هر آنچه از طرح اختلاط بتن باید بدانید
به فرآیند تعیین نسبت اجزای بتن، طرح اختلاط بتن گفته می شود، به نحوی که بتن تولید شده، تا حد امکان مقرون به صرفه باشد و الزامات مورد نیاز را تامین کند. در این مقاله، به صورت گام به گام، با روش طرح اختلاط بتن آشنا خواهید شد، پس در ادامه با ایران عمران همراه شوید.
1- مقدمه
1-1- کلیات
الزاماتی که طرح اختلاط بتن باید تامین کند، معمولا مقاومت فشاری، کارایی و دوام می باشند. تعیین نسبت اجزای بتن بر اساس روابط تجربی انجام می شود. طرح اختلاط بتن به مفهوم فرآیندی است که طی آن ترکیب مناسب اجزای بتن، طبق مشخصات فنی داده شده، تعیین می گردد. ساز و کار طرح مخلوط پیچیده است، زیرا با تغییر دادن یک متغیر ممکن است خواص بتن به صورت متضاد تحت تاثیر قرار بگیرد. به عنوان مثال، افزودن آب به مخلوط بتن با کارایی کم، ممکن است روانی را افزایش دهد اما مقاومت را کم کند. در حقیقت، کارایی از دو مولفه تشکیل شده است که شامل روانی (آسانی در جاری شدن) و چسبندگی (مقاومت در مقابل جداشدگی ذرات) می باشد که وقتی به مخلوط آب افزوده می شود، ممکن است این دو مشخصه، عملکردی مخالف یکدیگر نشان دهند. بنابراین، طرح اختلاط بتن، هنر متعادل کردن این اثرهای متضاد است. بسیاری از مهندسین، از اینکه نمی توان طرح مخلوط بتن را بر اساس یک سری روابط و محاسبات عددی انجام داد، احساس ناخسنودی می کنند اما با درک صحیح اصول و با کمی تجربه می توان به هنر طرح اختلاط بتن مسلط شد.
در طرح اختلاط ممکن است معیارهای دیگری مانند كاهش جمع شدگی، خزش و … در نظر گرفته شود. هر چند تاكنون تلاش زيادی در خصوص جنبه های نظری طرح مخلوط انجام شده است اما هنوز از روش های تجربی استفاده مي شود. به عبارت ديگر، روش های طرح مخلوط برای انتخاب اوليه نسبت ها مفيد می باشند، اما برای تعيين نسبت نهايی نياز به ساخت مخلوط های آزمايشی و تنظيم نسبت ها وجود دارد. روابط تجربی، به طور معمول به عنوان راهنما مورد استفاده قرار می گيرند و مخلوط های آزمايشی بر اساس اين روابط ساخته می شوند. در صورت مغاير بودن مشخصه بتن تازه و سخت شده مخلوط های آزمايشی با مشخصه مورد نظر، بايد در طرح مخلوط تجديد نظر به عمل آيد. در روش ارائه شده به عنوان روش ملی طرح مخلوط بتن، تطابق با استاندارد سنگدانه های بتن (استاندارد ملی ايران به شماره 302) و همچنين آيين نامه بتن ايران و ويژگی های سيمان پرتلند (استاندارد ملی ايران به شماره 389)، در نظر گرفته شده است.
قابل ذكر است كه روش ارائه شده به عنوان راهنمای اوليه طرح مخلوط بتن به كار می رود و بايد مخلوط های آزمايشی در آزمايشگاه و همچنين مطابق با شرايط كارگاه ساخته شوند و پس از بررسی نتايج مقاومت فشاری و ديگر الزامات طرح، نسبت های مخلوط، نهايی گردند.
2-1- دامنه کاربرد
دامنه كاربرد اين روش طرح مخلوط بتن به شرح زير است :
- تعيين نسبت های اختلاط اجزای بتن های معمولی مورد مصرف در ساختمان ها و سازه های بتنی متعارف
- دستيابی به مشخصات فنی مورد انتظار از بتن كه اين مشخصات فنی مورد نظر معمولاً بر اساس آيين نامه های معتبر، تعيين و ملاك عمل قرار می گيرند. مشخصات فنی می توانند شامل مقاومت مشخصه فشاری، پارامترهای دوام، حداكثر اندازه سنگدانه، پوشش روی ميلگردها و … باشند.
