Civil Engineering CMU

Course Explorer
banner ce 215

C4: Hardened Concrete Properties

บทนำ      

คุณสมบัติของคอนกรีตที่แข็งตัวแล้วมีหลายประการ แต่ในการทดสอบนี้จะกล่าวถึงคุณสมบัติที่เป็นส่วนสำคัญที่สุดของคอนกรีตที่แข็งตัวแล้ว คือ กำลังของคอนกรีต (Strength) โดยจะทำการทดสอบ 3 ส่วนคือ ค่ากำลังอัด ค่ากำลังดึงแยก กำลังดัดและพฤติกรรมของคานคอนกรีตเสริมเหล็กที่ภาวะประลัย

การทดสอบแบ่งออกเป็น 3 ตอนได้แก่

  • ตอนที่ 1 : การทดสอบความต้านทานกำลังอัดของคอนกรีต
  • ตอนที่ 2 : การทดสอบกำลังดึงแยก (Splitting Test)
  • ตอนที่ 3 : การทดสอบคานคอนกรีตเสริมเหล็ก

วัสดุทดสอบในแต่ละตอนนั้นจะมีรูปทรงและขนาดที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับประเภทอยู่การทดสอบ ซึ่งรายละเอียดของวัสดุทดสอบในแต่ละตอนมีดังต่อไปนี้

  • ตอนที่ 1 : ชิ้นตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 15 ซม. สูง 30 ซม. จำนวน 6 ตัวอย่าง และชิ้นตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงลูกบาศก์ขนาด 15 x 15 ซม. สูง 15 ซม. จำนวน 6 ตัวอย่าง
  • ตอนที่ 2 : ชิ้นตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 15 ซม. สูง 30 ซม. จำนวน 6 ตัวอย่าง
  • ตอนที่ 3 : ตัวอย่างคานคอนกรีตเสริมเหล็กขนาด 12 x 24 ซม. ยาว 200 ซม.  จำนวน 2 ตัวอย่าง

 


การทดสอบความต้านทานแรงอัดของคอนกรีต

(Test for Compressive strength of Concrete)

กำลังอัดเป็นคุณสมบัติที่สำคัญมากที่สุดของคอนกรีต เนื่องจากการออกแบบคอนกรีตส่วนมากมักจะออกแบบให้คอนกรีตรับเฉพาะแรงอัดอย่างเดียว ถึงแม้ว่าคอนกรีตจะรับแรงดึงได้บ้างก็มักจะไม่นำมาคิด ในองค์อาคารส่วนที่ต้องรับแรงดึงมักจะให้เหล็กเสริมรับแรงส่วนนี้ไป

ทฤษฎี

กำลังอัดของคอนกรีตขึ้นอยู่กับปฏิภาคส่วนผสม (โดยเฉพาะอย่างยิ่งอัตราส่วนของน้ำต่อซีเมนต์) อายุ การบ่ม และอื่น ๆ เนื่องจากวิวัฒนาการทางวิชาการของคอนกรีตได้พัฒนาไปมาก จึงทำให้ในปัจจุบันนี้สามารถผลิตคอนกรีตที่กำลังอัดถึง 700 กก./ซม.2 หรือสูงกว่าได้

กำลังอัดของคอนกรีต, fC  หมายถึงกำลังอัดที่ได้จากการทดสอบแท่งตัวอย่างมาตรฐานรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 15ซม. สูง 30ซม. ที่อายุ 28วัน ในบางครั้งแท่งตัวอย่างรูปลูกบาศก์ ขนาด 15 x 15 x 15 ซม. ก็มักนิยมใช้ในการก่อสร้างแต่กำลังอัดของรูปลูกบาศก์จะสูงกว่ากำลังอัดของรูปทรงกระบอกมาตรฐานซึ่งสามารถคำนวณได้จากสูตร

                    fc    =    Pu / A

โดย

  •  fc    =    ความต้านทานแรงอัดของชิ้นตัวอย่างทดสอบ, กก./ซม.2
  • Pu  =    น้ำหนักกดสูงสุดที่ชิ้นตัวอย่างทดสอบรับได้, กก.
  • A    =    พื้นที่หน้าตัดที่รับน้ำหนักกดของชิ้นตัวอย่างทดสอบ,:ซม.2

