
چگونه در مورد بتن مورد نیاز در هر مورد خاص تصمیم گیری میشود؟ خواص لازم بتن سخت شده توسط طراح سازه، و خواص بتن تازه بستگی به نوع ساخت و ساز و روشهای بتن ریزی و حمل بتن دارد. این دو سری ملزومات به همراه در نظر گرفتن درجه کنترل اعمال شده در کارگاه، امکان تعیین ترکیبات مخلوط را فراهم میسازد. بنابراین، طرح اختلاط را میتوان به عنوان روش انتخاب اجزای تشکیل دهنده بتن و تعیین مقادیر نسبی با اهداف تولید بتن اقتصادی که دارای حداقل خواص مشخص، کارآیی، دوام و مقاومت قابل توجه است، تعریف کرد. لازم به ذکر است که طراحی به معنای دقیق کلمه امکانپذیر نیست؛ چرا که مصالح مصرفی از جنبههای متفاوت متغییر هستند و بسیاری از خواص آنها را نمیتوان به طور دقیق از روی کمیت آنها ارزیابی نمود، به طوری که ما در واقع کاری بیش از یک حدس هوشمندانه در مورد ترکیبات بهینه اجزای تشکیل دهنده بتن براساس روابط مشخص شده برای طرح اختلاط انجام نمیدهیم. به طوری که برای کسب رضایت از یک مخلوط، پس از بررسی آزمایشات لازم، اصلاحاتی را در صورت نیاز بر آن اعمال میکنیم. طرح مخلوط بتن به روش های متفاوتی صورت میگیرد و اما در ایران طرح مخلوط به روش ملی انجام میگیرد. در انتهای مقاله برای روشن تر شدن مطالب گفته شده یک مثال کاربردی آورده شده است.
سرفصلهای این مقاله:
- اجزای تشکیل دهنده بتن و پارامتر طرح مخلوط
- روش ملی طرح مخلوط بتن
- حل یک مثال کاربردی
اجزای تشکیل دهنده بتن و پارامترهای طرح اختلاط
امروزه بتن پرمصرف ترین ماده صنعتی در جهان است. سازههای بتنی به علت مزیتهای زیادی مثل شکل پذیری بیشتر، فراوانی مصالح گسترده تر و مقاومت در برابر آتش سوزی نسبت به سازههای فولادی ارجحیت بیشتری دارد. مواد تشکیل دهنده بتن به طور کلی سیمان، آب، سنگدانه و مواد افزودنی است. به دلیل بافت متخلل ناهمگن بتن، همیشه مقداری هوا در بتن سخت شده وجود دارد.
اما اساساً مسئله طرح اختلاط بتن شامل انتخاب مقادیر مناسبی از سیمان، سنگدانه ریز و درشت و آب است تا بتنی با خواص معینی تولید شود. لازم به ذکر است که طراحی به معنای دقیق کلمه امکانپذیر نیست؛ چرا که مصالح مصرفی از جنبههای متفاوت متغییر هستند و بسیاری از خواص آنها را نمیتوان به طور دقیق از روی کمیت آنها ارزیابی نمود، به طوری که ما در واقع کاری بیش از یک حدس هوشمندانه در مورد ترکیبات بهینه اجزای تشکیل دهنده بتن براساس روابط مشخص شده برای طرح اختلاط انجام نمیدهیم. به طوری که برای کسب رضایت از یک مخلوط، پس از بررسی آزمایشات لازم، اصلاحاتی را در صورت نیاز بر آن اعمال میکنیم.
قبل از وارد شدن به نحوه طرح اختلاط بتن لازم است ابتدا توضیحات مختصری در مورد مواد اصلی تشکیل دهنده بتن بدهیم. در این فصل ضمن معرفی مختصری از مواد تشکیل دهنده بتن، مفاهیم اصلی در طرح اختلاط بتن بیان میشود.
پیشنهاد آموزشی:مینی دوره هنر بتن ریزی | دو روز قبل تا دو روز بعد از بتن ریزی
اجزای تشکیل شده بتن و خواص آنها
همان طور که میدانید، بتن استفاده شده در ساخت و ساز متشکل از سیمان، سنگدانه و آب است. که علاوه بر موارد نام برده که درصد زیادی از اجزای بتن را به خود اختصاص میدهد، دسته از مواد افزودنی به منظور ایجاد اصلاح خواص بتن نیز حین تولید و اجرا اضافه میشوند که درصد آن در بتن کمتر از 5 درصد است. در این بخش ضمن معرفی انواع سیمان پرکاربرد و ویژگیهای آنها در ساخت و ساز، در مورد ویژگیهای سنگ دانه و آب مناسب برای بتن نیز اطلاعاتی را بیان خواهیم کرد.
سیمان
سیمان حدود 7 الی 15 درصد حجم مخلوط بتنی را به خود اختصاص میدهد. سیمان پس از ترکیب با آب، تحت واکنش گرمازایی به نام هیدراسیون خاصیت چسبانندگی پیدا میکند و سنگدانههای ریز و درشت را به هم میچسباند. سیمان پرتلند معمولی عمدتا از سنگ اهک و خاک رس تشکیل شده است که در کورههای پخت سیمان در دمای حدود 1900 درجه سانتی گراد به خواص هیدرولیکی مورد نظر میرسد.
ترکیبات اصلی سیمان پس از پخت در کوره شامل 4 فاز است؛ سه کلسیم سیلیکات، دو کلسیم سیلیکات، سه کلسیم آلومینات و چهار کلسیم آلومینو فریت. این ترکیبات در انواع سیمان با درصد جرمی متفاوت، وجود دارد. بر اساس درصد جرمی و خواص متعدد مورد نیاز، سیمان پرتلند استاندارد در 5 نوع در اختیار مصرف کنندگان قرار میگیرد که در ادامه معرفی میشود.
سیمان تیپ یک (I)، سیمان معمولی: همان سیمان پرتلند معمولی است که در شرایط آب و هوای معمولی و در مناطقی که خطر حمله سولفاتها وجود نداشته باشد، استفاده میشود.
سیمان تیپ دو (II)، سیمان متوسط: این سیمان دارای خواص متوسط از نظر گیرش و حمله سولفاتها است. در این سیمان نسبت به سیمان معمولی به مقدار دی کلسیم سیلیکات افزوده شده و از مقدار سه کلسیم سیلیکات کاسته شده است.
