Scleroscope) به دست می آید.

** درجه سختی دینامیکی، تابعی از مقادیر انرژی از دست رفته در تغییر شکل خمیری و شکست سنگ در نقطه اعمال ضربه است.

چکش اشمیت، در آزمایش های صحرایی و آزمایشگاهی سنگ و بتن، به طور گسترده به کار برده می شود. از دیگر مزایای این آزمایش وجود روابط همبستگی با سایر مشخصات می باشد. این امر به مهندسین امر کمک می کند تا با صرف هزینه و وقت کمتر مشخصه مد نظر خود را به دست آورند. به عنوان مثال، از نتایج به دست آمده از این آزمایش، می توان برآورد قابل قبولی از مقاومت فشاری سنگ و البته مقاومت برشی درزه ها به دست آورد. با توجه به کاربرد وسیع و اهمیت تعیین سختی سنگ با این ابزار، در این مقاله، دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت ارائه می شود.

هدف

هدف، تعیین سختی واجهشی سنگ ها با استفاده از چکش اشمیت است. البته ذکر این نکته ضروری است که استفاده از چکش اشمیت در سنگ های بسیار نرم یا بسیار سخت نتایج مناسبی را در پی نخواهد داشت.

ابزار آزمایش

دستگاه آزمایش چکش اشمیت شامل اجزای زیر می باشد:

• چکش اشمیت که به وسیله آن، سختی واجهشی مصالح مورد آزمایش همچون سنگ ها، تعیین می شود. برای این کار، با فشار دادن قسمت ضربه زن چکش روی سطح نمونه، فنر ضربه زن داخل چکش به سمت داخل فشرده می شود.

انرژی پتانسیل حاصل از این فرآیند در این فنر ذخیره خواهد شد. پس از فشرده شدن کامل فنر، ضامن داخلی چکش به طور خودکار آزاد شده و ضربه زن با یک سطح انرژی از پیش تعیین شده به سطح نمونه ضربه می زند. میله ضربه زن پس از برخورد به سطح نمونه، در جهت عکس مسیر ضربه برگشت می کند. مدت زمان برگشت ناشی از این برخورد، مقیاسی برای اندازه گیری سختی واجهشی سنگ ها و سایر مصالح مورد آزمایش می باشد. محدوده عدد سختی اشمیت، بین 10 تا 100 است.

چکش اشمیت قابل حمل است و استفاده از آن، هم در محیط آزمایشگاه و هم در صحرا به سادگی انجام پذیر است.

چکش اشمیت در سطوح مختلف انرژی ساخته می شود که شامل موارد زیر است:

الف) چکش اشمیت نوع L با انرژی برخورد 0.735 نیوتن متر

• این چکش برای سنگ های نرم با عدد برگشتی 30 یا کمتر مناسب می باشد
• استفاده از این چکش با انرژی کم، برای جلوگیری از شکستن سنگ در هنگام آزمایش صورت می گیرد. در شکل زیر تصویر این چکش قابل مشاهده می باشد.

ب) چکش اشمیت نوع N با انرژی برخورد 2.207 نیوتن متر

• این چکش معمولاً در عملیات مکانیک سنگ مورد استفاده قرار می گیرد.

ج) چکش اشمیت نوع M با انرژی برخورد 29.43 نیوتن متر

• کاربرد این چکش در توده سنگ های با حجم بالا می باشد.

• پایه فلزی: این پایه وظیفه محکم نگه داشتن نمونه در حین آزمایش را بر عهده دارد. وزن آن حداقل 32 کیلوگرم بوده و برای نمونه های مغزه ای، از  پایه هایی که دارای شیاری با مقطع نیم استوانه و هم شعاع با اندازه مغزه یا مقطع V شکل استفاده می شود.

• دستگاه صحت سنج برای عملکرد دستگاه (کالیبراسیون) شامل سندان فولادی به وزن 35 کیلوگرم که در ابعاد و سختی استاندارد، توسط کارخانه سازنده در اختیار قرار می گیرد. در شکل زیر می توان شکل آن را مشاهده نمود.

آماده سازی نمونه

در آزمون های آزمایشگاهی چکش اشمیت می توان از قطعات سنگ باقی مانده از دیگر آزمایش ها بهره گیری کرد. البته بهتر آن است از نمونه های بزرگ سنگ استفاده شود. به عنوان نمونه: چکش نوع L باید روی مغزه های NX (قطر حدود 54 میلی متر) یا بزرگ تر و یا قطعاتی از سنگ، که حداقل هربعد آن 6 سانتی متر است، به کار برده شود.. سطحی که چکش بر آن فرود می آید، باید صاف و هموار باشد. این سطح تا عمق 6 سانتی متری داخل سنگ باید بدون ترک و ناپیوستگی های موجود در توده سنگ، باشد.