และคำนวณหาค่าหน่วยน้ำหนักของชิ้นตัวอย่างจากสูตร

                    WC   =    W / V

โดย

  • WC   =    ความแน่นของชิ้นตัวอย่างทดสอบ, กก./ม.3
  • W     =    น้ำหนักของชิ้นตัวอย่างทดสอบ, กก.
  • V      =    ปริมาตรของชิ้นตัวอย่างทดสอบ, ม.3

ในการออกแบบองค์อาคาร ค.ส.ล. การกำหนดใช้ค่ากำลังอัดของคอนกรีตเป็นสิ่งสำคัญ ผู้ออกแบบจะต้องคำนึงถึงขีดความสามารถของผู้รับเหมาก่อสร้างด้วยว่า จะมีความสามารถผลิตคอนกรีตคุณภาพนั้น ๆ ได้หรือไม่ โดยปรกติผู้ออกแบบจะกำหนดกำลังอัดของคอนกรีตสำหรับก่อสร้างจริงให้สูงกว่ากำลังอัดของคอนกรีตที่ใช้คำนวณออกแบบประมาณ 15 - 25% เนื่องจากกำลังของคอนกรีตในที่ก่อสร้างย่อมต่ำกว่ากำลังของตัวอย่างที่นำมาทดสอบ

วัตถุประสงค์          

เพื่อทดสอบหาค่าความต้านทานแรงอัดของชิ้นตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงกระบอกและชิ้นตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงลูกบาศก์

เอกสารอ้างอิง     

มาตรฐาน ASTM C 31, C 39, C 192

วัสดุทดสอบ

ชิ้นตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 15 ซม. สูง 30 ซม. จำนวน 6 ตัวอย่าง (ทดสอบที่อายุ 7 และ28 วัน)

ชิ้นตัวอย่างคอนกรีตรูปทรงลูกบาศก์ขนาด 15 x 15 ซม.  สูง 15 ซม. จำนวน 6 ตัวอย่าง (ทดสอบที่อายุ 7 และ28 วัน)

เครื่องมือทดสอบ

1. เครื่องทดสอบแรงกดมาตรฐานแบบไฮดรอลิก

2. เวอร์เนียคาลิปเปอร์

3. เครื่องชั่งอีเลคโทรนิคส์ อ่านได้ละเอียดถึง 0.1 มม.

วิธีทดสอบ

  1. วัดขนาดและชั่งน้ำหนักของชิ้นตัวอย่างทดสอบ
  2. ทำความสะอาดชิ้นตัวอย่างคอนกรีตและผิวแท่น (Bearing Faces)หรือผิวหน้ารับแรงกด          
  3. วางชิ้นตัวอย่างทดสอบให้อยู่ในแนวศูนย์กลางของน้ำหนักกดแล้วเลื่อนหรือหมุนผิวแท่นน้ำหนักกดให้สัมผัสกับชิ้นตัวอย่างทดสอบให้สนิท
  4. เปิดเครื่องทดสอบให้น้ำหนักกดเป็นไปอย่างสม่ำเสมอด้วยอัตราคงที่
  5. ให้น้ำหนักกดบนชิ้นตัวอย่างทดสอบจนกระทั่งชิ้นตัวอย่างทดสอบถึงจุดประลัย
  6. บันทึกค่าน้ำหนักกดสูงสุดที่ชิ้นตัวอย่างทดสอบสามารถรับได้พร้อมทั้งบันทึกรูปลักษณะการแตกของชิ้นตัวอย่างทดสอบนั้นด้วย
  7. คำนวณหาความต้านแรงอัดของชิ้นตัวอย่างทดสอบและคำนวณหาหน่วยน้ำหนักของชิ้นตัวอย่างทดสอบ  