سیمان تیپ سه (III)، سیمان زودگیر: این سیمان از لحاظ نسبت جرمی اجزا مشابه سیمان تیپ یک است اما این اجزا به شدت ریز آسیاب شده اند و این موضوع سرعت واکنش هیدراسیون در نتیجه سرعت گیرش بتن را به شدت افزایش میدهد. این نوع از سیمان در بتن ریزی در هوای سرد و مناطقی که نیاز است بتن در کمترین زمان ممکن به حد معینی از مقاومت برسد کاربرد دارد.
سیمان تیپ چهار (IV)، سیمان دیرگیر: سیمان تیپ چهار دیرگیر بوده و در هنگام ترکیب با آب گرمای کمتری تولید میکند. مقدار سه کلسیم سیلیکات و سه کلسیم سولفات در این نوع سیمان نسبت به انواع دیگر سیمان کمتر بوده و مقدار دی کلسیم سیلیکات آن بیشتر است. این نوع از سیمان در بتن ریزی در هوای گرم و بتن ریزیهای حجیم کاربرد دارد.
سیمان تیپ پنج (IV)، سیمان ضدسولفات: در این سیمان استفاده از سه کلسیم سیلیکات تا حد ممکن به کمترین مقدار خود میرسد و سعی میشود که از دو کلسیم سیلیکات بیشتری استفاده شود. این سیمان در مواردی که بتن در معرض حمله سولفاتها قرار دارد استفاده میشود.
جدا از معرفی انواع سیمان پرتلند که در اکثر موارد ساخت و ساز استفاده میشود، انواع مختلف دیگر از سیمان نیز تولید میشود که استفاده فراگیری ندارد و به ندرت به کار میرود.
– سیمان سفید: رنگ تیره سیمان ناشی از سولفات آهن و سولفات منیزیم است. برای از بین بردن این رنگ تیره باید این ترکیبات از سیمان حذف شود و از سوختهای بدون دوده استفاده شود؛ به همین دلیل از دیگر انواع سیمان گران تر است. کاربرد سیمان سفید بیشتر در نمای خارجی و داخلی ساختمان، موارد تزئینی در پروژهها و درزهای بین سرامیک و کاشی استفاده میشود.
شکل 1 : تفاوت رنگ بین سیمان سفید و سیمان پرتلند معمولی
– سیمان رنگی: سیمانهای رنگی همان سیمانهای معمولی هستند که در آنها از پودر سنگ رنگی استفاده میشود. برای سیمانهایی با رنگ روشن از پایهی سیمان سفید و برای سیمانهایی با رنگ تیره از سیمان پرتلند معمولی استفاده میشود. رنگ سیمانها ناشی از ترکیبات فلزات رنگی است؛ برای مثال سیمانهای آبی از ترکیبات کبالت دار، سیمان قرمز رنگ شامل اکسید آهن و سیمان سبز رنگ شامل ترکیبات کٌرم دار است. کاربرد این سیمان صرفا در موارد تزئینی است.
شکل 2 : طیف رنگی سیمان رنگی
سیمان پزولانی: این سیمان از مخلوط کردن سیمان معمولی با 15-40 درصد پوزولان (خاکستر آتشفشانی) ساخته میشود. این سیمان به دلیل ارزانی برای آجرچینی استفاده میشوند. این نوع سیمان کندگیر و تا حدودی در برابر حمله سولفات مقاوم است.
همان طور که پیشتر هم گفته شد پر کاربرد ترین سیمان در ساخت و ساز سیمان پرتلند معمولی است و سایر انواع معرفی شده کاربرد زیادی ندارند. بنابراین اصول طرح اختلاط بتن بر اساس انواع سیمان پرتلند پرکاربرد معرفی شده است. در ايران سيمان های پرتلند توليدی به طور کلی نوع 1، 2 و 5 میباشد. سیمان پرتلند نوع 1 در استاندارد ایران به سه رده مقاومتي 325، 425 و 525 كيلوگرم بر سانتي مترمربع تقسيم مي شود كه در حال حاضر هر سه رده در خط تولید صنعت سیمان کشورمان وجود دارد. با این که در روشهای مورد استفاده در برای طراحی طرح مخلوط بتن صرفا سه رده سیمان تیپ 1 مد نظر قرار گرفته است اما ميتوان نسبت آب به سيمان بتن های حاوی ساير سيمان هاي پرتلند و آميخته را نيز بدست آورد.
سنگ دانه
دانههای سنگی به صورت درشت دانه (شن) و ریز دانه (ماسه) در بتن ریخته میشود. حجم کل سنگ دانه در بتن حدود 60-75 درصد حجم بتن است که 70 الی 60 درصد از حجم کل سنگدانه را درشت دانه (شن) و حدود 30 الی 40 درصد از حجم کل سنگ دانه را ریز دانه (ماسه) تشکیل میدهد. مرز بین درشت دانه و سنگ دانه در استانداردهای ساختمانی الک شماره 4 با اندازه بعد 4.76 میلیمتر است؛ به این منظور که دانههای سنگی که بر روی الک مذکور باقی میمانند، درشت دانه و دانههایی که از این الک عبور میکنند ریز دانه نامیده میشوند.
– لازم به ذکر است دانههایی که از الک شماره 200 با اندازه بعد 0.075 میلیمتر عبور میکنند لای و رس هستند و جزو مصالح دانهای دسته بندی نمیشوند.
– در کارگاه تولید بتن برای تقریب و جداسازی درشت دانه و ریز دانه از الک با بعد 5 میلی متر نیز استفاده میکنند.
مشخصات سنگدانه مورد استفاده در بتن:
– دانههای مورد استفاده باید عاری از گل و لای و سایر عناصر نامطلوب شیمیایی مثل نیتراتها باشند.
– دانههای مورد استفاده باید در برابر سایش اعمال شده مقاومت کافی را داشته باشند مخصوصا دانههایی که بیشتر در معرض عوامل سایش قرار دارند.
