مقدمه

تعیین طرح اختلاط بتن یا تعیین نسبت مخلوط های بتن، روندی است که طی آن می توان به ترکیب درست سیمان، سنگدانه ها، آب و مواد افزودنی برای ساخت بتن طبق مشخصات داده شده، رسید. با اینکه تا به امروز چندین اصل فنی دقیق در مورد تعیین نسبت اختلاط بتن ثبت شده، اما به دلایل مختلف ثابت شده که این روندها متکی بر مبانی علمی نبوده و بیشتر یک هنر تجربی محسوب می گردد.

هر چند که اغلب ما مهندسین با موضوعاتی که روابط ساده مشخصی (مانند رابطه کمانش عضو فشاری – رابطه اویلر) برای آنها تدوین نشده، احساس راحتی نمی کنیم اما با علم به این موضوع که نسبت های اختلاط می توانند تاثیر بسزایی در قیمت و خواص بتن (از قیبل کارایی، مقاومت و دوام) داشته باشند، ناگزیر با درک اصول اساسی و تا اندازه ای تکرار و تمرین می توانیم این هنر تجربی را بیاموزیم که اتفاقا پاداشی بزرگ (که از جمله آن کاهش قیمت و افزایش مقاومت بتن است) نصیب ما خواهد کرد.

 

Blog961000 #49 - Concrete Mix Design 001-2

 

بر این اساس در این پست قصد دارم تعیین طرح اختلاط بتن را به سادگی تمام بصورت گام به گام بر اساس ضوابط ACI211.1 برای انتخاب نسبت های اجزای بتن معمولی به روش حجم مطلق (که دارای دقت بیشتری نسبت به روش وزنی است) را تشریح کنم. پس کاغذ و قلمتان را بردارید تا شروع کنیم.

گام اول: انتخاب اسلامپ

اگر اسلامپ خاصی مد نظر نباشد، میتوان از جدول (۱) مقدار مناسب اسلامپ را انتخاب نمود. فقط به این نکته توجه کنید که باید از سفت ترین مخلوط که کمترین روانی را دارد و در عین حال می توان بدون جداشدگی آنرا جایدهی و متراکم کرد، استفاده نمود.

 

جدول ۱ – اسلامپ توصیه شده برای انواع مختلف سازه ها

Blog961000 #49 - Concrete Mix Design 002

 

گام دوم: انتخاب اندازه حداکثر سنگدانه ها

در نظر داشته باشید که در حجم ثابت سنگدانه درشت، استفاده از اندازه بزرگتر (البته با دانه بندی مناسب) باعث کاهش فضای منفذی شده که این امر در کاهش ملات مورد نیاز در واحد حجم بتن موثر است. بطور کلی، حداکثر اندازه سنگدانه درشت باید بزرگترین اندازه باشد که موجود و اقتصادی بوده و با ابعاد سازه مطابقت داشته باشد. در هیچ حالتی اندازه حداکثر سنگدانه درشت نباید از:

  • یک پنجم کوچکترین بعد قالبها
  • یک سوم ضخامت دال
  • سه چهارم حداقل فاصله آزاد بین آرماتورها،

بیشتر انتخاب گردد.

گام سوم: تخمین آب مخلوط

مقدار آب مورد نیاز برای هر واحد حجم بتن، که اسلامپ مورد نظر را تولید کند، تابع حداکثر اندازه ذرات، شکل و دانه بندی سنگدانه و همچنین مقدار حباب هوای وارد شده است. جالب است که این مقدار چندان تحت تاثیر مقدار سیمان در مخلوط (عیار سیمان) نیست. با فرض ذرات سنگدانه با شکل معمولی و دانه بندی مطلوب، مقدار آب مخلوط را می توان از جدول (۲) تخمین زد.

نکته: این مقدار آب اصطلاحا آب آزاد مخلوط نامیده می شود. آب آزاد یعنی مقدار آبی که در شرایط سنگدانه های اشباع با سطح خشک [SSD] نیاز است به مخلوط اضافه شود. بنابراین در طرح اختلاط بتن، سنگدانه های بکار رفته باید رطوبت SSD را دارا باشند.