ตารางบันทึกผลการทดสอบ

  • ชนิดของตัวอย่าง……………………………………………ชนิดของซีเมนต์………………………..
  • ชนิดและแหล่งของมวลรวมละเอียด…………………………โมดูลัสความละเอียด……………….....
  • ชนิดและแหล่งของมวลรวมหยาบ……………………………ขนาดใหญ่สุด………………………....
  • ปฏิภาคส่วนผสม ………… : ……………. : ………………โดยน้ำหนัก/ปริมาตร W/c = ………....

 


 

การทดสอบหาค่ากำลังดึงแยกของคอนกรีต

(Test for Splitting Tensile Strength of Concrete)

กำลังดึงของคอนกรีต (Tensile Strength) โดยทั่ว ๆ ไปจะมีค่าต่ำมากประมาณ 7 - 11% ของกำลังอัดเท่านั้น  ดังนั้น ในการออกแบบโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กทั่ว ๆ ไปแล้วมักจะไม่คิดแรงดึงในการคำนวณ อย่างไรก็ตาม ในโครงสร้างบางชนิดที่ไม่ต้องการให้คอนกรีตแตกร้าว เนื่องจากต้องการป้องกันน้ำซึม เช่น ถังน้ำ เขื่อน หรือในกรณีที่ไม่เสริมเหล็ก เช่น ถนน สนามบิน เป็นต้น จำเป็นต้องใช้กำลังดึงของคอนกรีตช่วยในการออกแบบ

ทฤษฎี

ในการทดสอบหากำลังดึงของคอนกรีตนั้น มักไม่นิยมใช้ทดสอบหาโดยตรง เนื่องจากความยุ่งยากในการทดสอบ และทำให้ได้ค่าไม่แน่นอนนัก ดังนั้นจึงได้มีการทดสอบหากำลางดึงของคอนกรีตโดยทางอ้อม โดยการทำการทดสอบกำลังดัด (Flexural Strength) หรือการทดสอบหากำลังดึงแยก (Splitting Tensile strength)

ในการทดสอบแรงดึงแยกนั้น ทำการทดสอบได้โดยนำชิ้นตัวอย่างรูปทรงกระบอกมาตรฐาน เส้นผ่าศูนย์กลาง 15 ซม. สูง 30 ซม. วางในแนวนอนในเครื่องทดสอบ แล้วกดด้วยแรงที่เป็นเส้น (Line Load) จนกระทั่งชิ้นตัวอย่างแยกออกจากกันเป็นสองส่วนเท่า ๆ กัน ดังแสดงในรูปที่ 1 กำลังดึงแยกจากการทดสอบโดยวิธีนี้มีค่าประมาณ 8 - 14% ของกำลังอัดของคอนกรีต ซึ่งคำนวณได้จาก

โดย                     

  • T     =    กำลังดึงแยก, กก./ซม.2
  • P    =    แรงกดสูงสุด, กก.
  • l     =    ความยาวของชิ้นตัวอย่างรูปทรงกระบอก, ซม.
  • d    =    เส้นผ่าศูนย์กลางของชิ้นตัวอย่างรูปทรงกระบอก, ซม.

รูปที่ 1  รอยแตกในแนวตั้งฉากกับแรงดึงแยก

วัตถุประสงค์    

เพื่อทำการทดสอบหาค่ากำลังดึงแยก (Splitting Tensile strength) ของคอนกรีต

เอกสารอ้างอิง  

 มาตรฐาน ASTM C 496, C 192

วัสดุทดสอบ

ชิ้นตัวอย่างรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 15ซม. สูง 30ซม. จำนวน 6ตัวอย่าง (ทดสอบที่อายุ 7และ28วัน)

เครื่องมือทดสอบ            

1. เครื่องทดสอบแรงกดมาตรฐานแบบไฮดรอลิก

2. เวอร์เนียคาลิปเปอร์

3. เครื่องชั่งอีเลคโทรนิคส์ อ่านได้ละเอียดถึง 0.1 มม.