مراحل انجام آزمایش چکش اشمیت

مراحل زیر، در مورد این آزمایش، اجرا می شود:

الف) پیش از انجام هر مجموعه آزمایش، ابتدا لازم است تا چکش اشمیت با کمک سندان کالیبره شود. برای کالیبراسیون به طور میانگین 10 قرائت صورت می گیرد.

ب)  هنگام آزمایش روی قطعات کوچک سنگ، چه در آزمایشگاه و چه در صحرا، برای جلوگیری از حرکت و اطمینان از عدم لرزش نمونه باید از اتصال محکم نمونه به پایه اطمینان حاصل شود.

ج) مقدار سختی به مقدار قابل توجهی به راستای برخورد چکش با نمونه بستگی دارد. توصیه می شود که چکش در یکی از سه وضعیت قائم رو به بالا، افقی و یا قائم رو به پایین با تقریب 5± درجه مورد استفاده قرار گیرد. در مواقعی که امکان استفاده از امتدادهای سه گانه گفته شده وجود نداشته باشد، آزمایش باید در زوایای مورد نیاز انجام شده و نتیجه آنها با استفاده از منحنی های تصحیح که توسط شرکت سازنده چکش ارائه می شود، به وضعیت های افقی و قائم اصلاح گردد. راستای قرارگیری چکش در آزمایش و هرگونه تصحیح انجام شده در حالت های غیرافقی یا غیرقائم، باید ثبت و در گزارش نتیجه ها آورده شود. در وضعیت غیر قائم نتایج باید با توجه به جدول زیر اصلاح شود.

د) در برخی دستورالعمل ها پیشنهاد شده است که شمار 5 ضربه چکش اشمیت در نقطه مورد نظر وارد شود تا اثر ناهمواری های کوچک سطح سنگ حذف شده و جواب ها از یکنواختی مناسبی برخوردار گردد.

** برای هر نمونه سنگ باید حداقل 20 آزمایش انجام شود و محل آزمایش ها باید دست کم به اندازه قطر ضربه زن از یکدیگر فاصله داشته باشند.

** اگر در اثر آزمایش ترک یا هر شکستگی قابل مشاهده دیگری ایجاد شود، نتیجه های آزمایش پذیرفتنی نبوده و آن نمونه برای آزمایش های بعدی قابل استفاده نخواهد بود.

از سختی واجهشی اشمیت می توان مقدار مقاومت فشاری تک محوری سنگ را برآورد نمود.

محاسبات

ضریب تصحیح بر پایه رابطه زیر محاسبه می شود:

مقادیر اندازه گیری شده بر روی سنگ مورد آزمایش به ترتیب از زیاد به کم مرتب شده و نصف نتیجه های به دست آمده که دارای کمترین مقدار می باشند، حذف و از بقیه میانگین گرفته می شود. این میانگین در ضریب تصحیح ضرب شده و عدد به دست آمده به عنوان مقدار سختی واجهشی سنگ گزارش می شود.

گزارش نتایج آزمایش چکش اشمیت

گزارش نهایی آزمایش چکش اشمیت باید موارد زیر را شامل شود:

• توصیف سنگ شناسی نمونه آزمایش همراه با تصاویر نمونه

• مشخصات محل برداشت نمونه از نظر:

1- موقعیت جغرافیایی

2- عمق قرارگیری و جهت آن

• توضیح روش نمونه گیری (مغزه گیری، آتش کاری و یا روش برجا)
• اندازه و شکل مغزه یا قطعات نمونه
• تاریخ نمونه برداری
•  تاریخ انجام آزمایش
•  شرایط نگهداری نمونه ها
•  زاویه اعمال ضربه یا راستای قرارگیری محور چکش در زمان آزمایش

سخن پایانی

آزمایش چکش اشمیت به عنوان یک روش غیرمخرب و سریع برای ارزیابی مقاومت فشاری سطحی بتن، به ویژه در پروژه‌های نظارتی و کنترل کیفیت سازه‌ها، اهمیت زیادی دارد. این آزمایش با ارائه اطلاعات اولیه در مورد سختی و مقاومت بتن، امکان ارزیابی وضعیت سازه‌ها بدون نیاز به تخریب یا آسیب را فراهم می‌کند. با این حال، به دلیل تأثیرپذیری نتایج از عواملی مانند شرایط سطحی و رطوبت، استفاده از این روش به عنوان تنها معیار برای ارزیابی کیفیت بتن توصیه نمی‌شود و برای دقت بیشتر، نتایج این آزمایش باید با سایر روش‌های آزمایشگاهی و میدانی مکمل شوند

منابع:

1. نشریه شماره 737 سازمان برنامه و بودجه کشور “دستورالعمل انجام آزمون های آزمایشگاهی و صحرایی مکانیک سنگ”