– دانهها باید مقاومت کافی در برابر تنشهای وارد شده را نیز داشته باشند چراکه در هنگام استفاده در بتن این سنگدانه ها زودتر باعث شکست بتن نشوند. دانههای سلیسی بیشترین سختی و دانههای آهکی سختی کمتری دارند. دانههایی از جنس گچ برای استفاده در بتن مناسب نیستند.
– دانهها باید در مقابل سیکلهای یخبندان مقاوم باشند. برای تایید صلاحیت این موضوع باید پارامترهای نفوذپذیری، تخلخل و مقاومت کششی دانهها بر اساس استانداردهای مربوطه بررسی گردد.
– دانهها باید در برابر هوازدگی مقاوم باشند؛ یعنی باید در برابر تغییرات رطوبت و تغییرات دما دوام لازم را داشته باشند.
– شکل دانههای مورد استفاده در بتن باید گرد، نامنظم و گوشه دار باشند چراکه این نوع دانه به دلیل شکل ظاهری خود درگیری بیشتری با بتن و سایر دانهها برقرار میکنند و در نتیجه مقاومت بالاتری خواهند داشت. همچنین استفاده از دانههایی با شکل پولکی و سوزنی شکل در بتن مجاز نیست چرا که در هنگام بارگذاری در قسمتی از این دانهها که عرض کمتری دارند تمرکز تنش زیادی ایجاد میشوند و در نهایت میشکنند.
شکل 3: تقسیم بندی سنگدانهها از لحاظ شکل ظاهری
دانه بندی
دانه بندی یعنی نحوه توزیع دانهها از نظر ابعاد، دانه بندی مصالح را با یک شاخص به نام منحنی دانه بندی مشخص میکنند. برای تنظیم منحنی دانه بندی ابتدا شن یا ماسه و یا مخلوط شن و ماسه مورد نظر را انتخاب نموده از الکهای استاندارد عبور میدهند. تعداد الکهای استاندارد که معمولا استفاده میشوند 9 عدد میباشد که 5 الک محدود به ماسه، یک الک مرز بین شن و ماسه و 3 الک در محدوده شن است.
- الک در محدوده ماسه به شرح زیر است:
- الک در محدوده شن به شرح زیر است:
برای ترسیم منحنی دانه بندی ابتدا تمامی سنگ دانهها را وزن کرده و سپس از روی 9 الک استاندارد نام برده شده عبور میدهیم و در انتها وزن مانده روی هر الک را یادداشت میکنیم. درصد مانده برای هر الک از نسبت وزن سنگ دانه مانده روی الک بر روی وزن کل سنگ دانه به دست میآید. درصد رد شده از هر الک برابر حاصل تفریق دو مقدار 100 و جمع درصد مانده روی خود الک و الک های بالاتر است. سپس بر اساس درصد سنگ دانه عبوری و بعد الک منحنی دانه بندی ترسیم میشود.
شکل 4: نمونههایی از منحنی دانه بندی
مدول نرمی ماسه
مدول نرمی یا ضریب نرمی یک پارامتر برای سنگدانه های شنی یا ماسه ای و یا ترکیبی از هر دو است. مدول نرمی از تقسیم مجموع درصد مانده روی الک استاندارد بر 100 بدست میآید که میتواند بین 0 تا 9 متغییر باشد. افزایش مدول نرمی به معنای مخلوط درشت دانه تر (خشن تر) و کاهش آن به معنای مخلوط ریزدانه تر (نرم تر) است.
برای آشنایی بیشتر با محاسبه مدول نرمی به مثال زیر توجه کنید:
فرض کنید منحنی دانه بندی مطابق شکل 4 دارید، مدول نرمی آن در ادامه محاسبه شده است.
شکل 4 : منحنی دانه بندی
نشان دهنده یک مخلوط نرم و ماسه ای است.
اندازه حداکثر شن
در دانه بندی مصالح درشت دانه، محدودیت خاصی وجود ندارد فقط هر چه مصالح درشت دانه تر باشد، به شرط ثابت بودن مقدار آب و سیمان، مقاومت فشاری مخلوط افزایش مییابد. اما حداکثر بعد شن نباید از مقادیر زیر بیشتر باشد:
- حداکثر بعد دانههای شنی نباید از 0.2 اندازه قالب بزرگتر باشد.
- حداکثر بعد دانههای شنی نباید از 0.75 فاصله آزاد بین میلگرد ها بزرگتر باشد.
- حداکثر بعد دانههای شنی نباید از 0.33 ضخامت دالهای در تماس با خاک و 0.5 ضخامت دالهای سقفی بزرگتر باشد.
آب
آخرین جزء مهم در ترکیبات بتن، آب است. آب نقش مهم و اساسی در بتن دارد و شروع کننده واکنشهای مقاومتی بتن است و ویژگیهای آن باید کاملا مورد بررسی قرار گیرد. استفاده از آب نا مناسب در بتن باعث ایجاد تاخیر در گیرش، کاهش مقاومت نهایی بتن، خوردگی میلگردها و ایجاد خشک شدگی در سطح بتن میشود.
آب مناسب برای بتن باید خواص زیر را داشته باشد:
- به طور کلی آب شرب (پاک و عاری از هر گونه ناخالصی) برای بتن مناسب است.
- آب نه اسیدی باشد نه بازی باشد (PH آن بین 6 تا 8 باشد.).
- کربنات، ذرات معلق مثل سیلیس و سولفات موجود در آن به صورت جداگانه از 0.1 درصد کمتر باشد.
- مقدار ترکیبات کلر دار در آن از 0.05 درصد کمتر باشد.
- آب دریا به دلیل نمک زیاد، کلرور ها و سولفاتهای موجود در آن برای بتن مناسب نیست.
- گل و لای موجود در آب باید از حد مجاز کمتر باشد. برای این منظور میتوان از حوضههای ته نشینی استفاده کرد.
- چربی در آب بتن نباید حضور داشته باشد. وجود 3 درصد چربی نسبت به وزن سیمان در بتن باعث کاهش 20 درصدی مقاومت بتن میشود.
- آب های باتلاقی و رودخانهای با وجود شیرین بودن شامل مقادیری از خزه هستند که به هیچ عنوان برای بتن مناسب نیست؛ خزه ها با چسبیدن به دانههای سیمان از ایجاد چسبندگی بین خمیر سیمان و سنگدانه جلوگیری میکند.