- اين روش، برای طرح مخلوط بتن های ويژه مانند بتن های حجيم، بتن های سبك، بتن های سنگين و … مستقيماً قابل استفاده نمی باشد و برای اين نوع بتن ها، اين روش با اعمال تمهيدات خاص و تغييراتی، قابل استفاده است.
2- مبانی طرح اختلاط بتن
1-2- حاشیه ایمنی مقاومت
به دليل تغييرات در مقدار مقاومت بتن، ناشی از غيريكنواختی احتمالی در مصالح، اجزای بتن، ساختن، ريختن، تراكم، عمل آوری و …، مخلوط بتن بايد طوری طرح گردد كه از مقاومت ميانگين بيشتري نسبت به مقاومت مورد نظر برخوردار باشد. بنابراين، مقاومت مشخصه، كه در واقع همان مقاومت مورد نظر در طراحی و ساخت سازه می باشد، بايد به اندازه حاشيه ايمني افزايش داده شود (مقاومت فشاری متوسط لازم). حاشيه ايمنی مقاومت بر اساس اطلاعات آماری تعيين می گردد. روش تعيين حاشيه ايمنی در ادامه همین مقاله شرح داده شده است.
2-2- اندازه گیری روانی
در طرح اختلاط بتن ، برای سنجش روانی بتن، از آزمايش اسلامپ استفاده می شود. طبقه بندی روانی بتن تازه در اين روش، مطابق استاندارد ملی ايران به شماره 3519 در نظر گرفته شده است (جدول 1). باید توجه داشت که اگر اسلامپ بتن تازه کمتر از 10 میلی متر و یا بیشتر از 210 میلی متر باشد، آزمایش اسلامپ دقت مناسبی ندارد و باید از روش های مناسب دیگر برای اندازه گیری روانی استفاده نمود.
جدول 1- طبقه بندی بتن تازه بر اساس مقدار اسلامپ
3-2- آب آزاد
آب آزاد، كل آب مخلوط بتن شامل آب جذب شده توسط سنگدانه ها، برای رسيدن به شرايط اشباع با سطح خشك و همچنين آب آزاد برای انجام شدن هيدراسيون سيمان و تامين كارايی می باشد.
چنانچه در شرايط واقعی، مقدار رطوبت سنگدانه ها در حد كمتر از حالت اشباع با سطح خشك باشد، بايد مقدار آب مورد نياز برای رساندن سنگدانه به حالت اشباع با سطح خشك تعيين و به مقدار آب اختلاط افزوده شود و در صورتی كه مقدار رطوبت سنگدانه ها بيش از رطوبت سنگدانه در حالت اشباع با سطح خشك باشد، بايد مقدار آب معادل رطوبت اضافی از آب اختلاط كم گردد.
در روش ارائه شده، نسبت آب به سيمان، به صورت نسبت آب آزاد به سيمان در نظر گرفته شده است و مقدار آب آزاد نيز بر اساس رطوبت سنگدانه ها در حالت اشباع با سطح خشك منظور گرديده است.
4-2- نوع سنگدانه ها
دو عامل بسيار مهم كه از ويژگی های سنگدانه است و در مشخصه های بتن اثر می گذارد، شكل ذرات و بافت سطحی سنگدانه است. شكل ذرات، عامل مهمی در کارایی مخلوط است و بافت سطحی در پيوستگي بين خمير سيمان و سنگدانه و مقاومت بتن مؤثر است. در روش ملی طرح مخلوط بتن، سنگدانه از نظر شكل به دو نوع گرد گوشه و گوشه دار (تيزگوشه) تقسيم می شود.
به طور كلی، سنگدانه شكسته شامل ذرات غير منظم و تيز گوشه است و معمولاً بافت سطحی دانه ها نيز زبر می باشد. بنابراين كارايی مخلوط كاهش می يابد اما معمولاً مقاومت آن نسبت به مخلوط با سنگدانه گرد گوشه بيشتر است. لذا انتخاب نوع سنگدانه برای بتن با مقاومت های نسبتاً زياد از اهميت بيشتری برخوردار است و بهتر است كه از سنگدانه های شكسته استفاده شود. لازم به ذکر است که تأثير شكل و بافت درشت دانه ها در اين خصوص بيشتر از ريزدانه ها می باشد.