4. อุปกรณ์ทดสอบแรงดึงแยก

5. ปากกาเคมี

วิธีทดสอบ

  1. ให้ลากเส้นผ่าศูนย์กลางที่ปลายของชิ้นตัวอย่างทดสอบคอนกรีตรูปทรงกระบอกมาตรฐานทั้งสองด้าน โดยให้เส้นทั้งสองนี้อยู่ในระนาบเดียวกัน
  2. วัดเส้นผ่าศูนย์กลางเฉลี่ยของชิ้นตัวอย่างทดสอบ ให้ละเอียดถึง 0.25มม. โดยวัดที่ปลายทั้งสองข้างและที่กึ่งกลางของชิ้นตัวอย่างทดสอบ
  3. วัดความยาวเฉลี่ยของชิ้นตัวอย่างทดสอบ ให้ละเอียดถึง 2.5มม. โดยวัดแนวระนาบทั้งสองด้านที่จะทดสอบ
  4. ชั่งน้ำหนักของชิ้นตัวอย่างทดสอบให้ละเอียดถึง 1 กรัม
  5. วางชิ้นตัวอย่างทดสอบให้ได้ศูนย์กลางบนแท่นทดสอบ ดังแสดงในรูปที่ 2
  6. กดชิ้นตัวอย่างทดสอบอย่างช้า ๆ จนกระทั่งแตก (Failure) แล้วบันทึกแรงกดสูงสุด
  7. วาดภาพลักษณะการแตกหักของชิ้นตัวอย่างทดสอบ

รูปที่ 2  การนำชิ้นตัวอย่างเข้าทำการทดสอบ       

ตารางบันทึกผลการทดสอบ

  • ปฏิภาคส่วนผสม ………………… : ……………….. : ………………..โดย …………………..
  • ชนิดของปูนซีเมนต์…………………………………………………………………………………
  • แหล่งและชนิดของมวลรวมละเอียด………………………………………………………………..
  • โมดูลัสความละเอียด……………………………………………………………………………….
  • แหล่งและชนิดของมวลรวมหยาบ…………………………………………………………………..
  • ขนาดใหญ่สุด……………………………………………………………………………………….
  • อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์…………………………………………โดย ………………………………
  • น้ำหนักปูนซีเมนต์, กก. …………………………………………………………………………….
  • น้ำหนักมวลรวมละเอียด, กก. ………………………………………………………………………
  • น้ำหนักมวลรวมหยาบ, กก. …………………………………………………………………………
  • น้ำหนักน้ำ, กก. ………………………………………………………………………………........
  • วันหล่อ……………………………วันทดสอบ………………………………….อายุ………..…วัน

หมายเหตุ :  ………………………………………………………………………………………..

                 ………………………………………………………………………………………..

 


 

การทดสอบหาค่ากำลังดัดและกำลังประลัยของคานคอนกรีตเสริมเหล็ก

(Flexural Strength and Ultimate test of Reinforce Concrete)

คานคอนกรีตเสริมเหล็กจะมีพฤติกรรมอยู่ 2 แบบ คือ พฤติกรรมของคานรับแรงดัดและพฤติกรรมของคานรับแรงเฉือน  ซึ่งการจะออกแบบคานคอนกรีตเสริมเหล็กนั้นจึงจำเป็นต้องรู้ถึงพฤติกรรมในแบบต่างๆของคานและรูปแบบการเสียหาย  เพื่อให้ผู้ออกแบบสามารถให้รายละเอียดในการเสริมเหล็กแบบต่างๆได้อย่างถูกต้อง และตรงตามพฤติกรรมที่เกิดขึ้นของคานคอนกรีต

