تاثیر مصالح در طرح اختلاط بتن

مخلوط بتن از مواد و مصالح دانه‌ای و غیردانه‌ای تولید شده است؛ مصالحی مانند آب، سیمان، سنگدانه و… که به عنوان اجزای اصلی بتن محسوب می‌شوند. آنچه در نسبت‌های اختلاط اهمیت دارد، تعیین مقدار حقیقی این مصالح است؛ به صورتی که فضای خالی میان سنگدانه‌ها در حداقل‌ترین مقدار ممکن باشد و در نتیجه، سیمان کمتری برای پر کردن فضای خالی میان آن‌ها استفاده شود. حال سؤال این‌جاست که چه مقدار از مصالح باید در طرح اختلاط استفاده شوند و به طور کلی، تاثیر مصالح در طرح اختلاط بتن چیست؟ در این مقاله از بلاگ رامکا بر آن هستیم ضمن بررسی مصالح در طرح اختلاط بتن، تأثیر هر یک از آن‌ها را در بتن تولیدی بررسی کنیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

سیمان

جهت تأمین نیازهای مشخص شده در پروژه‌های مختلف، امکان دسترسی به انواع مختلف سیمان وجود دارد. معمول‌ترین سیمان مورد استفاده، سیمان نوع I است. انواعII، IV و V به منظور جوابگویی به نیازهای خاص، از جمله مقاومت در مقابل سولفات و توسعه حرارت کم در نظر گرفته شده‌اند.

مقاومت ۲۸ روزه بتن تولید شده با این سیمان‌ها، معمولاً پایین‌تر از مقاومت بتن تولید شده با مقادیر یکسان از سیمان نوع I است، ولی مقاومت‌های سنین بعدی با نوع I برابر است. سیمان نوع III، معمولاً برای حصول مقاومت فشاری ۷ روزه قابل مقایسه با مقاومت ۲۸ روزه بتن با سیمان نوع I ساخته شده است.

سیمان حاوی ماده حباب هوا ساز

 این سیمان همراه با ماده حباب هوا ساز است و در تولید بتن حاوی حباب هوا، به جای اضافه کردن افزودنی حباب هوا ساز بتن به مخلوط استفاده می‌شود. سیمان‌های حاوی ماده هوا زا، با نام‌هایIA، IIA، IIIA، IVA، VA و ISA در بازار وجود دارند.

دیگر سیمان‌ها و قابلیت تغییر آن

قابلیت توسعه مقاومت سیمان محصول یک کارخانه نسبت به کارخانه دیگر و در بعضی موارد بین دو محموله یک کارخانه، ممکن است متفاوت باشد. بنابراین لازم است جهت تثبیت طرح استفاده از سیمان خاصی که برای پروژه در نظر گرفته شده، با استفاده از تولید جاری کارخانه مربوطه مخلوط‌های آزمایشی ارزیابی شوند.

طی سال‌های اخیر به منظور به حداقل رساندن ترک‌خوردگی در اثر جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن دال‌ها، روسازی‌ها و سازه‌های بتنی، سیمان جبران‌کننده انقباض مورد استفاده قرار گرفته است. ترکیب سیمان به گونه‌ای است که حجم بتن پس از گیرش و حین سخت شدن افزایش می‌یابد.

افزودنی انبساطی را می‌توان طی مرحله آسیاب کردن در کارخانه با سیمان مخلوط نمود یا در کارگاه با کنترل و بازرسی مناسب به مخلوط اضافه کرد. روش‌های توصیه شده برای استفاده از این سیمان را می‌توان در استاندارد ACI 223-83 یافت.

سنگدانه‌ها

سنگدانه‌های به کار رفته در طرح اختلاط بتن انواع گوناگونی دارند. در ذیل تاثیر این مصالح را در طرح اختلاط بتن بررسی خواهیم کرد.

سنگدانه‌های درشت و تاثیر آن در طرح اختلاط بتن

مهم‌ترین خواص سنگدانه‌های درشت که روی مقاومت و نسبت‌های اختلاط بتن مؤثر است، دانه‌بندی، اندازه، شکل و بافت سطحی آن‌ها است. این خواص در انواع مختلف سنگدانه‌های درشت متفاوت است. سنگدانه‌های موجود، معمولاً شن، سنگ شکسته و سرباره کوره آهن‌گدازی هستند. در این میان، سرباره کوره‌های با دهانه باز به عنوان سنگدانه بتن مطلوب نیستند.

سنگ‌های شکسته از نظر شکل زاویه‌دار بوده و معمولاً نسبت به شن، بافت سطحی متفاوتی دارند. سرباره کوره آهن‌گدازی سرد شده در هوا و شکسته از نظر زاویه‌دار بودن شبیه سنگ شکسته‌اند. به علاوه، کیفیت متخلخل و بافتی دارند که بر نسبت‌های اختلاط تأثیر می‌گذارند.

