การทดสอบแรงยึดเหนี่ยวของคอนกรีตต่อเหล็กเสริม ( Bond Strength )

1. การทดสอบแรงยึดเหนี่ยวของคอนกรีตต่อเหล็กเสริม (Bond Strength)

2. การทดสอบนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบแรงยึดเหนี่ยวสูงสุดของเหล็กเสริมชนิดกลมและชนิดข้ออ้อยที่ฝังในก้อนคอนกรีตตัวอย่างด้วยวิธีการดึง (Pull-Out Test) ทั้งนี้เพราะโครงสร้างคอนกรีตทั่วไปส่วนใหญ่มักมีการเสริมเหล็กเพื่อช่วยในการรับแรง ไม่ว่าจะเป็นการเสริมเหล็กธรรมดาหรือลวดเหล็กก็ตาม ดังนั้นกำลังในการยึดเหนี่ยว (Bond Strength) ของคอนกรีตกับเหล็กเสริมที่เพียงพอจึงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณา เพื่อให้โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กสามารถรับแรงได้เต็มประสิทธิภาพตามที่ออกแบบไว้ บทนำ

3. กำลังในการยึดเหนี่ยว (Bond Strength) เกิดจากการยึดติด (Adhesion) และแรงเสียดทาน (Friction) ของเหล็กเสริมกับซีเมนต์เพสท์ที่แข็งตัวแล้ว แต่มีความยากในการวัดค่าที่แท้จริง ทั้งนี้เพราะมีปัจจัยหลายประการที่เกี่ยวข้อง เช่น - ขณะที่คอนกรีตได้รับการบ่มและแข็งตัวจะเกิดการหดตัว ทำให้พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างเหล็กเสริมและคอนกรีตลดลงส่งผลให้แรงยึดเหนี่ยวลดลง - คอนกรีตมีการแตกร้าวหรือน้ำซึมผ่านได้ง่ายก็จะทำให้เกิดการกัดกร่อนเหล็กเสริมทำให้แรงยึดเหนี่ยวลดลง ทฤษฏีที่เกี่ยวข้อง

4. - ตำแหน่งในการเสริมเหล็ก เช่น บริเวณใต้เหล็กบนอาจมีช่องอากาศเนื่องจากการเยิ้ม ทำให้แรงยึดเหนี่ยวลดลง - การใส่สารผสมเพิ่ม เช่น สารกักกระจายฟองอากาศ ทำให้แรงยึดเหนี่ยวลดลง (รูปแสดงการเกิด Bond และ Adhesion ในโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก)

5. ด้วยเหตุผลดังกล่าว จึงยังไม่มีวิธีการวัดกำลังในการยึดเหนี่ยว (Bond Strength) ที่เป็นมาตรฐานแต่อย่างไรก็ตามการทดสอบด้วยการดึง (Pull-Out Test), ASTM C 234) ถือเป็นวิธีหนึ่งที่ได้รับความนิยมในการเปรียบเทียบค่ากำลังในการยึดเหนี่ยวของคอนกรีตซึ่งทำโดย การหล่อก้อนตัวอย่างคอนกรีตทรงลูกบาศก์ขนาด 15 X 15 X 15 ซม. แล้วฝังเหล็กเสริมไว้ต่อจากนั้นทำการดึงเหล็กเสริมออก ด้วยเครื่องทดสอบแรงดึงเพื่อหาแรงยึดเหนี่ยวสูงสุดของคอนกรีต กับเหล็กเสริม โดยกำลังในการยึดเหนี่ยวสูงสุด (Maximum Bond Strength) สามารถหาได้จากแรงดึงสูงสุดหารด้วยพื้นที่ของเหล็กเสริมที่สัมผัสกับคอนกรีต

6. ในทางปฏิบัตินั้นถือว่ากำลังยึดเหนี่ยวของคอนกรีต (Bond Strength) มีความสัมพันธ์กับกำลังอัดของคอนกรีต คือ เมื่อกำลังอัดของคอนกรีตเพิ่มขึ้นกำลังยึดเหนี่ยวของคอนกรีตจะเพิ่มตาม และกำลังยึดเหนี่ยวของเหล็กข้ออ้อยจะมากกว่าเหล็กกลม ดังรูปที่ 1 และพบว่ากำลังในการยึดเหนี่ยวลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ทั้งนี้เพราะสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่ไม่เท่ากันของเหล็กและคอนกรีต

7. รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังยึดเหนี่ยวกับกำลังอัดของคอนกรีต (จากหนังสือ Concrete Structure,Properties, and Materials; Mehta & Monteiro) ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังยึดเหนี่ยวกับกำลังอัดของคอนกรีต

8. มาตรฐานที่ใช้ ASTM C 234 Standard Test Method for Comparing Concrete on the Basis of the Bond Developed with Reinforcing Steel การทดสอบแรงยึดเหนี่ยวของคอนกรีตต่อเหล็กเสริม