ทฤษฎี

กำลังดึงของคอนกรีต (Tensile Strength) ในบางครั้งก็มีความสำคัญสำหรับการออกแบบงานคอนกรีตบางประเภท เช่น ถังน้ำ  เขื่อน หรือพื้นถนน เป็นต้น  อย่างไรก็ตามในอาคารหรือโครงสร้างทั่ว ๆ ไปแล้วมักจะไม่คิดแรงดึงของคอนกรีตในการออกแบบ

เนื่องจากคอนกรีตเป็นวัสดุที่เปราะ (Brittle) ดังนั้น กำลังดึงของคอนกรีตจะต่ำมากประมาณ 7 – 11 % ของกำลังอัดเท่านั้น การหากำลังดึงที่แท้จริงของคอนกรีตไม่นิยมทำการทดสอบเพราะทำได้ยากและได้ค่าไม่แน่นอน  ส่วนมากมักทดสอบหากำลังดึงของคอนกรีตทางอ้อม โดยการทำทดสอบแรงดึงแยก (Splitting Tension) และการทดสอบกำลังดัด (Flexural Strength)

ในการทดสอบกำลังดัดซึ่งนิยมใช้ในงานถนนคอนกรีตนั้นทำได้โดยการทดสอบคานคอนกรีตล้วน ขนาดพื้นที่หน้าตัด 15 x 15 ซม. กำลังดัดที่ได้จากการทดลองนี้หมายถึงค่ากำลังสูงสุดหรือบางครั้งเรียกว่า “โมดูลัสแตกหัก”(Modulus of Rupture) ซึ่งหาได้จาก

โดย

  • R    =    กำลังดัด, กก./ซม.2
  • M   =    ค่าโมเมนต์ดัดสูงสุดที่หน้าตัด, กก.- ซม. (รูปที่ 1)
  • I    =    โมเมนต์อินเนอร์เซียของหน้าตัด, ซม.4
  • c    =    ระยะจากแนวสะเทินถึงผิวคานที่ไกลที่สุด, ซม.

โดยทั่ว ๆ ไปค่ากำลังดัดของคอนกรีตล้วน จะมีค่าประมาณ 15 % ของกำลังอัด

 

รูปที่ 1 shear force and bending moment diagram

การคำนวณ

1. ถ้ารอยแตกอยู่บริเวณส่วนกลางของสามส่วนของความยาวช่วง(รูปที่ 2) ให้คำนวณค่าโมดูลัสแตกหัก (Modulus of Rupture) ดังนี้

 

รูปที่ 2  รอยแตกเกิดขึ้นที่ส่วนกลางของคานคอนกรีต

โดย

  • R    =    โมดูลัสแตกหัก, กก./ซม.2
  • P    =    แรงกดสูงสุด, กก.
  • L    =    ช่วงของคาน, ซม.
  • b    =    ความกว้างเฉลี่ยของแท่งทดสอบที่รอยแตก, ซม.
  • d    =    ความลึกเฉลี่ยของแท่งทดสอบที่รอยแตก, ซม.

หมายเหตุ :  น้ำหนักของคานไม่ได้นำไปคิดในการคำนวณ

2. ถ้ารอยแตกเกิดขึ้นนอกส่วนกลางของสามส่วนของความยาวช่วงไม่เกินร้อยละ 5 ของความยาวช่วง(รูปที่ 3) ให้คำนวณค่าโมดูลัสแตกหักดังนี้

รูปที่ 3  รอยแตกเกิดขึ้นนอกส่วนกลางแต่ไม่เกิน 5% จากส่วนกลางของคานคอนกรีต

โดย

  • P    =    แรงกดสูงสุด, กก.
  • a = ระยะระหว่างรอยแตกและที่รองรับ (Support) ที่ใกล้ที่สุด โดยวัดที่ผิวล่างของคาน, ซม
  • b    =    ความกว้างเฉลี่ยของแท่งทดสอบที่รอยแตก, ซม.
  • d    =    ความลึกเฉลี่ยของแท่งทดสอบที่รอยแตก, ซม.