طرح اختلاط بتن و پارامترهای آن
طرح اختلاط بتن مفهومی برای تعیین نسبت اجزای تشکیل دهنده بتن، برای تولید محصولی با خواص مشخص و مورد نظر است. در طرح اختلاط بتن به طور کلی سه مسئله مهم وجود دارد که شامل مقاومت نهایی مورد نظر، دوام کافی و کاآیی مورد نیاز است. مقاومت نهایی و دوام به عوامل زیادی بستگی دارد و در نهایت در بتن سخت شده این خواص اهمیت پیدا میکنند، اما کارآیی بتن یا عدد اسلامپ بتن در بتن تازه معنا پیدا میکند.
در طراحی روشهای طرح اختلاط بتن، مهندسین در تلاش هستند که در عین سادگی روابط و الگوریتمهای مربوطه، تاثیر تمامی عوامل را در مخلوط مشاهده کنند. علارغم تلاشهای صورت گرفته، اساس تمامی طرح مخلوطها روابط و دانش تجربی در این زمینه است و این مقادیر با تخمین نسبتهایی بر اساس تجربه شروع شده و در انتها با انجام آزمایشات لازم اصلاحات در روش صورت میگیرد.
امروزه روشهای زیادی برای طرح اختلاط بتن وجود دارد که از آنها میتوان به طرح اختلاط آیین نامه آمریکا ACI، طرح یونسکو، طرح PCA، طرح فرانسه، طرح کانادا و طرح آیین نامه انگلیس BS اشاره کرد. لازم به ذکر است که طرح هر کشور بر اساس خواص و نوع مصالح موجود در همان منطقه تنظیم و تدوین شده است و استفاده از آن در سایر مناطق کار چندان مهندسی نخواهد بود. اما با طرح چندین آزمایش میتوان از صحت مقادیر به دست آمده در انتهای کار اطمینان حاصل کرد.
طرح اختلاط بتن به روش آیین نامه آمریکا از این مزیت برخوردار است که در مراحل پایانی کار از شما میخواهد که با ساخت یک نمونه بتن و انجام آزمایشات لازم بر روی آن و اصلاح روند کار برای تولید انبوه، تاثیر ویژگیهای اجزای تشکیل دهنده بتن را در هر منطقه بر روش طرح اختلاط مشاهده کنید. در انتها روش آیین نامه آمریکا نتایج دقیق تری را به دنبال خواهد داشت.
در این مقاله طرح اختلاط بتن به روش ملی در فصل 2 و علاوه بر آن مثالهای کاربردی در فصل 3 از آن بیان خواهد شد.
حاشیه ایمنی مقاومت
در طرح مخلوط بتن یک حاشیه ایمنی برای تغییر مقاومت فشاری بتن به دلیل نوسانات در کیفیت سیمان، سنگدانه، آب و مواد افزودنی و همچنین خطاهای ذاتی در عملکرد انسان، دستگاه و طبیعت در نظر گرفته میشود. این حاشیه ایمنی مقاومت به مقدار مقاومت هدف (مقاومت فشاری طرح) اضافه میشود تا مخلوط نهایی مقاومتی کمتر از مقاومت مورد نظر نداشته باشد.
بدیهی است که هر چه عوامل کنترل کیفیت و دستگاه های مورد استفاده دقت کمتری داشته باشد این حاشیه مقاومت زیاد تر خواهد شد. میزان حاشیه مقاومت بر اساس دادههای جمعآوری شده از نمونههای قبلی به دست میآید. تعیین حاشیه مقاومت و مقاومت هدف در هر روش توضیح داده میشود.
روانی بتن
کارآیی و روانی بتن معمولا با آزمایش اسلامپ یا آزمایش V-B تعیین میشود. در مخلوطها با کارآیی بالا از آزمایش اسلامپ استفاده میشود و در مخلوطهایی که نیاز به تراکم با ویبراتور دارند، اندازه گیری کارآیی با روش V-B انجام میگیرد. این پارامتر یکی از مسائل مهم در تعیین نسبتهای اجزای تشکیل دهنده بتن است. اگر کارآیی لازم بتن تامین نشود مشکلاتی زیادی در حمل، ریختن و تراکم بتن به وجود خواهد آمد. در هر روش طرح اختلاط، بر اساس مقدار اسلامپ، مخلوط بتنی رده بندی میشود و در نهایت بر اساس مورد استفاده رده مورد نظر انتخاب می شود. برای آشنایی بیشتر با آزمایش اسلامپ بتن و کارآیی آن به مقاله آزمایش اسلامپ در سایت پاراسویل مراجعه کنید.
آب آزاد بتن
کل یک آب موجود در بتن به دو دسته تقسیم میشود. دسته اول مقدار آب مورد نیاز برای سنگدانهها است تا رسیدن به حالت اشباع با سطح خشک (SSD) و دسته دوم همان آب آزاد بتن است که در فرآیند هیدراسیون مصرف و باعث کارآیی بتن میشود.
پیش از تعیین میزان آب در مخلوط باید شرایط رطوبتی سنگدانهها سنجیده شود به این صورت که اگر شرایط رطوبتی سنگ دانه ها از اشباع با سطح خشک کمتر است، مقدار آب بتن باید افزایش یابد چراکه جذب آب توسط سنگدانه ها باعث کاهش کارآیی مخلوط میشود. اگر رطوبت سنگدانه ها از حالت اشباع با سطح خشک فراتر رود مقدار کل آب بتن باید کاهش یابد چراکه مقدار آب اضافی در سنگدانه ها باعث افزایش مقدار آب به سیمان مخلوط و در نهایت کاهش مقاومت خواهد شد.
سنگدانه و انواع دانه بندی آن
دانهبندی سنگدانههای بتن بر مقاومت، دوام و كارآيي بتن مؤثر است اما نبايد از تأثير آن بر جداشدگي، آب انداختن و جمع شدگي بتن غافل شد و بهترین نوع دانه بندی كمترين فضای خالی بین ذرات را دارد. در روش ملی طرح مخلوط، با توجه به استفاده از رابطه اصلاح شده فولر تامسون، منحني هايی برای دانه بندی سنگدانه هایی با حداكثر اندازه 9.5، 19، 25 و 37.5 میلیمتر ارائه شده است. در اين روابط، تغيير توان n متغير میتواند بافت دانه بندي را درشت يا ريز نمايد.