5-2- دانه بندی سنگدانه ها
دانه بندی سنگدانه ها نيز عامل مهمی در خواص بتن است. معمولاً محدوده دانه بندی طوری در نظر گرفته می شود که از طرفی از حجم فضای خالی بین سنگدانه ها تا آنجا که امکان دارد، كاسته شود و از طرف ديگر، كارايی مناسبی براي بتن تأمين گردد، چرا که اگرچه می توان منحنی دانه بندی و محدوده آن را طوری ارائه كرد كه حداقل فضای منافذ به دست آيد اما ممكن است چنين مخلوطی دارای كارايی مناسبی نباشد.
در روش ملی طرح اختلاط بتن، منحنی های تركيب شن و ماسه با حداكثر اندازه سنگدانه های 9/5، 19، 25 و 37/5 ميليمتر در نظر گرفته شده است، به گونه ای كه با انتخاب درصد مناسب سنگدانه ريز و درشت (استاندارد ملی ايران 302)، توزيع دانه ها مطابق محدوده منحنی های ارائه شده حاصل می گردد.
6-2- سیمان مصرفی
انواع مختلف سيمان و رده مقاومت سيمان در میزان مقاومت بتن و خواص بتن اثر مستقيم دارد. در روش ملی طرح اختلاط، نوع سيمان مصرفی پرتلند با رده های مقاومتی 325، 425 و 525 كيلوگرم بر سانتيمتر مربع (طبق استاندارد ايران) در نظر گرفته شده است. در صورتی كه از انواع ديگر سيمان پرتلند استفاده شود، بايد روند كسب مقاومت و مقدار مقاومت آن بر اساس آزمايش های مربوطه، تعيين و با رده بندی انتخاب شده در اين طرح مطابقت داده شود.
7-2- شرایط عمل آوری و سن آزمایش
معمولاً مقاومت بتن با افزايش سن آن، افزوده می شود اما در بسياری از مشخصات فنی، مقاومت 28 روزه، به عنوان معيار سنجش مقاومت، ذكر می گردد. بر همين اساس، در روش ملی طرح اختلاط بتن، مقاومت آزمونه های استوانه ای بتن كه تا سن 28 روز در شرايط استاندارد عمل آوری شده اند (مطابق با آيين نامه بتن ايران)، در نمودارها و منحنی ها در نظر گرفته شده است.
8-2- دوام بتن
دوام بتن، عملكرد بتن در شرايط محيطی است كه در معرض آن قرار می گيرد و در افزايش عمر مفيد پيشبينی شده آن، بسيار حايز اهميت است. بنابراين نسبت اجزای مخلوط كه در اين روش تعيين می گردد، بايد با مقادير مجاز در مشخصات فنی خصوصی و همچنين آيين نامه بتن ايران، مقايسه گردد. معمولاً، طرح مخلوط بتن، بر اساس دوام با محدود كردن نسبت آب به سيمان، حداقل و يا حداكثر مقدار سيمان و انتخاب نوع سيمان و يا مواد افزودنی معدنی و شيميايی، صورت می گيرد.
3- تعیین انحراف معیار و مقاومت فشاری متوسط لازم
1-3- مقاومت فشاری متوسط لازم
مقاومت فشاری متوسط لازم مطابق با “آيين نامه بتن ايران”، بايد برابر با بزرگترين مقدار به دست آمده از هر يك از دو رابطه زير در نظر گرفته شود:
روابط 1 و 2
پارامترهایی که در روابط 1 و 2 استفاده شده اند، به شرح زیر می باشند:
2-3- تعیین انحراف معیار
براي تعيين انحراف معيار می توان از دو روش استفاده كرد:
اگر از نتايج آماری پروژه های مشابه قبلی استفاده می شود، انحراف معیار بايد طبق بند 3-2-1 محاسبه گردد. منظور از پروژه های مشابه، پروژه هايی است كه:
- مصالح مصرفی به كار رفته در آن و پروژه موجود، از نظر نوع و مشخصات فنی تشابه داشته باشند.
- شرايط نظارت و كنترل كيفيت آن ها و پروژه موجود، تشابه داشته باشند.
- مقدار تفاوت در مقاومت فشاری مشخصه بتن در آن ها و پروژه موجود از 5 نیوتن بر میلی متر مربع بیشتر نباشد.