 

جدول ۲ – آب مخلوط تقریبی و مقدار هوای مورد نیاز

Blog961000 #49 - Concrete Mix Design 003-2

 

نکته: روش دیگری جهت تعیین آب مخلوط که اغلب مورد پسند دستگاه نظارت کارگاهی می باشد، روش چشمی نام دارد. در این روش بعد از ترکیب سیمان و سنگدانه توسط بچینگ یا دستگاه بتنیر، آب ذره ذره بصورت چشمی به مخلوط اضافه می گردد و همزمان عمل اختلاط انجام می شود تا مخلوط به اسلامپ مورد نظر نزدیک شود. بعد از اتمام اختلاط و ثبت وزن آب اضافه شده، از مخلوط آزمایش اسلامپ و نمونه برداری صورت می گیرد. اگر بعد از شکستن نمونه ها در سن ۷ روزه مقاومت بتن به حداقل ۷۰ درصد مقاومت ۲۸ روزه (یا همان مقاومت طرح) نائل گردید (البته برای سیمان تیپ ۱)، طرح اختلاط مورد پذیرش قرار خواهد گرفت.

گام چهارم: انتخاب نسبت آب به سیمان

نسبت آب به سیمان بسیار پارامتر حائز اهمیتی در تعیین مقاومت بتن می باشد. توصیه می شود این مقدار بوسیله آزمایشگاه بتن برای مصالح واقعی اندازه گیری گردد. با این حال در صورت فقدان چنین امکاناتی مقادیر محافظه کارانه برای سیمان تیپ ۱ از جدول (۳) قابل استخراج است.

نکته: طبق تجربه نگارنده جدول زیر برای شرایط آب و هوایی خشک نظیر تهران مناسب است. در صورت انجام اختلاط در مناطقی با درصد رطوبت بالا (مانند رشت) توصیه می شود حدود ۱۰ الی ۱۵ درصد از مقادیر زیر بکاهید.

 

جدول ۳ – ارتباط بین مقاومت فشاری بتن و نسبت آب به سیمان

Blog961000 #49 - Concrete Mix Design 004

 

گام پنجم: محاسبه مقدار سیمان

مقدار وزن سیمان مورد نیاز مساوی با مقدار وزن آب مخلوط (بدست آمده از گام سوم) تقسیم بر نسبت آب به سیمان (بدست آمده از گام چهارم) است.

گام ششم: تخمین مقدار سنگدانه های درشت

با استفاده از ماسه ریزتر و اندازه بزرگتر دانه های شن، به حجم سنگدانه های درشت افزوده شده و می توان مخلوط بتنی با کارایی مطلوب ایجاد نمود. در جدول (۴) می توانید مقدار حجم سنگدانه درشت در واحد حجم بتن را بدست آورید. توجه داشته باشید که احجام در شرایط خشک – متراکم شده مانند آنچه در ASTM C29 بعنوان وزن مخصوص سنگدانه آورده شده می باشد. برای بتن با کارایی بیشتر مثلا برای تسهیل پمپاژ بتن می توان مقادیر جدول (۴) را ۱۰ درصد کاهش داد.

وزن مخصوص شن خشک – متراکم حدود ۱۶۰۰ و شن اشباع با سطح خشک (SSD) حدود ۲۵۰۰ کیلوگرم در مترمکعب می باشد. با ضرب وزن مخصوص خشک در اعداد جدول (۴) می توان وزن مورد نیاز شن در واحد حجم بتن را بدست آورد.

 

جدول ۴ – حجم سنگدانه درشت در واحد حجم بتن

 

گام هفتم: تخمین مقدار سنگدانه ریز

پس از اتمام گام ششم، تمام اجزای بتن غیر از سنگدانه ریز تخمین زده شده اند. مقدار ماسه در این مرحله به روش حجم مطلق بشرح زیر تعیین می گردد.

