ادامه مقاله طرح اختلاط بتن (1)
- نحوه ارائه طرح اختلاط بتن
در ارائه طرح اختلاط بتن چندین عامل مهم وجود دارد که در ادامه بدان می‌پردازیم:
1) حاشیه ایمنی مقاومت
حاشیه ایمنی مقاومت بـرای در نظـر گرفتن نوسانات کمی مقاومت بتن به دلیل تغییـرات و نوسـانات کیفـی و کمـی احتمـالی سـیمان، سنگدانه، آب و افزودنی که ناشی از خطاهای انسانی، دستگاهی یا طبیعی است، منظور می‌شود. حاشیه ایمنی به مقاومت مشخصه بتن اضافه می‌شود و مقاومـت فـشاری متوسـط لازم برای طرح مخلوط یا همان مقاومت هدف یا نشانه طرح مخلوط به دست می‌آید. مـسلماً بـه هـر میزان بی‌دقتی در تأمین و به‌کارگیری اجزاء بتن و ساخت آن بیشتر باشد، نیاز به به‌کارگیری حاشیه امنیت مقاومتی بیشتری وجود دارد.
2) میزان روانی بتن
در تهیه یک طرح مخلوط بتن، دستیابی بـه روانـی و کارایی مطلـوب از جایگـاه خاصـی برخوردار است. کارایی و روانی بتن تأثیر زیادی در کیفیت و اجرای بتن دارد و توسط آزمایش اسلامپ اندازه‌گیری می‌شود.
3) آب آزاد بتن
به آبی که در زمان گیرش اولیه بتن در خمیر سیمان و بیرون سنگ‌دانه‌ها وجـود دارد آب آزاد می‌گویند. آب آزاد، کارایی خمیر سیمان در بتن را تأمین می‌کند و ساختار اولیـه خمیـر سیمان را به وجود می‌آورد به همین دلیل مقاومت و کیفیت و دوام خمیر سـیمان، تـابع نـسبت وزنی آب آزاد بتن می‌باشد.
4) نوع سنگ‌دانه‌ها
در طرح اختلاط بتن، جنس سنگدانه از نظر کمی تأثیری ندارد. جنس سنگدانه ممکن اسـت بر دوام سنگدانه و بتن اثرگذار باشد. ویژگی‌های مکانیکی سنگدانه نیز در طرح مخلـوط بـتن از نظر کمی کاربردی ندارد. مسلماً در انتخاب سنگدانه، جنس سنگدانه از نظر کانی‌شناسی و ویژگی‌های مکانیکی آن به همراه ویژگی‌های دوام اهمیت جدی دارد.
5) دانه‌بندی سنگ‌دانه‌ها
هر چند دانه‌بندی سنگدانههای بتن بر مقاومت، دوام و کارایی بتن مؤثر است اما نبایـد از تأثیر آن بر جداشدگی، آب انداختن و جمـع شـدگی بـتن غافـل شـد. نمی‌توان انتظـار داشـت کـه منحنی‌های دانه‌بندی‌های ارائه‌شده، حداقل فضای خالی را به وجود آورند؛ اما می‌توان انتظار داشت با این دانه‌بندی‌ها در مجموع به بتن مطلوبی دست یافت. تغییـر درشـتی و ریـزی بافت دانه‌بندی به نوع بتن مطلوب و نوع پروژه و قطعه و هم چنین نوع وسیله حمل و ریختن بستگی دارد و نمی‌توان توصیه کلی را برای همه موارد ارائه نمود.
6) سیمان مصرفی
در ایران، سیمان‌های مختلف با مقاومت‌های متفاوت و خواص گوناگون تولیـد می‌شود. سیمان‌های پرتلند تولیدی در ایران عمدتاً به صورت نوع 1،2 و 5 می‌باشد. سـیمان پرتلنـد نوع 1 در استاندارد ایران به سه رده مقاومتی 325،425 و 525 کیلوگرم بر سـانتیمترمربـع تقسیم می‌شود که امروزه هر سه رده در ایران تولید می‌گردد. با اینکه در ایـن روش، سـه رده مقاومتی سیمان پرتلند نوع 1 مدنظر قرار گرفته است، اما می‌توان نسبت آب بـه سـیمان بتن‌های حاوی سایر سیمان‌های پرتلند و آمیخته را نیز به دست آورد.