در غیر این صورت برای مواردی که اطلاعات آماری وجود ندارد، باید از روش ارائه شده در بند 3-2-2 استفاده شود.
1-2-3- محاسبه انحراف معیار بر اساس نتایج آماری پروژه های قبلی
در این روش بايد بر اساس نتايج مقاومت فشاری آزمونه ها كه از پرونده آزمايش های پروژه های مشابه به دست آمده است، انحراف معيار را با استفاده از رابطه 3 محاسبه كرد:
رابطه 3
در رابطه فوق، هر یک از پارامترهای به شرح زیر می باشند:
- x: مقاومت فشاری آزمونه
- m: میانگین مقاومت فشاری آزمونه ها
- n: تعداد آزمونه ها
باید نتايج آزمايش حداقل 30 نمونه متوالی از پروژه مشابه قبلی موجود باشد. اگر كمتر از 30 نتيجه آزمايش موجود باشد، بايد بر اساس رابطه 4، ضريب اصلاحی برای انحراف معيار در نظر گرفته شود. در رابطه زیر، n، تعداد آزمونه ها می باشد.
رابطه 4
چنانچه نتايج آزمايش حداقل 30 نمونه متوالی موجود نباشد، می توان از دو گروه نمونه های متوالی با مجموع حداقل 30 آزمايش استفاده كرد. در چنين حالتی بايد انحراف معيار دو گروه آزمايش بر اساس رابطه 5 به صورت ميانگين آماری محاسبه گردد.
رابطه 5
در رابطه فوق، هر یک از پارامترهای به شرح زیر می باشند:
- S: میانگین آماری انحراف معیار در گروه نمونه های متوالی
- S1 و S2: انحراف معیار محاسبه شده از دو گروه نمونه های متوالی
- n1 و n2: تعداد نمونه ها در 2 گروه متوالی
اگر از روش محاسبه انحراف معيار بر اساس نتايج پروژه های مشابه استفاده شود، بايد موارد زير در نظر گرفته شوند:
- مقدار انحراف معيار فرض شده بايد پس از كسب اطلاعات كافی در حين اجرای پروژه، بر اساس انحراف معيار واقعی اصلاح گردد.
- در هیچ شرایطی نباید انحراف معیار کارگاهی کمتر از 2/5 نیوتن بر میلی متر مربع در نظر گرفته شود.
2-2-3- تعیین انحراف معیار در صورت دسترسی نداشتن به اطلاعات آماری
در مواردی كه نتايج مقاومت فشاری آزمونه ها از نتايج آماری پروژه های قبلي، در دسترس نباشد، می توان بر اساس سطح نظارت و كنترل كيفيت كارگاه و مقاومت مشخصه بتن، مقدار انحراف معيار (برای مقاومت آزمونه های استوانه ای) را از جدول 2 تخمين زد.
جدول 2- انحراف معیار بر اساس رتبه بندی کارگاه و مقاومت مشخصه بتن
رتبه بندی كارگاه به شرايط توليد، نظارت و كنترل كيفيت بستگی دارد. به طور كلی كارگاه ها به 3 درجه الف، ب و ج تقسيم می شوند. براي تعيين رتبه كارگاه بايد از اطلاعات داده شده در جدول 3 استفاده كرد.
جدول 3- رتبه بندی کارگاه ها بر اساس وضعیت تولید بتن، نظارت و کنترل کیفیت
4- نحوه طرح اختلاط بتن
1-4- گام اول: تعیین نسبت آب به سیمان
نسبت مؤثر آب به سيمان به مفهوم نسبت مقدار آب آزاد به مقدار سيمان در بتن تازه است. ارتباط بين نسبت آب به سيمان و مقاومت بتن بر اين اساس است كه افزايش نسبت آب به سيمان سبب افزايش منافذ مويينه در بتن می شود. بنابراين، با كاهش نسبت آب به سيمان، به مقاومت بتن افزوده می شود. نسبت آب به سيمان اثر قابل توجهی در مقاومت بتن دارد.