کل حجم اشغال شده توسط اجزای معلوم (آب، هوا، سیمان و شن) از حجم واحد بتن کسر می گردد تا حجم مورد نیاز ماسه بدست آید. سپس حجم بدست آمده در وزن مخصوص ماسه ضرب می گردد تا وزن آن تعیین گردد.

وزن مخصوص ماسه اشباع با سطح خشک حدود ۲۴۰۰ کیلوگرم در مترمکعب می باشد. با ضرب وزن مخصوص در حجم ماسه می توان وزن مورد نیاز ماسه بصورت SSD در واحد حجم بتن را بدست آورد.

گام هشتم: تنظیم رطوبت بتن

با توجه به اینکه سنگدانه های دپو شده خیس می باشند، باید مقدار آب آزاد مخلوط اصلاح گردد. بدین ترتیب بسته به مقدار رطوبت آزاد در سنگدانه ها، آب مخلوط کاهش داده می شود و مقادیر سنگدانه ها متناسبا افزایش می یابند.

تا به اینجا کل روند به ظاهر پیچیده! طرح اختلاط بتن تشریح گردید. در ادامه برای فهم بهتر روند، گام های یک تا هشت با حل یک مثال کاربردی مرور می گردد.

حل مثال:

طرح اختلاط بتن برای مفروضات زیر را تعیین نمایید:

  • عضو سازه ای: 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 می باشد:

 

Blog961000 #49 - Concrete Mix Design 006-5

 

گام اول: اسلامپ بین ۸۰ تا ۱۰۰ میلیمتر داده شده است.

گام دوم: حداکثر اندازه سنگدانه ۳۸ میلیمتر داده شده است.

گام سوم: از جدول (۲) مقدار آب مخلوط برابر ۱۷۷ کیلوگرم و مقدار هوای ناخواسته برابر ۱ درصد بدست می آید.

گام چهارم: مقاومت میانگین با فرض انحراف استاندارد ۴٫۵ بصورت زیر محاسبه می گردد:

fcm = fc + 1.34(S) + 1.5

fcm = 25 + 1.34(4.5) + 1.5 = 32

نسبت آب به سیمان بوسیله درون یابی از جدول (۳) برابر ۰٫۵۳ بدست می آید.

گام پنجم: مقدار سیمان برابر است با:

۱۷۷ / ۰٫۵۳ = ۳۳۴ kg/m3

گام ششم: حجم سنگدانه درشت بر اساس خشک متراکم از جدول (۴) برابر ۰٫۷۱ مترمکعب می باشد که وزن آن برابر است با:

۰٫۷۱ x 1700 = ۱۲۰۷ kg/m3

گام هفتم: جهت تعیین مقدار ماسه باید حجم اجزای معلوم را از حجم کل کاست.

Water Volume: 177 / 1000 = 0.177 m3

Cement Volume: 334 / 3150 = 0.106 m3

سوال: وزن مخصوص سیمان در رابطه بالا ۳۱۵۰ انتخاب شده در صورتیکه در جدول بین ۱۰۰۰ تا ۱۴۴۰ عنوان شده چرا؟ اگر جواب را نگرفتید مجدد مقاله را از اول با دقت مطالعه کنید.

Coarse Agg. Volume (SSD): 1207 / 2700 = 0.447 m3

Air Volume: 0.01 m3

Fine agg. Volume: 1 – (0.177 + 0.106 + 0.447 + 0.01) = 0.260 m3

وزن ماسه در حالت SSD برابر است با:

۰٫۲۶۰ x 2600 = ۶۷۶ kg/m3

نسبت وزنی شن به ماسه برابر ۶۵ به ۳۵ می باشد.

گام هشتم: تنظیم رطوبت برای پیمانه آزمایشی

 

Blog961000 #49 - Concrete Mix Design 007-1

 

بدین ترتیب نسبت های جدید طرح اختلاط با اعمال انحراف رطوبت تعیین گردید. کار تمام شد. امیدوارم مطلب فوق ارزش وقت صرف شده شما را جهت مطالعه دارا باشد.

بروز شده: ۰۲-۰۵-۹۷

CopyRight Caution