9. เครื่องมือที่ใช้ในการทดสอบ(Universal Testing Machine) (รูปที่2อุปกรณ์ทดสอบแรงยึดเหนี่ยวและเครื่องทดสอบแรงดึง)

10. 1. หล่อก้อนตัวอย่างคอนกรีตทรงลูกบาศก์ขนาด 15 X 15 X 15 ซม. แล้วฝังเหล็กข้ออ้อยหรือเหล็กกลมที่ต้องการทดสอบลงไป เมื่อก้อนตัวอย่างแข็งตัวแล้ว 24 ซม. จึงถอดแบบและบ่อมภายในห้องบ่ม เพื่อรอการทดสอบที่ 28 วันต่อไป 2. วัดเส้นผ่านศูนย์กลางเหล็กเสริมโดย Micrometer และระยะที่ฝังเหล็กลงไปในก้อนตัวอย่างคอนกรีตด้วยไม้บรรทัดเหล็ก วิธีการทดสอบ

11. 3.ติดตั้งอุปกรณ์ทดสอบแรงยึดเหนี่ยวเข้ากับก้อนตัวอย่าง 3.ติดตั้งอุปกรณ์ทดสอบแรงยึดเหนี่ยวเข้ากับก้อนตัวอย่าง

12. 4.ติดตั้งก้อนตัวอย่างเข้ากับหัวจับเครื่องทดสอบกำลังดึง และ Dial Micrometer เพื่อวัดระยะเลื่อนของเหล็กเสริม

13. 5.วัดความยาวของเหล็กที่ปลายจนถึงส่วนที่ปลายอีกด้านที่สัมผัสคอนกรีตและจากหัวจับถึงด้านที่สัมผัสคอนกรีต5.วัดความยาวของเหล็กที่ปลายจนถึงส่วนที่ปลายอีกด้านที่สัมผัสคอนกรีตและจากหัวจับถึงด้านที่สัมผัสคอนกรีต 6.เปิดเครื่องเพื่อดึงเหล็กเสริม โดยควบคุมแรงดึงให้ไม่เกิน 5.78 กก./ตร.ซม./วินาที

14. 7.ทำการทดสอบจนกว่าแรงที่ใช้ดึงเหล็กเสริมถึงจุดสุดสุด หรือเมื่อคอนกรีตเริ่มชำรุดแยกออกจากกันหรือเมื่อระยะลื่นมีค่ามากกว่า 2.5 มม. บันทึกค่าแรงดึงสูงสุด

15. 8.คำนวณหากำลังยึดเหนี่ยวสูงสุด (Maximum Bond Stress) กำลังยึดเหนี่ยวสูงสุด= แรงดึงสูงสุด พื้นที่เหล็กเสริมที่สัมผัสคอนกรีต 9.ทำการทดสอบเปรียบเทียบผลระหว่างเหล็กข้ออ้อยกับเหล็กกลม

16. ผลการทดสอบพบว่าในการหากำลังยึดเหนี่ยวของเหล็กเสริมนั้น เป็นไปตามที่กำหนดไว้คือ -เหล็กข้ออ้อยจะ ไม่มีการครูดหรือลื่นไถลเมื่อมีการทดสอบ -ส่วนเหล็กเส้นกลมนั้นมีการลื่นไถลเล็กน้อยเมื่อมีการทดสอบ -ซึ่งถ้าหากมีการเพิ่ม คุณภาพคอนกรีตให้มีค่ากำลังอัดที่มากขึ้นก็จะสามารถทำให้ค่าของกำลังยึดเหนี่ยวในเหล็กเสริมเพิ่มมากขึ้นด้วย ผลการทดสอบ

17. -เหล็กเสริมข้ออ้อยมีค่าหน่วยแรงยึดเหนี่ยวสูงกว่าในเหล็กเส้นกลมเรียบ เท่ากับ 60 % -และเหล็กเสริมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. มีค่าหน่วยแรงยึดเหนี่ยวสูงกว่าเหล็กเสริมขนาดเส้นผ่าน ศูนย์กลาง 19 มม.เท่ากับ 30 %

18. เทคโนโลยีคอนกรีตที่สามารถเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวให้กับคอนกรีตเทคโนโลยีคอนกรีตที่สามารถเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวให้กับคอนกรีต

19. ซึ่งเส้นใยสังเคราะห์บางชนิดสามารถใช้เพื่อเพิ่มแรงดึงและแรงยึดเหนี่ยวให้กับคอนกรีตนอกเหนือจากการเสริมเหล็กได้ ซึ่งเส้นใยสังเคราะห์บางชนิดสามารถใช้เพื่อเพิ่มแรงดึงและแรงยึดเหนี่ยวให้กับคอนกรีตนอกเหนือจากการเสริมเหล็กได้ -เส้นใยสังเคราะห์ถูกผลิตขึ้นโดยเฉพาะเพื่อใช้สำหรับงานวิศวกรรมคอนกรีต ซึ่งสังเคราะห์จากวัสดุที่สามารถทนต่อสภาวะที่เป็นด่างสูงของคอนกรีตได้ในระยะยาวซึ่งต่างกับเส้นใยธรรมชาติที่ไม่คงทน การใช้เส้นใยสังเคราะห์ในคอนกรีต Synthetic Fibers for Concrete