از همه مهمتر اينكه وقتی مقدار سيمان تغيير داده می شود و مقدار آب ثابت نگه داشته می شود، روانی بتن به همان نسبت تغيير نمی کند. به عبارت ديگر، افزايش مقدار سيمان تا حد معينی، مقاومت فشاری را افزايش می دهد، زيرا از نسبت آب به سيمان كاسته می شود، اما روانی تقريباً بدون تغيير می ماند. از طرف ديگر، وقتی كه مقدار سيمان ثابت نگه داشته می شود و مقدار آب تغيير می كند، روانی بتن در حدی قابل توجه تغيير می كند. اگر روانی بتن در حد سفت باشد، امكان دارد به دليل عدم تراكم مطلوب، مقاومت فشاری كاهش يابد. با استفاده از شكل 1، بر اساس مقاومت ملات استاندارد سيمان (رده مقاومتی سيمان) و مقاومت فشاری متوسط بتن، نسبت آب به سيمان (w/c) تعيين می گردد. در منحنی های شكل 1، مقدار هوای ناخواسته در بتن 1 تا 2 درصد فرض شده است. همچنين در ارائه منحنی ها، حداكثر اندازه سنگدانه ها 19 تا 25 ميلی متر فرض شده و در يك نسبت آب به سيمان برابر، با كاهش حداكثر اندازه سنگدانه، مقاومت فشاری افزايش می يابد. در صورت استفاده از مواد حباب ساز، به ازای هر يك درصد حباب هوای عمدی (مازاد بر هوای ناخواسته)، بايد 4 درصد از مقدار نسبت آب به سيمان (تعيين شده از شكل 1) كاسته شود تا مقاومت فشاری مورد نظر حاصل گردد. در اين منحنی ها، رده بندی سيمان بر اساس مقاومت استاندارد آنها و همچنين شكل سنگدانه های درشت از نظر تيزگوشه يا گردگوشه بودن در نظر گرفته شده است. به اين نكته بايد دقت كرد كه در طرح اختلاط بتن هایی که فقط معيار مقاومت و روانی بايد كنترل شوند، استفاده از درشت دانه های تيزگوشه و يا گردگوشه چندان تفاوتی ندارد اما اگر نسبت آب به سيمان به عنوان معيار دوام محدود شده باشد، مخلوط بتن با سنگدانه گردگوشه نياز به سيمان كمتری دارد.
شکل 1- رابطه بین نسبت آب به سیمان (w/c) و مقاومت فشاری بتن در سن 28 روزه
2-4- انتخاب منحنی سنگدانه
برای ساخت بتن همگن، ضروری است كه سنگدانه های ريز و درشت به گونه ای با يكديگر مخلوط شوند كه ضمن ايجاد انسجام كافی، بتن نيز دارای كارايی مناسب باشد. بدين منظور بر اساس منحنی های ارائه شده در شكل های 2 تا 5 برای حداكثر اندازه سنگدانه های 9/5، 19، 25 و 37/5 ميلب متر نسبت اختلاط ريزدانه ها و درشت دانه ها تعيين مب گردد. سپس به منظور محاسبه مقدار آب لازم (گام سوم)، مدول نرمی سنگدانه ها محاسبه می شود. برای محاسبه مدول نرمي، بايد مجموع تجمعی وزنی سنگدانه های مانده روی الكهای 37/5، 19 ،9/5 ، 4/75 ، 2/36، 1/18، 0/6، 0/3 و 0/15 میلی متر را بر عدد 100 تقسيم کرد.
اهميت دانه بندی را می توان به اين صورت مطرح كرد كه مقدار خمير سيمان در بتن، تابع فضای خالی بين سنگدانه ها و كل مساحت سطح سنگدانه ها م باشد، زيرا منافذ بين سنگدانه ها توسط خمير سيمان اشغال می گردد و سطح سنگدانه ها بايد با خمير سيمان اندود شود. وقتی كه اندازه سنگدانه يكنواخت باشد، حجم منافذ بين سنگدانه ها افزايش می يابد. اما اگر از سنگدانه هايی با اندازه مختلف استفاده شود، ذرات كوچكتر بين دانه های بزرگتر قرار می گيرند و به اين ترتيب، منافذ كاهش می يابند و از مقدار مورد نياز خمير سيمان كاسته می شود. به طور نظری می توان برای هر حداكثر اندازه سنگدانه، يك منحنی دانه بندی با حداقل فضای منافذ را به دست آورد. اما چنين توزيع اندازه نمی تواند بتن با كارايی مناسب توليد كند، بنابراين بايد بين كارايی و اقتصاد، تعادل برقرار نمود.