7) سن مقاومت مشخصه و شکل نمونه بتن
در ساختمان‌ها و سازه‌های متعارف، به ویژه وقتی از سیمان‌های پرتلنـد بـا رونـد عـادی کسب مقاومت مانند نوع 1 استفاده می‌شود، معمولاً از سـن مقاومـت مشخـصه 28 روزه در مشخصات فنی و آیین‌نامه‌ها استفاده می‌گردد. در برخی سازه‌ها ممکن اسـت سـن مقاومـت مشخصه کمتر یا بیشتر از 28 روز باشد. در سال‌های اخیر با توجه به گستردگی استفاده از سیمان‌های آمیخته و برای کاهش تولید و مصرف کلینکر سعی می‌شود در حد امکـان سـن مقاومـت مشخصه بتن پروژه‌ها بیش از 28 روز انتخاب شود تا از پتانسیل مقاومتی این نوع سیمان‌ها به نحو احسن استفاده گردد.
نکته: کلینکر در تولید سیمان پرتلند، دانه‌های حرارت دیده‌ای است که معمولاً ۳-۲۵ میلی‌متر (قطر) دارند و از حرارت دادن به سنگ آهک و آلومینیوم سیلیکات (خاک رس) در طی مرحله کوره سیمان به وجود می‌آیند.
8) دوام بتن
بـدیهی اسـت که یکـی از اهداف طرح مخلوط بتن، دستیابی به بتنی است که در شرایط محیطی پروژه از دوام مناسـب و عمر مفید مطلوبی برخوردار باشـد. مواردی که برای تأمین دوام مطرح می‌باشد، مربوط بـه کیفیـت اجـزاء بتن (سیمان، سنگدانه، آب و مواد افزودنی) است و یا بـرای تـأمین پایـایی، محدودیت‌هایی مانند حداکثر مجاز نسبت آب به سیمان، حـداقل یـا حـداکثر مجـاز سـیمان مـصرفی و حتـی محدود کردن حداکثر اندازه سنگدانه و یا توصیه‌هایی در مورد دانه‌بندی اسـت که در طرح مخلوط بتن باید به دقت مورد توجه قرار گیرد.
- 1 طرح اختلاط بتن چیست؟
طرح اختلاط بتن به معنی تعیین نسبت به‌کارگیری اجزا تشکیل‌دهنده بتن به روش وزنی و یا حجمی می‌باشد.
روش حجمی:
در این روش حجم کلیه اجزای بتن در یک مترمکعب از بتن تازه باید برابر واحد شود؛ یعنی:
VCA حجم شن، VC حجم سیمان، VW حجم آب، VFA حجم ماسه و A درصد حجمی هوا است.
روش وزنی:
در این روش اساس کار بر این است که جمع وزن کلیه اجزای بتن در یک متر مکعب باید برابر با وزن مخصوص بتن تازه شود؛ یعنی اگر وزن سیمان، آب، شن مشخص باشد، وزن ماسه هم به دست می‌آید:
U=CA+C+W+FA
U وزن مخصوص بتن تازه، C وزن سیمان، W وزن آب، CA وزن شن و FA وزن ماسه در یک متر مکعب بتن می‌باشد.
نکته: در کارخانه‌های بتن ایران، طرح اختلاط بتن به روش وزنی انجام می‌شود که دارای دقت بیشتری نسبت به روش حجمی است.
- 2 نکات پراهمیت در طرح اختلاط
نکات مهم و ضروری که در طرح اختلاط بتن (طبق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان-ویرایش پنجم) باید رعایت شوند، عبارت‌اند از:
- 3 مثال طرح اختلاط بتن
برای مثال حل شده طرح اختلاط بتن به روش aci بایستی این گام‌ها به ترتیب انجام شوند:
1.3.2 گام‌های حل مثال طرح اختلاط بتن
گام اول: انتخاب اسلامپ
انتخاب اسلامپ معمولاً بر اساس تجربه صورت می‌گیرد. در غیر این صورت می‌توان از جدول 1 استفاده کرد:
گام دوم: انتخاب بزرگ‌ترین بعد دانه‌ها
بزرگ‌ترین بعد دانه‌ی شنی (Dmax) معمولاً بر اساس تجربه‌ی مهندس طراح انتخاب می‌شود.