3. ถ้ารอยแตกเกิดขึ้นนอกส่วนกลางของสามส่วนของความยาวช่วงเกินกว่าร้อยละ 5 ของความยาวช่วง(รูปที่ 4) ให้ถือว่าการทดลองนี้ใช้ไม่ได้

รูปที่ 4รอยแตกเกิดขึ้นนอกส่วนกลางและเกิน 5% จากส่วนกลางของคานคอนกรีต

วัตถุประสงค์     

เพื่อทดสอบหาค่ากำลังดัดและพฤติกรรมของคานคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีแรงกระทำที่ระยะ  1/3 ของความยาวของคานคอนกรีตเสริมเหล็ก

เอกสารอ้างอิง     

มาตรฐาน ASTM C 78 , C 192

วัสดุทดสอบ

คานคอนกรีตหน้าตัดขนาด 12 x 24 ซม. ยาว 200ซม. จำนวน 2 ตัวอย่าง

 

เครื่องมือทดสอบ

1.เครื่องทดสอบแรงกดมาตรฐานแบบไฮดรอลิก

2. อุปกรณ์สำหรับการทดสอบแรงดัดของคาน ทีมีแรงกระทำที่ระยะ 1/3 ของความยาวของคาน

3. เครื่องวัดระยะการแอ่นตัว

4. เครื่องวัดระยะความเครียด

5. เครื่อง Data logger

วิธีทดสอบ

  1. วัดความกว้างเฉลี่ย ความลึกเฉลี่ย และความยาวเฉลี่ย ของตัวอย่างทดสอบที่กึ่งกลาง ให้ละเอียดถึง 1 มม.                         
  2.  ชั่งน้ำหนักของตัวอย่างทดสอสบให้ละเอียดถึง 1 กรัม
  3.  วางแท่งทดสอบให้ได้ศูนย์กลางบนแท่งทดสอบ  โดยให้ด้านเรียบทั้งสองด้านอยู่ด้านบน และด้านล่าง
  4. เชื่อมต่อสายวัดความเครียดเข้ากับ Data logger
  5. ให้น้ำหนักกดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ พร้อมสังเกตุรอยแตกร้าวที่ปรากฎและทำการวาดรอยแตกที่เกิดขึ้นและน้ำหนักที่ทำให้เกิดรอยแตก
  6. จดบันทึกค่าของแรงกด ความเครียดและระยะการแอ่นตัว ทุกครั้งที่ค่าแรงกดเพิ่มขึ้น 200กก.
  7. อ่านค่าแรงกดสูงสุดที่ ตัวอย่างทดสอบไม่สามารถรับแรงกดได้เพิ่มอีก
  8.  ให้บันทึกแรงกดสูงสุด และนำไปคำนวณหาค่าต่างๆ

ตารางบันทึกผลการทดสอบ

  • ปฏิภาคส่วนผสม ………………… : ……………….. : ………………..โดย ……………………..
  • ชนิดของปูนซีเมนต์…………………………………………………………………………………...
  • แหล่งและชนิดของมวลรวมละเอียด…………………………………………………………………
  • โมดูลัสความละเอียด………………………………………………………………………………..
  • แหล่งและชนิดของมวลรวมหยาบ…………………………………………………………………..
  • ขนาดใหญ่สุด………………………………………………………………………………………..
  • อัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์…………………………………………โดย ………………………………
  • น้ำหนักปูนซีเมนต์, กก. ……………………………………………………………………………..
  • น้ำหนักมวลรวมละเอียด, กก. ………………………………………………………………………
  • น้ำหนักมวลรวมหยาบ, กก. …………………………………………………………………………
  • น้ำหนักน้ำ, กก. ………………………………………………………………………………………
  • วันหล่อ……………………………วันทดสอบ………………………………….อายุ………..…วัน

หมายเหตุ :  ………………………………………………………………………………………..

                 ………………………………………………………………………………………..