معمولاً توليد سنگدانه ها به نحوی است كه دانه بندی آنها كاملاً با دانه بندی استاندارد مطابقت ندارند. لذا ضروری است كه سنگدانه ها با دانه بندی های مختلف به گونه ای اصلاح شوند كه در محدوده های استاندارد سنگدانه های ريز يا درشت و يا مخلوط آنها قرار گيرند. مقاومت بتن ها با نسبت يكسان آب به سيمان، به ويژه در مقادير كم آن، با كاهش اندازه حداكثر سنگدانه، معمولاً افزايش می يابد. دليل اين پديده احتمالاً اين است كه مقاومت پيوستگی بين خمير سيمان و ذرات سنگدانه بزرگ، كمتر از سنگدانه كوچك می باشد، زيرا مساحت ويژه سنگدانه بزرگ، كمتر از سنگدانه كوچك است. از طرف ديگر، افزايش اندازه حداكثر سنگدانه، مقدار آب مورد نياز مخلوط را برای كارايی مشخص كاهش می دهد. در نتيجه نسبت آب به سيمان كاهش و مقاومت افزايش می يابد، بنابراين، افزايش اندازه سنگدانه دو اثر متضاد دارد. بر اساس حداكثر اندازه سنگدانه مصرفی در بتن، می توان از شكل های 2 تا 5 منحنی مورد نظر را انتخاب نمود. در شكل های مذكور، حروف B ،A و C نشان دهنده محدوده دانه بندی درشت، متوسط و دانه بندی ريز است.
چنانچه دانه بندی سنگدانه در محدوده 1 قرار بگيرد، منحنی دانه بندی درشت و اگر دانه بندی مطابق با محدوده 2 باشد، منحنی دانه بندی ريز محسوب می گردد. در واقع تمايل به سمت فوقانی منحنی، باعث می شود كه مخلوط داراي بافت ريزتر، چسبنده تر و دارای قابليت پمپ پذيری بيشتری باشد.
منحنی های دانه بندی در شكل های 2 تا 5، درصد تجمعی گذشته از هر الك را بر حسب حجم نشان می دهد. اگر چگالی ذرات سنگدانه ها با اندازه های مختلف، يكسان باشد، می توان منحنی ها را به عنوان درصدهای تجمعی وزنی در نظر گرفت. اگر چگالی ذرات سنگدانه با اندازه های مختلف، يكسان نباشد، لازم است منحني های دانه بندی مخلوط سنگدانه به صورت حجمی منظور گردد.
شکل 2- منحنی های دانه بندی مخلوط سنگدانه های ریز و درشت، با حداکثر اندازه 9/5 میلی متر
شکل 3- منحنی های دانه بندی مخلوط سنگ دانه های ریز و درشت، با حداکثر اندازه 19 میلی متر
شکل 4- منحنی های دانه بندی مخلوط سنگ دانه های ریز و درشت، با حداکثر اندازه 25 میلی متر
شکل 5- منحنی های دانه بندی مخلوط سنگ دانه های ریز و درشت، با حداکثر اندازه 37/5 میلی متر
3-4- گام سوم: تعیین مقدار آب آزاد در طرح اختلاط بتن
مقدار آب آزاد بتن، تابع عوامل متعددی مانند كارايی مورد نظر، حداكثر اندازه سنگدانه، دانه بندی و نوع سنگدانه های مصرفی از نظر بافت و شكل است. مقدار آب، مهمترين عامل تأثيرگذار در كارايی بتن می باشد. افزايش مقدار آب، باعث افزايش سهولت ريختن بتن و تراكم پذيری آن می شود. هرچند، افزايش آب، غير از كاهش مقاومت، منجر به جداشدگی ذرات و آب انداختن می گردد.
مقدار آب مخلوط بايد در حدی باشد كه جذب ذرات سنگدانه شود و سپس فضای بين ذرات سنگدانه ها را اشغال كند تا با ايجاد لايه ای از دوغاب سيمان بر روی سنگدانه ها، حالت روغن كاری را به وجود آورد. بر همين اساس، ذرات ريزتر نياز به آب بيشتری دارند. از طرف ديگر، در صورت كمبود ذرات ريز (فيلر يا پركننده)، بتن نمی تواند حالت خميری نشان دهد، بنابراين نمی توان مقدار آب مخلوط را مستقل از دانه بندی سنگدانه در نظر گرفت. با استفاده از منحنی های شكل های 6 و 7 و بر اساس روانی مورد نظر و مدول نرمی مخلوط سنگدانه، می توان مقدار آب آزاد بتن را بر حسب كيلوگرم بر متر مكعب تعيين نمود. شكل 6 را برای سنگدانه هایی كه به مقدار نسبتاً كمی آب نياز دارند، می توان ملاك قرار داد (سنگدانه هايی گرد گوشه با بافت سطحی كاملاً صيقلی).