گام سوم: تخمین مقدار آب لازم و میزان هوا (W و A)
مقدار تقریبی آب لازم و میزان هوا را می‌توان از جدول 2 به دست آورد. همچنین درصد تقریبی هوای غیرعمدی که در بتن بدون حباب هوا ایجاد می‌شود، در این جدول پیش بینی شده است.
گام چهارم: انتخاب نسبت آب به سیمان (W/C)
انتخاب نسبت آب به سیمان باید بر اساس مقاومت مورد نیاز بتن و شرایط محیطی صورت گیرد. (جدول 3 الف و ب)
گام پنجم: محاسبه مقدار سیمان (C)
پس از تخمین مقدار آب مورد نیاز و محاسبه نسبت آب به سیمان به آسانی می‌توان مقدار سیمان را محاسبه کرد.
گام ششم: تخمین مقدار دانه‌های درشت (CA)
حجم دانه‌های درشت به صورت خشک در واحد حجم بتن را می‌توان بر اساس جدول 4 به دست آورد. با درنظرگرفتن این که وزن مخصوص شن خشک در محدوده 1600 تا 1800 کیلوگرم بر مترمکعب است، وزن شن بر حسب کیلوگرم به دست می‌آید.
گام هفتم: تعیین مقدار دانه‌های ریز (ماسه)، (FA)
پس از اتمام مرحله‌ی ششم از طرح اختلاط بتن ، تمام اجزای بتن غیر از سنگدانه ریز تخمین زده شده‌اند. مقدار ماسه در این مرحله به روش حجم مطلق به شرح زیر تعیین می‌گردد:
کل حجم اشغال‌شده توسط اجزای معلوم (آب، هوا، سیمان و شن) از حجم واحد بتن کسر می‌گردد تا حجم موردنیاز ماسه به دست آید. سپس حجم به دست آمده در وزن مخصوص ماسه ضرب می‌گردد تا وزن آن تعیین گردد.
وزن مخصوص ماسه اشباع با سطح خشک حدود ۲۴۰۰ کیلوگرم در مترمکعب می‌باشد. با ضرب وزن مخصوص در حجم ماسه می‌توان وزن موردنیاز ماسه به‌صورت SSD در واحد حجم بتن را به دست آورد.
نکته: در هنگام طرح مخلوط بتن، شرایط رطوبت سنگ‌دانه‌ها به‌صورت اشباع با سطح خشک (SSD) در نظر گرفته می‌شود و آب به‌صورت آب مؤثر یا آب آزاد در محاسبات منظور می‌گردد.
گام هشتم: تنظیم رطوبت بتن
در مراحل قبلی فرض بر این بود که سنگ‌دانه‌ها در حالت اشباع با سطح خشک هستند. معمولاً در کارگاه‌ها دانه‌ها یا رطوبتی کمتر از این حالت دارند یا رطوبتی بیشتر از آن دارند؛ بنابراین وزن اجزای بتن باید تصحیح شود.
2.3.2 مثال طرح اختلاط بتن
مطلوب است طرح اختلاط بتن با مفروضات زیر:
عضو سازه‌ای: فونداسیون بتن مسلح
شرایط محیطی: ملایم
حداکثر اندازه سنگدانه: ۳۸ میلی‌متر
اسلامپ: بین ۸۰ تا ۱۰۰ میلی‌متر
مقاومت فشاری ۲۸ روزه: ۲۵ مگاپاسکال
مشخصات مصالح از قرار زیر می‌باشد:
نمونه مثال طرح اختلاط بتن
حل مثال:
مرحله اول: اسلامپ بین ۸۰ تا ۱۰۰ میلی‌متر داده شده است.