وزن واحد حجم سرباره کوره آهن‌گدازی سرد شده در هوا، معمولاً کمتر از سنگدانه‌های دیگر است و از این رو، مخلوط‌های سرباره‌ای کاملاً متفاوتند. قابلیت کسب مقاومت که از بافت سطحی، مقاومت سنگدانه و آب مورد نیاز هر سنگدانه تأثیر می‌پذیرد، در مخلوط‌های آزمایشی نمایان است.

سنگدانه‌هایی که متشکل از ذراتی با بافت زبر یا مقدار زیاد دانه‌های پولکی یا طویل باشند، نسبت به سنگدانه‌های تشکیل شده از ذرات نسبتاً صاف، گرد یا مکعبی نیاز به نسبت‌های اختلاط متفاوتی دارند. این ویژگی‌ها نسبت‌های بیشتری از ماسه را می‌طلبد که در محاسبات طرح اختلاط به روش حجم خشک میله خورده تأمین می‌شود.

دانه‌بندی سنگدانه‌های درشت نیز در روش حجم خشک میله خورده ثابت به وسیله مقدار حفره‌ها انعکاس می‌یابد. تغییرات دانه‌بندی سنگدانه‌های درشت در محدوده مقادیر مختلف حداکثر اندازه در نظر گرفته نمی‌شود، اما در صورتی که حدود حداکثر اندازه در محدوده مشخصات دانه‌بندی متداول واقع ‌شود، این عدم توجه دارای اهمیت عملی اندک خواهد بود.

سنگدانه‌های ریز و تاثیر آن در طرح اختلاط بتن

مدول نرمی،‌ روش متداولی برای بیان دانه‌بندی کل ماسه است. مدول نرمی‌ عددی است که از مجموع درصدهای تجمعی دانه‌های مانده روی الک‌های نمره ۴، ۸، ۱۶ ، ۳۰ ، ۵۰ و ۱۰۰ و تقسیم نمودن آن بر ۱۰۰ حاصل می‌شود.

این مدول نرمی‌ ماسه در محاسبه حجم خشک میله خورده برای طرح اختلاط بر اساس ACI 211-1-91 مورد استفاده قرار می‌گیرد. حدود مجاز مدول نرمی‌ در ASTM C33 ارائه شده و بین ۲٫۳ تا ۳٫۱ محدود گردیده است.

به طور کلی هر چه ماسه ریزتر باشد، نسبت ماسه به سنگدانه درشت در مخلوط پایین‌تر می‌آید. از بکارگیری نوعی دانه‌بندی ماسه که در آن یک یا دو نمونه از اندازه ذرات غالب باشد، باید اجتناب نمود. چنین دانه‌بندی منجر به حفره‌های بزرگ شده و جهت داشتن یک مخلوط کارا نیاز به مقدار بیشتری خمیر سیمان – آب خواهد بود.

بیشترین کارایی زمانی به دست می‌آید که اندازه‌های مختص به ماسه مورد نظر، یک منحنی صاف در محدوده دانه‌بندی تشکیل دهد. پذیرش حدودی برخی مشخصات، همیشه منجر به ایجاد منحنی صاف نمی‌شود.

ماسه مصنوعی و تاثیر آن در طرح اختلاط بتن

ماسه تولید شده از شکستن سنگ، اغلب شامل ذراتی با سطوح زبر و زاویه‌دار است. هنگامی‌ که چنین ویژگی‌هایی با اشکال پولکی و طویل همراه می‌شود، مخلوط بتنی به دست آمده خشن بوده و کارایی مشابه با بتن ساخته شده با ماسه‌های گردگوشه را ندارد. در این حالت لازم است نسبت ماسه افزایش یابد و عموماً مقدار خمیر سیمان و آب بیشتر نیز ضرورت پیدا کند.

برخی ماسه‌های شکسته به دلیل زاویه‌دار بودن و طاقتشان، با سیمان مشخص و حتی مقدار آب بیشتر، مقاومت فشاری بیشتری را نسبت به ماسه طبیعی ایجاد می‌کنند. همه ماسه‌های تولید شده از سنگ شکسته خشن نیستند، بلکه بعضی از آن‌ها که با تجهیزات مدرن در کارخانه‌ها تولید می‌شوند، شبیه ماسه‌های طبیعی رفتار می‌کنند.

سنگدانه‌های سبک و تاثیر آن در طرح اختلاط بتن

 انواع زیادی از سنگدانه‌های سبک وجود دارند که در بتن رفتار متفاوتی نسبت به یکدیگر از خود نشان می‌دهند. بسیاری از آنها زاویه‌دار بوده، بافت سطحی زبری داشته و مخلوط‌های خشنی را تولید می‌کنند. سنگدانه‌های سبک طبیعی، شامل: دیاتومه، پومیس، تفاله معدنی، سرباره‌های آتشفشانی و توف است، ولی به جز در مناطق محدودی که به راحتی در دسترس باشند، به طور وسیع مورد استفاده قرار نمی‌گیرند.