شکل 6- مقدار آب مورد نیاز بتن بر حسب مقدار روانی و مدول نرمی سنگدانه ها (سنگدانه هایی که به دلیل شکل و بافت خود، به آب کمی نیاز دارند).
شكل 7، در مواردی كه سنگدانه ها به مقدار نسبتاً زيادی آب نياز دارند، به كار برده می شود (سنگدانه های شكسته و با بافت سطحی زبر). همان گونه كه مشاهده می شود، هرچه مدول نرمی بيشتر شود، مقدار آب كمتري در طرح لازم است.
شکل 7- مقدار آب مورد نیاز بتن بر حسب مقدار روانی و مدول نرمی سنگدانه ها (سنگدانه هایی که به دلیل شکل و بافت خود، به آب زیادی نیاز دارند).
این منحنی ها برای بتن هایی با عیار سیمان 350 کیلوگرم بر متر مکعب تهیه شده است، در صورتی که عیار سیمان بیشتری به کار رود، لازم است به ازای هر 10 کیلوگرم بر متر مکعب سیمان، آب را حدود 1 تا 2 کیلوگرم بر متر مکعب، افزایش داد.
در مواردی كه از ماده شيميايی روان كننده يا فوق روان كننده در مخلوط بتن استفاده می شود، می توان مقدار آب مخلوط را حدود 5 تا 30 درصد كاهش داد، بدون آنكه در مقدار اسلامپ مورد نظر تغييری حاصل شود. مقدار آب مورد نياز برای رساندن رطوبت سنگدانه ها از حالت خشك يا مرطوب به حالت اشباع با سطح خشك بايد نسبت به آب آزاد اصلاح شود. همچنين به طور كلی، حباب هوای عمدی موجود در بتن، باعث كاهش آب آزاد برای تأمين كارایی می گردد. به ازای هر يك درصد حباب هوای عمدی (مازاد بر هوای ناخواسته) 2/5 درصد از آب آزاد مورد نياز در مخلوط كاسته می شود.
4-4- گام چهارم: تعیین مقدار سیمان در طرح اختلاط بتن
پس از تعیین مقدار آب آزاد و نسبت آب به سیمان، می توان مقدار سیمان را بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب از رابطه 6 محاسبه کرد.
مقدار سیمان = مقدار آب آزاد تقسیم بر نسبت آب به سیمان
رابطه 6
پس از تعیین مقدار سیمان، لازم است تصحیح مقدار آب با توجه به بند 4-3 انجام شود و مجددا مقدار سیمان تعیین گردد. اين تصحيح فقط يك بار انجام می شود و نيازی به تكرار آن وجود ندارد. مقدار سيمانی كه از رابطه 6 محاسبه می گردد، بايد با مقدار حداكثر يا حداقل اعلام شده در مشخصات فنی و يا الزامات دوام مقايسه گردد. چنانچه مقدار سيمان محاسبه شده بيشتر يا كمتر از مقدار مورد نظر باشد، بايد آن مقدار مورد نظر انتخاب گردد. در صورتی كه از مواد افزودنی معدنی جايگزين سيمان (مانند دوده سيليسی و يا خاكستر بادی) استفاده می شود، بايد مقدار آب مورد نياز و مواد سيمانی با در نظر گرفتن فاكتور مؤثر k محاسبه گردد.
اثر فاكتور k در تعيين دو عامل زير در نظر گرفته می شود:
- در تعيين نسبت آب به مواد سيمانی (نسبت آب به سيمان به صورت (مواد افزودنی × w / c + k مطرح می شود).