گام دوم: حداکثر اندازه سنگدانه 40 میلی‌متر داده شده است.
گام سوم: از جدول (2) مقدار آب مخلوط برابر 179 کیلوگرم و مقدار هوای ناخواسته برابر ۱ درصد به دست می‌آید.
گام چهارم: با استفاده از جدول (3-الف) مقدار آب به سیمان 0.61 به دست می‌آید.
گام پنجم: مقدار سیمان برابر است با:
179 / 0.61 = 293.44 kg/m3
گام ششم: با استفاده از جدول (4) مقدار دانه‌های درشت برابر است با:
0.71 x 1700 = 1207 kg/m3
گام هفتم: برای تعیین مقدار ماسه باید حجم اجزای معلوم را از حجم کل کم کرد.
Water Volume: 179 / 1000 = 0.179 m3 حجم آب
Cement Volume: 293 / 3150 = 0.093 m3 حجم سیمان
Coarse Agg. Volume (SSD): 1207 / 2700 = 0.447 m3 حجم مصالح درشت‌دانه
Air Volume: 0.01 m3 حجم هوا
Fine agg. Volume: 1 – (0.179 + 0.093 + 0.447 + 0.01) = 0.271 m3 حجم مصالح ریزدانه
وزن ماسه در حالت SSD برابر است با:
0.271 * 2600 = 704 kg/m3
نکته: در هنگام طرح مخلوط بتن، شرایط رطوبت سنگ‌دانه‌ها به‌صورت اشباع با سطح خشک (SSD) در نظر گرفته می‌شود و آب به‌صورت آب مؤثر یا آب آزاد در محاسبات منظور می‌گردد.
گام هشتم: تنظیم رطوبت برای پیمانه آزمایشی
بدین ترتیب نسبت‌های جدید طرح اختلاط بتن با اعمال انحراف رطوبت تعیین گردید.
721/6kg/m3= مقدار ماسه
155/73kg/m3= مقدار آب مخلوط
1213/03kg/m3= مقدار شن
293kg/m3= مقدار سیمان
- 4 تشریح اهمیت آب به سیمان و تأثیر آن در خصوصیات بتن
بتنی که دارای مقاومت کافی باشد و به نحو صحیح ساخته، ریخته و عمل‌آوری شده باشد، در شرایط معمولی دوام کافی خواهد داشت؛ اما درصورتی‌که به لحاظ شرایط محیطی، دوام بتن اهمیت زیادی پیدا می‌کند، نسبت آب به سیمان یکی از عوامل تأثیرگذار در دوام خواهد بود.
– با افزایش نسبت آب به سیمان مقاومت فشاری بتن کاهش خواهد یافت.
– با افزایش نسبت آب به سیمان میزان تخلخل بتن افزایش قابل‌توجهی خواهد داشت.
– با افزایش نسبت آب به سیمان مقدار نفوذ یون کلر که عامل خورنده آرماتورها می‌باشد افزایش چشمگیری خواهد داشت.
– با افزایش تخلخل و حجم حفره‌های بتن، ابعاد سوراخ‌ها نیز افزایش می‌یابد.
– با افزایش نسبت آب به سیمان نرخ تبخیر آب بتن افزایش خواهد یافت که باعث نشست وافت سطحی بتن در هنگام گیرش خواهد شد. به‌بیان‌دیگر باعث افزایش احتمال ترک‌خوردگی در بتن می‌شود.
– با افزایش نسبت آب به سیمان نرخ جذب سطحی بتن افزایش چشمگیری خواهد داشت که خود عامل نفوذ مواد زیان‌آور به داخل بتن می‌باشد.
– با افزایش نسبت آب به سیمان میزان نفوذپذیری بتن افزایش قابل‌توجهی خواهد داشت.
با توجه به دلایل گفته‌شده، تعیین مقدار دقیق نسبت آب به سیمان از اهمیت زیادی برخوردار است.