سنگدانه‌های مصنوعی و تاثیر آن در طرح اختلاط بتن

سنگدانه‌های مصنوعی تحت نام‌های مختلف تجاری عرضه می‌شوند. معمول‌ترین و عالی‌ترین آنها از نظر ساختار، رس منبسط شده، شیل، تخته سنگ و انواع خاص خاکستر بادی سخت شده است که بتنی با خواص مقاومتی بسیار خوب تولید می‌کند.

برخی از این سنگدانه‌ها طی روندی که ذرات کروی با سطح غیرقابل نفوذ ایجاد می‌کند و در پایین آوردن جذب و بهبود کارایی مؤثر هستند، تولید می‌شوند. نوع دیگری که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد، سرباره کوره آهن‌گدازی منبسط شده و سرباره‌های صنعتی هستند.

این‌ گروه از مصالح، متخلخل‌تر بوده، معمولاً نرم‌ترند، جذب بیشتری دارند و مقاومت فشاری پایین‌تر و جمع‌شدگی بیشتری نسبت به نوع مصنوعی دارند. پرلیت و ورمیکولیت بسیار سبک‌تر بوده و در نتیجه، باعث پایین آوردن مقاومت و جمع‌شدگی بیشتر می‌شوند و به ندرت برای اهدافی غیر از عایق‌بندی به کار می‌روند.

سنگدانه‌های سنگین و تاثیر آن در طرح اختلاط بتن

این نوع سنگدانه‌ها شامل سنگ‌های معدنی مگنتیت و لیمونیت، باریت، فسفور آهن، براده‌های فولادی، گلوله فولادی و سرب هستند. مشخصات کیفی این مواد در استاندارد ASTM C637 مربوط به سنگدانه‌های با دانسیته بالا ارائه شده است. کاربرد آن‌ها در بتن، اساساً به منظور حفاظت هسته‌ای یا اشعه X یا بتن با دانسیته بالا برای استفاده‌هایی مثل وزنه‌های تعادل پل متحرک است.

دانسیته بالا و زاویه‌دار بودن سنگ‌های معدنی طبیعی، معمولاً مخلوط‌های خشن تولید می‌کنند. این سنگ‌های معدنی تمایل به پودر شدن داشته، جذب بالایی دارند و ممکن است حین حمل و مخلوط کردن شکسته شوند. این مسائل طرح مخلوط را پیچیده می‌کند، ولی می‌توان بتن مطلوبی را با دانسیته‌های حدود ۳۲۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب تا ۴۸۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب ساخت.

سنگدانه‌های سنگین مصنوعی مانند براده‌های فولاد، گلوله فولادی و سرب، بتن با دانسیته به بزرگی ۵۶۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، ولی با تمایل به جداشدگی حین حمل و جای‌دهی تولید می‌کنند. این امر ناشی از دانسیته بالاتر و قابل ملاحظه فلزات در مقایسه با دانسیته سنگدانه‌های ریز و سیمان مورد استفاده در مخلوط است. به منظور تأمین چسبندگی لازم، فولاد باید عاری از روغن باشد. برای بهبود چسبندگی، توصیه می‌شود پیش از استفاده، سطوح دچار خوردگی شده یا فولاد با اسید کنده‌کاری شود.

گرچه خمیر بورون جزو سنگدانه‌های سنگین نیست، اما به واسطه آنکه در بتن محافظ استفاده می‌شود، در این وهله به آن اشاره می‌کنیم. هنگامی‌ که مقدار بورون حدود ½% وزن بتن باشد، در جذب نوترون‌های حرارتی راندمان دارد. در انتخاب نوع خمیر بورون باید دقت نمود. به منظور ممانعت از اثرات کندگیری روی خمیر سیمان، خمیر دارای قابلیت حل پایین نیاز است.

آب

آب مصرفی در ساخت و تولید بتن، باید تمیز و عاری از مقادیر زیان‌آور روغن‌ها، اسیدها، قلیایی‌ها، مواد آلی یا موادی باشد که ممکن است برای بتن یا فولاد زیان‌آور باشند. همچنین آب اختلاط برای بتن پیش ‌تنیده یا بتنی که شامل قطعات آلومینیومی ‌تعبیه شده است، نباید مقادیر زیان‌آور از یون کلرید داشته باشد.