شرایط عمل آوری و سن آزمایش
مقاومت فشاری بتن با افزایش سن بتن افزایش مییابد. این شیب افزایش در سنین اولیه زیاد است و به مرور شیب نمودار کم میشود تا در نهایت بسیار کند میشود. معمولا برای اندازه گیری مقاومت فشاری نمونه بتن، سن 28 روز را ملاک قرار میدهند. اگر روابط بین مقاومت فشاری نمونه بتن در سنین مختلف موجود باشد میتوان مقاومت فشاری بتن را در سنین دیگر محاسبه کرد و به هم تبدیل کرد. در روش طرح ملی اختلاط بتن از نمونه 28 روزه استوانهای برای روابط استفاده میشود.
نمونه مورد نظر باید مطابق استاندارد عمل آوری شوند و سپس مورد آزمايش مقاومت فشاری قرار گيرند. بديهي است نمونه ها بايد كلاهك گذاری (كپينگ) شوند. در صورتي كه آزمونه مكعبی شكل مورد استفاده قرار گيرد لازم است مقاومت آن طبق رابطه زیر به مقاومت نمونهی استوانه ای تبديل شود.
دوام بتن
بديهي است که يكي از اهداف طرح مخلوط بتن، دستيابي به بتني است كه در شرايط محيطي پروژه از دوام مناسب و عمر مفيد مطلوبي برخوردار باشد. در صورتي در مشخصات فني پروژه و توصيه هاي مشاور، شرط خاصي براي تأمين دوام پيش بيني شده باشد بايد در طرح اختلاط مد نظر قرار گيرد. آيين نامه های پايایی ایران نشریه 428 معمولاً توجه خاصي را به موضوع دوام نشان مي دهند. در كشور ما به دليل وضعيت و شرايط خاص حاكم بر بتن در مناطق حاشيه خليج فارس و دريای عمان و جزاير آن ها، لازم است به آيين نامه پايایی ایران نشریه 428 در اين مناطق توجه ويژه ای مبذول گردد.
برای تأمين دوام بتن در آیین نامه محدودیت هایی مطرح میشود که شامل كيفيت اجزاء بتن (سيمان، سنگدانه، آب و مواد افزودني )، مقدار حداكثر مجاز نسبت آب به سيمان، حداقل يا حداكثر مجاز سيمان مصرفي و محدود كردن حداكثر اندازه سنگدانه است که در طرح مخلوط بتن بايد به دقت مورد توجه قرار گيرد.
روش ملی طرح مخلوط بتن
در طرح مخلوط بتن، نسبتهای اجزای تشکیل دهنده اجزای بتن تعیین میشود. هدف این طرح مخلوط تولیدی بتنی مقرون به صرفه و در عین حال الزامات مورد نیاز نیز باید رعایت شود که این الزامات به طور کلی دوام، کارآیی و مقاومت فشاری بتن است. هدف طراحی این روش تعیین نسبت های مورد نظر با کمترین استفاده از روابط ریاضی و تجربی و در عین حال دقت مورد نیاز است.
در روش ملی طرح مخلوط، سنگدانه مورد استفاده باید با استاندارد ملی ایران به شماره 302 ، ویژگی سیمان پرتلند مورد استفاده با استاندارد ملی ایران به شماره 389 و 17518-1 و همچنین سایر استانداردهای مربوط به سیمان و مواد جایگزین سیمان تطابق داشته باشد.
روش ملی طرح مخلوط برای طراحی بتن معمولی مورد استفاده در ساخت و ساز تا رده مقاومتی C50 (مقاومت فشاری 50 مگاپاسکال)، عدد اسلامپ 10 تا 210 میلیمتر و حداکثر اندازه اسمی سنگ دانه 9.5 تا 38 میلیمتر به کار میرود. از این روش نمیتوان به طور مستقیم در طراحی بتنهای حجیم، سبک، سنگین و خودمتراکم استفاده کرد.
مقاومت فشاری هدف و حاشیه ایمنی مقاومت
مقاومت فشاری هدف
اولین گام در طراحی مخلوط بتنی، تعیین مقاومت فشاری هدف و حاشیه ایمنی مقاومت است. برای محاسبه مقدار مقاومت هدف، از مقدار مقاومت مشخصه بتن از تئوری تئوری خطا و به كمك منحنی خطای نرمال استفاده میشود. و در نهایت با استناد به ضوابط پذيرش بتن در كارگاه مقاومت هدف طرح بدست میآيد. در روش ملی طرح مخلوط بر اساس مقررات ملی ساختمان مبحث نهم و سایر مشخصات فنی عمومی کارهای ساختمانی مقدار ماکسیمم به دست آمده از دو رابطه زیر همان مقاومت هدف طرح میباشد.
– اگر مقاومت فشاری مشخصه نمونه استوانه ای بتن از 20 نیوتون بر میلی متر مربع کمتر باشد. در رابطه دوم میتوان به جای عدد 4 از عدد 3 استفاده کرد.
انحراف معيار (استاندارد) مقاومت بتن
در روابط بالا انحراف معيار (استاندارد) مقاومت بتن وجود دارد که باید تعيين شود. روش تعيين انحراف معيار (استاندارد) مقاومت بتن به حالات زیر تقسیم بندی میشود:
- حالت اول شامل حالتی است که قرار است بتن ساخته شده در کارگاه فعالی که نتایج آماری آن در دسترس است ساخته شود که محاسبه انحراف معيار (استاندارد) مقاومت بتن در این حالت در ادامه معرفی میشود.
- حالت دوم شامل حالتی است که دادههای آمار خود کارگاه ساخت بتن در دسترس نیست اما نتايج آماري مقاومت فشاری نمونه استوانهای در پروژه مشابه (كارگاه مشابه) وجود دارد بنابراین انحراف معيار مقاومت بتن بر اساس دادههای کارگاه مشابه محاسبه میشود که نحوه محاسبه آن مشابه حالت اول است.