- در محاسبه حداقل مقدار مواد سيمانی
در مخلوط های با عيار كم سيمان (300 کیلوگرم بر متر مکعب)، ممکن است مخلوط طراحی شده به علت كمبود ذرات ريز، خشن گردد. لذا در اين موارد توصيه می شود از مواد زير برای جبران كمبود ذرات ريز استفاده شود:
- پوزولان استاندارد (بر اساس استاندارد ملی ايران 3433)
- پودر سنگ آهك استاندارد
1-4-4- فاکتور k برای خاکستر بادی
حداكثر مقدار خاكستر بادی بايد مساوی و كمتر از 33 درصد وزنی سيمان باشد. چنانچه مقدار جايگزينی بيشتر از 33 درصد وزنی سيمان باشد، مقدار مازاد در تعيين رابطه (w / (c+kf و محاسبه حداقل مقدار مواد سيمانی منظور نمی گردد. برای سیمان با رده مقاومتی 325 مقدار k برابر 0/2 و برای سیمان با رده مقاومتی 425 و بیشتر، مقدار k باید برابر 0/4 در نظر گرفته شود.
در مواردی که حداقل مقدار مواد سیمانی با در نظر داشتن ویژگی های دوام تعیین می گردد، اجازه داده می شود حداکثر به اندازه مقدار زیر، از مقدار سیمان کاسته شود، به شرط اینکه مقدار مواد سیمانی (سیمان + خاکستر بادی) کمتر از حداقل مقدار سیمان تعیین شده بر اساس دوام نباشد.
2-4-4- فاکتور k برای دوده سیلیسی
حداكثر مقدار دوده سيليسی بايد مساوی و كمتر از 11 درصد وزنی سيمان باشد. چنانچه مقدار جايگزينی دوده سيليسی بيش از 11 درصد باشد، مقدار مازاد در تعيين رابطه (w / (c+ks و تعيين حداقل مقدار مواد سيمانی منظور نمی گردد. برای مقدار آب به سیمان کوچکتر یا مساوی 0/45 یا مقدار آب به سیمان بزرگتر از 0/45، مقدار k برابر 2 می باشد فقط باید به این نکته توجه داشته باشید که در حالتی که مقدار آب به سیمان بیشتر از 0/45 است، در صورتی که احتمال خوردگی ناشی از کربناتاسیون و تهاجم ناشی از یخ زدن و آب شدن بدون استفاده از مواد حباب ساز وجود داشته باشد، باید مقدار k برابر 1 در نظر گرفته شود.
مقدار (سیمان + k × دوده سیلیسی) نباید کمتر از حداقل سیمان مورد نیاز برای شرابط دوام باشد. در مواردی که به علت الزامات دوام، مقدار حداقل سیمان، مساوی یا کمتر از 300 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شود، نباید، مقدار کاهش سیمان محاسبه شده، در جایگزینی با دوده سیلیسی بیشتر از 30 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شود.
5-4- گام پنجم: تعیین مقدار سنگدانه در طرح اختلاط بتن
مقدار سنگدانه های اشباع با سطح خشک، آخرین جزء مجهول بتن در این روش طرح اختلاط بتن می باشد که طبق رابطه 7 تعیین می گردد.
رابطه 7
هر یک از پارامترهای رابطه فوق به شرح زیر می باشند:
پس با توجه به سهم به دست آمده برای سنگدانه های ریز و درشت در مخلوط سنگدانه و با در نظر گرفتن حجمی بودن دانه های ارائه شده در بخش 4-2، مقدار حجم سنگدانه های ریز و درشت به تفکیک به دست می آید. با ضرب چگالی ذرات سنگدانه های ریز و درشت در حجم سنگدانه های متناظر آن ها، وزن سنگدانه های ریز و درشت به تفکیک در حالت اشباع با سطح خشک تعیین می شود.
همچنین در جدول 4، مقدار درصد هوای ناخواسته موجود در بتن، بر اساس حداکثر اندازه سنگدانه به عنوان راهنما، ارائه شده است.
جدول 4- مقدار درصد هوای ناخواسته در بتن
کارایی بتن یکی از پارامترهای موثر در مقدار هوای ناخواسته می باشد، لذا جهت تعیین درصد هوا با توجه به محدودیت های ارائه شده در جدول 4، چنانچه کارایی نسبتا زیاد باشد، از مقادیر کم هوا و اگر کارایی در حد کم باشد، باید از مقادیر زیاد هوا استفاده گردد.
منبع: نشریه شماره ض-479 با عنوان روش ملی طرح مخلوط بتن، تهیه شده توسط مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن. بازنشر توسط ایران عمران
دیدگاهتان را بنویسید