20. -เราสามารถใส่เส้นใยสังเคราะห์เพิ่มลงไปในระหว่างการผสมคอนกรีตในปริมาณที่เหมาะสมตามคำแนะนำจากผู้ผลิตโดยไม่ต้องทำการเปลี่ยนแปลงส่วนผสมคอนกรีตที่ได้ออกแบบไว้แล้ว โดยเส้นใยสังเคราะห์สามารถผสมร่วมกับสารผสมเพิ่มอื่นๆ ได้ไม่ว่าจะเป็น น้ำยาผสมคอนกรีต, ซิลิก้าฟูม หรือปูนซีเมนต์พิเศษต่างๆ

21. คอนกรีตเป็นสาเหตุที่ทำให้ผิวหน้าของคอนกรีตอ่อนแอและเกิดรอยร้าวขึ้น เนื่องจากแรงเค้น (Stress) ที่เกิดขึ้นมีเกิดมีมากกว่ากำลังที่คอนกรีตจะรับได้ในขณะนั้น  รอยแตกร้าวที่มีขนาดเล็กจะถูกหยุดการขยายตัวโดยคุณสมบัติทางกายภาพของเส้นใยสังเคราะห์ อีกทั้งเส้นใยสังเคราะห์ยังช่วยยับยั้งการพัฒนาการเกิดรอยแตกร้าวจากการทรุดตัวของคอนกรีต เส้นใยสังเคราะห์ทำหน้าที่อย่างไรในสภาวะอายุคอนกรีตเริ่มต้น

22. เส้นใยสังเคราะห์ที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอนั้นจะช่วยลดการเกิดโพรงอากาศที่เรียงตัวต่อเนื่องในทิศทางเดียวกัน (CapillaryPores) ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการคายน้ำขึ้นมาบนผิวหน้าของคอนกรีตสด โดยเส้นใยสังเคราะห์จะทำให้ความสามารถในการซึมผ่านของน้ำต่ำลง ส่งผลให้ช่วยลดการเกิดรอยแตกร้าวแบบพลาสติก รวมทั้งสามารถลดการเยิ้ม (Bleeding) ของคอนกรีตสดลงได้

23. การใช้เส้นใยสังเคราะห์มีส่วนทำให้คุณสมบัติของคอนกรีตที่แข็งตัวแล้วดีขึ้นด้วย โดยคอนกรีตที่ผสมเส้นใยสังเคราะห์จะมีคุณสมบัติในการลดการซึมผ่านของน้ำ เพิ่มความทนทานต่อการขัดสีและต้านทานการแตกร้าวจากแรงกระแทก เส้นใยสังเคราะห์ทำหน้าที่อย่างไรในสภาวะที่คอนกรีตแข็งตัวแล้ว

24. ความสามารถในการต้านทานต่อการแตกร้าวจากแรงกระแทกจะถูกปรับปรุงเพิ่มขึ้นโดยสังเกตจากคอนกรีตธรรมดาที่ไม่ได้ผสมเส้นใยสังเคราะห์เมื่อได้รับแรงอัดจะชำรุดและแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยตามแนวที่เริ่มแตกร้าว ส่วนคอนกรีตที่ผสมเส้นใยสังเคราะห์จะสามารถป้องกันผลกระทบจากการแตกละเอียดเนื่องจากเส้นใยที่ผสมอยู่ภายในเนื้อคอนกรีตจับตัวกันอย่างซับซ้อนและเหนียวแน่นทานการแตกร้าวจากแรงกระแทก

25. เพื่อลดรอยแตกร้าวเนื่องจากการแตกร้าวแบบพลาสติก เป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการออกแบบเพื่อทดแทนเหล็กเสริมรับการแตกร้าวเนื่องจากอุณหภูมิ (Wire Mesh) เพิ่มคุณสมบัติในการยึดเกาะตัวให้กับคอนกรีตที่ต้องเทในที่ลาดชันสูง อาทิเช่น Shotcreteหรืองาน Slipform ลดรอยแตกร้าวที่เกิดจากการทรุดตัวของคอนกรีตสด เพิ่มคุณสมบัติในการลดการซึมผ่านของน้ำให้ต่ำลง เป็นวัสดุผสมคอนกรีตที่สามารถทนทานต่อด่างและสารเคมีได้ดี การประยุกต์การใช้งานที่เหมาะสม

26. http://www.cte.kmutt.ac.th:8080/civillabpro/pdf/M16.pdf http://www.cte.kmutt.ac.th:8080/civillabpro/MatLab16.htm http://library.kmutnb.ac.th/projects/edu/TTC/ttc0105t.html http://www.cpacacademy.com/index.php?tpid=0131 เอกสารอ้างอิง