- حالت سوم، حالتی است که در آن داده آماری نه از خود کارگاه و نه از کارگاه مشابه وجود ندارد. در این حالت برای محاسبه انحراف معيار (استاندارد) مقاومت بتن بر اساس رتبه بندی كارگاه و وضعيت توليد بتن (سطح كنترل كيفی و نظارت كارگاهی حین توليد بتن) مطابق جداول شماره 2 تخمین زده میشود.
- آخرین حالت، حالتی است که در آن انحراف معيار (استاندارد) مقاومت بتن بر اساس تجربيات شخصی طراح مخلوط و تشابه سازی كارگاه با استناد به جدول 2 حدس زده میشود.
محاسبه انحراف معيار (استاندارد) مقاومت بتن با استفاده از نتایج آماری به شرح زیر است (حالت اول و دوم):
در صورت داشتن حداقل 30 داده آماری متوالی (مقاومت مشخصه نمونه استوانهای به صورت متوالی و تصادفی یادداشت شود.) مقدار انحراف معیار استاندارد از رابطه زیر محاسبه میشود.
در صورت در دست داشتن تعداد نمونه کمتر از 30 باید یک ضریب اصلاح در انحراف معیار مقاومت فشاری ضرب شود که از رابطه زیر محاسبه میشود.
– لازم به ذکر است در صورت استفاده از دادههای کارگاه مشابه پروژه موجود با پروژه مشابه باید از نظر نوع و مشخصات فنی تشابه داشته باشد اما الزاماً مطابقت مد نظر نيست.
– همچنین مقدار اختلاف مقاومت فشاری هدف پروژه مشابه با پروژه موجود نباید از 5 مگاپاسکال بیشتر باشد.
تعيين انحراف معيار در صورت عدم دسترسی به اطلاعات آماری بر اساس جداول زیر تخمین زده میشود(حالت سوم و چهارم):
در روش طرح ملی اختلاط بتن به طور کلی کارگاههای ساخت بتن با توجه به وضعيت نظارتی و كنترل كيفي كارگاهي به سه دسته تقسیم میشوند (جدول 4). که این معیارها در جدول شماره 5 آورده شده است.
اگر نتوان انحراف معيار را بدست آورد يا حدس زد وبه هيچ گونه اطلاعات خاصی از داده ها دسترسی وجود نداشت میتوان از حاشیه امنیت مقاومت استفاده کرد. حاشیه امنیت مقاومت مشخضه (SM) بر اساس جدول شماره 6 به دست میآید و با مقاومت مشخصه جمع شده تا مقاومت فشاری هدف حاصل شود.
مراحل روش ملی طرح مخلوط
در روش ملی طرح مخلوط بتن گامهای زیر را باید دنبال کنید:
گام اول: تعيين نسبت آب به سيمان
اولین قدم در طرح اختلاط بتن، تعیین نسبت آب آزاد بتن به سیمان است. این مقدار برای انواع سیمان، در صورت استفاده از مواد افزودنی، شکل سنگدانه و سن مقاومت نمونه متفاوت است و باید اصلاح شود. دو نمودار زیر مقدار نسبت آب به سیمان برای سه رده سیمان 325، 425 و 525 تیپ I بدون اضافه کردن افزودنی بر اساس مقاومت فشاری هدف نمونه استوانهای 28 روزه برای هر دو نوع شکل ظاهری شن تیزگوشه و گردگوشه نشان میدهد. شکل 5 این نسبت را در صورت عدم استفاده از روان کننده نشان میدهد و شکل 6 این نسبت را در صورت استفاده از روان کننده نشان میدهد.
در کنار شکل روابطی را بر حسب x و y مشاهده میکنید که با جایگذاری مقدار مقاومت فشاری هدف را به جای y بر حسب نیوتون بر میلیمتر مربع (مگاپاسکال) جایگذاری کنید و x (نسبت آب به سیمان) را بدست بیاورد.
منحنیهای شکل 5 و 6 برای مخلوط بتنی با 1 تا 2 درصد هوای غیرعمدی و سنگدانه با حداکثر اندازه 19 الی 25 میلیمتر استفاده میشود. ضریب اصلاح برای تغییرات میزان هوای غیر عمدی و حداکثر اندازه سنگدانه برای نسبت آب به سیمان چندان ضروری نیست.
نسبت آب به سیمان برای موارد نیز احتیاج به محاسبه ضریب اصلاح دارد:
- اصلاح به دلیل استفاده مواد حباب هوا ساز: استفاده از مواد حباب هواساز برای افزایش درصد حباب عمدی در مخلوط بتن نیاز به اصلاح در نسبت آب به سیمان دارد. به ازای هر 1 درصد حباب هوای عمدی در مخلوط بتن باید 5 درصد از نسبت آب به سيمان بکاهید. به این دلیل که افزایش درصد حباب هوا از مقاومت بتن میکاهد.
- اصلاح به دلیل شکستگی سنگدانه: اگر سنگدانه مورد استفاده بین گرد یا شکسته باشد، درصد شکستگی سنگدانه های مورد استفاده با مشاهده میتوان حدس زد و با استفاده از فرآیند درون یابی میتوان نسبت آب به سیمان را اصلاح کرد.
- اصلاح به دلیل مقاومت ملات سیمان: سیمان مورد استفاده در ملات ممکن است مقاومت متفاوتی داشته باشد. ضریب R برای اصلاح نسبت آب به سیمان از رابطه زیر محاسبه میشود.
4.اصلاح به دلیل سن مقاومت مشخصه: اگر مقاومت فشاري 28 روزه ملات ماسه سيمان استاندارد كه طبق روش استاندارد ملي ايران به شماره 393 کمتر از 325 کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد باید طبق جدول 8 ضریب اصلاح شود.
گام دوم: تعيين مقدار آب آزاد بتن
در این مرحله میزان آب آزاد بتن بر اساس کارآیی مورد نیاز مخلوط تعیین میشود. بر اساس عدد افت اسلامپ در استاندارد ایران 4 رده اسلامپ وجود دارد. مقدار آب آزاد بتن به عواملی مثل عدد اسلامپ، حداکثر اندازه شن (سنگدانه) و شکل دانه های سنگی بستگی دارد.
پس از تعیین کلاس اسلامپ و مدول نرمی سنگ دانه مقدار آب آزاد را محاسبه کنید.