- 5 معرفی افزودنی‌های مهم و تأثیر آن‌ها در خصوصیات بتن
افزودنی‌های بتن حین فرآیند اختلاط بتن در مقادیر حداکثر پنج درصد وزن سیمان موجود در بتن اضافه می‌شوند تا بعضی از خواص بتن را به شکل مطلوبی تغییر دهند. به عنوان مثال زمان گیرش را تسریع یا تعویق می‌کنند و یا کارایی بتن را افزایش می‌دهند و مقاومت آن را می‌افزایند و یا از بتن در برابر یخ‌زدگی محافظت می‌کنند.
1.5.2 انواع افزودنی‌های بتن
فوق روان کننده‌ها:
فوق روان کننده‌ها روانی بیشتری را در یک نسبت آب به سیمان ثابت در مقایسه با بتن شاهد ایجاد می‌کنند و همچنین یک روانی ثابت را در مقایسه با یک بتن شاهد با کاهش آب مخلوط فراهم می‌کنند. (فوق‌کاهنده آب)
نکته: بتن شاهد نمونه‌ای است که در کارگاه می‌ماند تا در صورتی که نمونه 28 روزه جواب نداد، مقاومت آن را 90 روزه بسنجند.
معمولاً میزان مصرف افزودنی‌های بتن از جمله فوق روان کننده بتن، بر اساس درصدی از سیمان در بتن محاسبه می‌گردد. بسته به نوع روان کننده میزان مصرف می‌تواند بین 0/2 تا 2 درصد وزن سیمان مصرفی باشد. علاوه بر آن برای محاسبه میزان مصرف بهترین روش مراجعه به دیتاشیت محصول می‌باشد.
تسریع‌کننده‌ها:
این نوع افزودنی‌ها نرخ کسب مقاومت بتن را در زمان‌های آغازین گیرش بتن افزایش می‌دهند و یا زمان‌گیرش را کاهش می‌دهند و یا هر دو اثر را ایجاد می‌کنند.
میزان مصرف فوق روان کننده زودگیر بتن با توجه به آزمایش‌های دقیق کارگاهی و دمای محیط و نوع مصالح مصرفی به دست می‌آید ولی به طور کلی میزان مصرف این نوع فوق روان کننده 1 الی 5/1 درصد وزن سیمان مصرفی است. باید توجه شود که حتماً با توجه به افزودن فوق روان کننده زودگیر بتن، به همان میزان از آب بتن کاسته شود.
کندگیرکننده‌ها:
این نوع از افزودنی‌های بتن با ایجاد تأخیر در روند واکنش هیدراتاسیون سیمان، موجب کاهش سرعت گیرش و افزایش زمان آن می‌شوند. با استفاده از کندگیرکننده‌ها امکان افزایش زمان حمل و نقل فراهم می‌شود. همچنین این نوع افزودنی‌ها باعث کاهش درز سرد و ترک‌خوردگی ها می‌شوند.
معمولاً افزودنی‌های کندگیرکننده در حالت مایع اندازه‌گیری و مصرف می‌شوند و چنانچه این افزودنی‌ها به شکل جامد (پودر) تحویل گردند، لازم است ابتدا بر طبق پیشنهاد تولیدکننده محلولی با درصد جامد مناسب از آن تهیه و سپس مصرف شوند.
مواد افزودنی کاهنده آب:
این ماده افزودنی بدون تغییر روانی، مقدار آب مخلوط بتن را کاهش می‌دهد یا بدون تغییر مقدار آب، اسلامپ و روانی را افزایش می‌دهد یا هردو اثر را به طور هم‌زمان ایجاد می‌کند.
افزودنی‌های کاهنده آب با کاهش مصرف آب باعث افزایش مقاومت می‌شوند و همچنین برای پر کردن آسان بخش‌هایی که دسترسی سخت است، کاربرد دارند.
افزودنی‌های کاهنده آب نیز در حالت مایع اندازه‌گیری و مصرف می‌شوند و چنان چه این افزودنی‌ها به شکل جامد (پودر) تحویل شوند، لازم است ابتدا بر طبق پیشنهاد تولیدکننده محلولی با درصد جامد مناسب از آن تهیه و سپس مصرف شوند.