شکل 7 : رابطه مقدار آب آزاد بتن و مدول نرمی سنگدانه هنگامی كه به آب کم نياز است (به دليل گردگوشگی سنگدانه ها)
شکل 8 : رابطه مقدار آب آزاد بتن و مدول نرمی سنگدانه هنگامي كه به آب زياد نياز است (به دليل تيزگوشگی سنگدانه ها)
اصلاح آب آزاد بتن:
– معمولا سنگدانه مورد استفاده در بتن حالتی بین گردگوشه و تیزگوشه است. بنا بر درصد شکستگی سنگدانه باید میزان آب آزاد درون یابی شود.
– عیار سیمان استفاده شده در این نمودارها 350 Kg/m^3 است. اگر عیار سیمان استفاده شده متفاوت باشد به ازای هر 10 kg/m^3 تغییر در عیار سیمان مقدار آب آزاد بین 1.5-2 کیلوگرم بر متر مکعب بتن در همان جهت تغییر میکند.
– به ازای هر کیلوگرم دوده سیلیس افزوده شده به طرح مخلوط 0.75-1 کیلوگرم به مقدار آب آزاد بتن باید اضافه شود.
– برای افزودن پزولان و سرباره کوره آهن گدازی مقدار آب آزاد تغییری نمیکند.
– در صورت ایجاد یک درصد حباب هواب عمدی در بتن به کمک افزودنی حباب هوازا بین 2.5 درصد از آب مورد نیاز بکاهید.
– مقدار آب آزاد بتن باید باید با مقدار آب مورد نیاز برای اشباع با سطح خشک سنگدانهها جمع شود.
– در صورت استفاده از مواد افزودنی روان کننده معمولی، مقدار آب آزاد از 5 الی 12 درصد کاهش پیدا میکند و اگر از مواد افزودنی فوق روان کننده استفاده شود 12 الی 35 درصد از مقدار آب آزاد کاسته میشود.
گام سوم: تعيين مقدار سيمان در بتن
اکنون با داشتن نسبت آب به سیمان و مقدار آب آزاد بتن، میتوان مقدار سیمان را به دست آورد.
مقدار سیمان محاسبه شده باید با حداکثر سیمان و حداقل سیمان در بتن مقایسه شود، اگر از حداقل مقدار سیمان کمتر باشد، باید حداقل مقدار سیمان انتخاب شود و اگر از حداکثر مقدار سیمان بیشتر باشد باید به این نکته توجه کنید که ممکن است مخلوط کارآیی مورد نظر را نداشته باشد.
در صورتی که مواد افزودنی مثل دوده سیلیس و خاکستر جایگزین مواد سیمانی بشود باید مقدار آب آزاد و سیمان بر حسب فاکتور k محاسبه شود.
فاکتور اصلاح k برای دوده سیلیس
حداکثر مقدار دوده سیلیس در سیمان مساوی یا کمتر از 11 درصد وزنی سیمان باید باشد. اگر بیشتر از 11 درصد وزنی بخواهیم دوده سیلیس استفاده کنید، مقدار مازاد در تعیین رابطه w/(c+kf) و محاسبه حداقل مقدار مواد سیمانی منظور نمیگردد. در جدول زیر مقادیر k بر حسب نوع سیمان مصرفی مشخص گردیده است.
فاکتور اصلاح k برای خاکستر بادی
حداکثر مقدار خاکستر بادی در سیمان مساوی یا کمتر از 33 درصد وزنی سیمان باید باشد. اگر بیشتر از 33 درصد وزنی بخواهیم از خاکستر بادی استفاده کنید، مقدار مازاد در تعیین رابطه w/(c+kf) و محاسبه حداقل مقدار مواد سیمانی منظور نمیگردد. در جدول زیر مقادیر k بر حسب نوع سیمان مصرفی مشخص گردیده است.
مقدار سیمان به اضافه ضریب اصلاح در خاکستر بادی نباید از حداقل سیمان مورد نیاز برای شرایط دوام باشد. مقدار سیمان کاهش یافته نباید از مقدار زیر بیشتر باشد.
نحوه استفاده از رابطه بالا به این صورت است که ابتدا بر اساس شرایط دوام حداقل مواد سیمانی مشخص می شود و این مقدار در رابطه بالا به جای عبارت min cement جایگزین میشود و k هم از جدول مربوطه خوانده شده و جایگذاری میشود. مقدار به دست آمده حداکثر مقداری است که میتوان از سیمان مخلوط کاست.
گام چهارم: تعيين مقدار سنگدانه بتن
مقدار سنگدانه اشباع با سطح خشک اخرین مقدار مجهول در اجزای اصلی بتن است که با استفاده از فرمول زیر (رابطه حجم مطلق) محاسبه میشود:
گام پنجم: انتخاب محدوده منحني مخلوط سنگدانه بتن
پس از تعیین مقدار سنگدانه، نوبت به انتخاب دانهبندی سنگدانه میرسد. برای ساخت بتن مورد نظر بسته به کارآیی باید منحنی دانهبندی تعیین شود. بر اساس نوع کاربری بتن و حداکثر اندازه سنگدانه (شن) منحنی مورد نظر را انتخاب کرده و نسبت شن به ماسه را محاسبه میکنیم.
در ادامه جداول منحنیهای دانهبندی بر اساس حداکثر اندازه سنگدانه 9.5، 19، 25 و 37.5 میلی متر وجود دارد و نسبت اختلاط ریزدانه و درشت دانه تعیین میشود. مقدار خمیر سیمان تابعی از مساحت سنگدانه و فضای بین آن است. با افزایش فضای بین سنگدانه مقدار خمیر سیمان مورد نیاز افزایش مییابد. بهترین دانه بندی (فضای خالی کمتر) زمانی اتفاق میافتد که از تمام محدوده دانهها وجود داشته باشد.
معمولا در تولید سنگدانه، دانه بندی آنها با دانه بندی استاندارد مطابقت ندارد بنابراین با استفاده از الگوریتم آزمون و خطا، سنگدانه ها با دانه بندی متفاوت را با هم ترکیب کرده تا دانه بندی مورد نظر به دست بیاید. در منحنی های استاندارد زیر حروف A، B و C نشان دهنده محدوده دانه بندی درشت، متوسط و ریز است.