افزونه‌ها و فیلرها:
مواد افزودنی معدنی، مواد سیلیسی‌ای می‌باشند که به‌طورکلی در حدود ۲۰ تا ۱۰۰ درصد وزنی سیمان پرتلند به بتن افزوده می‌شوند. همچنین پوزولان‌ها (گونه‌ای خاکستر آتش‌فشانی ریزدانه که در ساخت بتن کاربرد دارد) به‌صورت خام یا بعد از فعال‌سازی حرارتی در بعضی از جاهای دنیا مورداستفاده قرار می‌گیرند.
مواد مضاف هوا زا:
این مواد سبب ایجاد حبا‌ب‌های عمدی ریز هوا در بتن می‌شوند. معمولاً مواد حباب‌زا با آهک موجود در سیمان در مجاورت آب ترکیب شده و حباب ریز تولید می‌کنند.
هدف از استفاده‌ی این مواد افزودنی حباب هواساز مقاومت در برابر دوره‌های یخ زدن و آب شدن بتن در بخش‌های مختلف است. با توجه به این موضوع که ترسازهای حباب هوازا، ذرات سیمان را به‌صورت ضد رطوبت می‌کنند، اضافه کردن مقدار بسیار زیاد افزودنی سبب تأخیر بسیار در هیدراتاسیون سیمان می‌شود.
با توجه به شرایط محیطی از نظر یخبندان و آب‌شدگی یا سایر شرایط موجود در حین بهره‌برداری در هر آیین‌نامه‌ای درصد حباب هوای لازم مشخص می‌شود. مقدار حباب هوای لازم در بتن معمولاً به حداکثر اندازه سنگدانه مصرفی ارتباط دارد. معمولاً هرچقدر خمیر سیمان بتن کمتر باشد، درصد حباب هوای لازم در بتن کمتر می‌شود، در حالی‌که ممکن است عملاً درصد حباب هوا در خمیر سیمان ثابت باشد.
بهتر است ماده حباب‌زا به‌صورت مایع یا محلول به بتن اضافه شوند. مقدار مصرف مواد پودری بسیار کم است و نمی‌تواند به خوبی و با سرعت در بتن مخلوط و توزیع شود.
- نتیجه گیری
با بررسی مطالب ذکرشده و آزمایش‌های انجام یافته می‌توان نتیجه گرفت که:
1- مقاومت 90 روزه بتن‌های ساخته‌شده با انواع مختلف سیمان برابر بوده و مساوی 1/2 برابر مقاومت نمونه 28 روزه‌ای است که با سیمان نوع یک ساخته‌شده است.
2- برای تبدیل مقاومت نمونه‌های مکعبی به استوانه‌ای یا برعکس باید از ضریب‌های موجود در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان استفاده کرد.
3- هیچ رابطه مشخص و تعریف‌شده‌ای بین مقاومت بتن و عیار سیمان وجود ندارد اما به طور تجربی می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:
fc=(w/10)-9
که در آن fc مقاومت مشخصه بتن بر حسب مگاپاسکال و w عیار سیمان بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد.
4- مراحل طرح اختلاط بتن به‌صورت خلاصه به شکل زیر است:
گام اول: انتخاب اسلامپ
گام دوم: انتخاب اندازه حداکثر سنگ‌دانه‌ها
گام سوم: تخمین آب مخلوط
گام چهارم: انتخاب نسبت آب به سیمان
گام پنجم: محاسبه مقدار سیمان
گام ششم: تخمین مقدار سنگدانههای درشت
گام هفتم: تخمین مقدار سنگدانه ریز
گام هشتم: تنظیم رطوبت بتن
5- نسبت آب به سیمان یکی از عوامل تأثیرگذار در مقاومت و دوام بتن است و باید با دقت تعیین شود.
6- افزودنی‌های بتن برای رسیدن به چند هدف عمده مورداستفاده قرار می‌گیرند:
الف- بهبود کارایی
ب- تسریع یا تعویق زمان‌گیرش
پ- کنترل افزایش مقاومت
ت- افزایش مقاومت در برابر عمل یخ‌زدگی، ترک‌خوردگی حرارتی، انبساط قلیایی سنگدانه و محلول اسیدی و سولفاتی
منبع: سبزسازه