چند یک کاربردی از مسائل طرح اختلاط
مثال 1: فرض کنید که بتنی برای ساخت المانهای سازه ای در یک ساختمان بتن معمولی نیاز داریم. بتن مورد نظر در کامیونهای تراک میکسر حمل شده و توسط پمپ و لوله به داخل قالب ریخته میشود. رده کارگاه تولید بتن “ب” است. طرح مخلوط را بر اساس اطلاعات زیر به دست آورید.
– مقاومت مشخصه استوانهای 28 روزه 25 مگاپاسکال
– اسلامپ متوسط پس از 5 دقیقه 140 میلی متر، پس از 60 دقیقه 110 میلی متر
– حداقل سیمان مجاز بر اساس معیار دوام 325 کیلوگرم
– حداکثر سیمان مجاز بر اساس معیار دوام 425 کیلوگرم
– دمای لازم متوسط
– سیمان مورد استفاده پرتلند تیپ 2 با چگالی 3.15 گرم بر سانتی متر مکعب
– مشخصات دانهها و دانه بندی آن ها به شرح زیر است:
– منحنی دانه بندی شن و ماسه به شرح زیر است:
حل:
گام اول تعیین مقاومت فشاری هدف
– رتبه بندی کارگاه “ب” و مقاومت مشخصه 25 مگاپاسکال
بزرگترین مقدار به عنوان مقاومت هدف در نظر گرفته میشود. که این مقدار 32.5 مگاپاسکال است.
گام دوم تعیین نسبت آب به سیمان
در این محصول روان کننده استفاده نمیشود.
درصد شکستگی 50 درصد است.
اصلاح نسبت آب به سیمان صرفا برای نوع سیمان انجام داده میشود:
گام سوم تعيين سهم سنگدانه ها با توجه به دانه بندي مطلوب
مشخص است كه حداكثر اندازه اسمي دانه با توجه به درصد عبوری از الک با بُعد 19 میلی متر که 90 درصد است میتوان تعیین کرد. با استفاده از جدول مطلوب دانه بندی و نوع کاربرد بتن، منحنی دانه بندی مطلوب بین محدوده مشخص شده در شکل زیر است.
با استفاده از روش آزمون خطا درصد سنگدانه شن و ماسه برای رسیدن به دانه بندی مطلوب به دست میآوریم.
مخلوط 50-50
استفاده از مخلوط 40درصد شن و 60 درصد ماسه به ما دانه بندی بین محدوده A و B میدهد.
گام چهارم تعيين مدول نرمي مخلوط سنگدانه و چگالي متوسط اشباع با سطح خشك مخلوط سنگدانه
مدول نرمی از جمع درصد تجمعی مانده بر روی الک ها به جز الک شماره 25 است. مقدار مدول نرمی منحنی B با حداکثر بعد 19 میلی متر مقدار 4.86 و مقدار مدول نرمی منحنی A با حداکثر بعد 19 میلی متر مقدار 5.94 است.
برای چگالی مخلوط سنگدانه بر اساس درصد ترکیب یعنی 40 و 60 میانگین گیری وزنی میکنیم.
گام پنجم تعيين مقدار آب آزاد بتن
با توجه به درصد مخلوط شن و ماسه یعنی نسبت 40-60 میتوانیم مقدار متوسط درصد شكستگي معادل را محاسبه کنیم:
با توجه به مدول نرمی 4.91 و رده اسلامپ S3 که با توجه به عدد افت اسلامپ انتخاب شده است.
مقدار آب ازاد از نمودار زیر تعیین میشود:
اگر سنگ دانه کاملا گرد گوشه باشد با توجه به عکس زیر 182 کیلوگرم بر مترمکعب بتن است.
اگر سنگ دانه کاملا تیز گوشه باشد با توجه به عکس زیر 210 کیلوگرم بر مترمکعب بتن است.
این مقدار باید با توجه به درصد شکستگی معادل درونیابی شود:
گام ششم تعيين مقدار سیمان
چون رده اسلامپ رده ای با کارآیی بالا است به منظور دست بالا تر بودن کارآیی مقدار آب آزاد را به بالا گرد میکنیم و عدد 190 کیلوگرم را در نظر میگیریم.
چون مقدار سيمان از حداکثر آن یعنی 350 كيلو بيشتر است باید مقدار آب و سیمان اصلاح شود به طوری که 9 کیلوگرم به آب اضافه میشود و مقدار سیمان حدودا 415 کیلوخواهد شد.
گام هفتم تعيين مقدار سنگدانه
مقدار هوای ناخواسته بر حسب اندازه حداکثر سنگدانه از جدول زیر استخراج میشود.
به دلیل نسبت مخلوط 40-60 مقدار شن و ماسه به ترتیب 678 و 1018 کیلوگرم بر متر مکعب میباشد.
پاسخ به چندین سوال متداول
- چرا روش طرح ملی مخلوط از دیدگاه مهندسین مناسب نیست؟
به دلیل بهره گیری از دانه بندی خاص و متغیر، مصالح سیمانی تولیدی در ایران، روش حجم مطلق این طرح مخلوط از نظر مهندسین چندان مناسب نیست.
- معتبر ترین روشهای طرح مخلوط کدام اند؟
طرح اختلاط به روش معمولی و سریع آییننامه ACI 211-89(آمریکا) و طرح اختلاط بتن به روش آییننامه BS (انگلیس) از روشهای معتبر طرح مخلوط بتن است.
- اگر مخلوط مورد نظر به روانی مورد نظر دست پیدا نکند ساده ترین راه حل چه خواهد بود؟
ساده ترین راه حل افزایش آب آزاد بتن است. با افزایش آن میتوان کارآیی بتن را افزایش داد.
منابع:
- تکنولوژی بتن تالیف دکتر علی اکبر رمضانیان پور و مهندس نگین اعرابی
- روش ملی طرح مخلوط بتن (ویرایش سوم) تالیف مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی
- راهنمای روش ملی طرح مخلوط بتن تالیف مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی در سال 1386
- طرح اختلاط بتن تالیف دکتر علی اکبر رمضانیان پور
- تکنولوژی و طرح اختلاط بتن تالیف دکتر داود مستوفی نژاد
- ACI-211-89
- BS-510