انواع افزودنی بتن

در ادامه این مقاله به بررسی تاثیر این مصالح در طرح اختلاط بتن می‌پردازیم

افزودنی حباب هوا ساز بتن

حباب هوا ساز بتن را می‌توان با سیمان مخلوط کرد تا سیمان دارای ماده حباب هوازا ایجاد شود یا اینکه این ماده را به طور مستقل به مخلوط بتنی اضافه نمود. تأثیر این مواد برای حدود مصرفی خاص یکسان هستند. هوازایی یکی از مهم‌ترین بهبودها در تکنولوژی بتن از زمان اختراع سیمان پُرتلند است.

اولین هدف استفاده از این ماده، افزایش دوام است که مکرراً صورت می‌گیرد. همچنین، این ماده کارایی را بهبود می‌بخشد. استفاده از این افزودنی بتن، تأثیرات جانبی روی مقاومت، آب مورد نیاز و ماسه دارد که همه آن‌ها در طرح اختلاط بتن مد نظر قرار می‌گیرند.

افزودنی‌های تسریع‌کننده‌

افزودنی‌های تسریع‌کننده یا همان ضد یخ بتن، روند سخت شدن و کسب مقاومت بتن را سرعت می‌بخشند. این گروه از افزودنی‌ها برای بتن‌ریزی در زمستان، جهت پرداخت سریع‌تر و تسریع روند هیدراتاسیون سیمان تا آن‌جا که آسیب ناشی از یخ‌زدگی بروز پیدا نکند، استفاده می‌شوند.

این افزودنی‌ها را نمی‌توان به عنوان مخلوط‌های ضدیخ در نظر گرفت. آن‌ها در مقادیر مجاز قادر نیستند بیش از یک درجه دمای یخ‌زدگی بتن را کاهش دهند و می‌توانند روند گیرش و کسب مقاومت را تا زمانی که بتن تازه قابلیت تحمل آسیب یخ‌زدگی را داشته باشد، طی دوره زمانی کوتاه شتاب دهند.

رایج‌ترین تسریع‌کننده، کلرید کلسیم است که جزء فعال اکثر تسریع‌کننده‌هایی است که تحت عناوین تجارتی مختلف فروخته می‌شوند. برخی از تسریع‌کننده‌ها که با نام برندهای تجارتی متنوع عرضه می‌شوند، شامل: سیلیکات‌ها، کربنات‌های قلیایی، فلوئوسیلیکات‌ها و تری اتانولامین‌ها هستند.

کلرید کلسیم در تسریع زمان گیرش و بهبود مقاومت در مخلوط‌های پرمایه ماده‌ای مؤثر است، اما نباید میزان مصرف آن از ۲% وزنی سیمان بیشتر شود. عموماً کلرید کلسیم روی مقدار آب واحد حجم تأثیری ندارد، ولی ممکن است حباب‌های هوا را کاهش دهد و به همین دلیل ضروری است مقدار مصرف ماده حباب هوازا تعدیل شود. حدود مقادیر مصرفی کلرید در جدول زیر آورده شده است:

نوع عضو	حداکثر یون کلرید قابل حل در آب (–Cl) در بتن- درصد وزنی سیمان*
بتن پیش‌تنیده	۰٫۰۶
بتن مسلحی که در شرایط بهره‌برداری در معرض کلریدها قرار می‌گیرد	۰٫۱۵
بتن مسلحی که در شرایط بهره‌برداری خشک باشد یا در مقابل رطوبت محافظت شده باشد	۱٫۰۰
سایر انواع بتن مسلح	۰٫۳۰

کندگیرکننده‌ها و کاهنده‌های آب

کندگیرکننده‌های معمول موجود، عموماً از نوع اسید لیگنو سولفونیک یا اسید کربوکسیلیک هیدروکسیله شده هستند. هر دو نوع این افزودنی‌ها، گیرش را حدود یک تا چهار ساعت بیش از زمان گیرش نرمال کند می‌کنند، ولی روی کسب مقاومت معمولی پس از گیرش تأثیر نمی‌گذارند.

بکارگیری انواع اسید لیگنو سولفونیک در مخلوط بتنی، مقداری حباب هوا ایجاد می‌کند. از این رو باید مصرف مواد هوازا جهت تأمین میزان حباب لازم برای دوام تصحیح شود. به استثناء حباب هوا، مقادیر معمولی این کندگیرکننده‌ها آب مورد نیاز را حدود ۵ تا ۱۵ کیلوگرم در متر مکعب کاهش داده و مقاومت فشاری را حدود ۱۰ تا ۱۵% افزایش می‌دهد. جهت در نظر گرفتن این تأثیرات، باید تصحیح در نسبت‌های اختلاط انجام شود.

پوزولان‌

انواع پوزولان‌، مثل: خاکستر بادی، خاک دیاتمه و پودر میکروسیلیس طی واکنش با هیدروکسید کلسیم و آب، خواص سیمانی در مخلوط بتن به وجود می‌آورند. همچنین برخی از پوزولان‌ها مانع از انبساط ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه‌ها می‌شوند. آنها عموماً کارایی مخلوط‌های کم مایه یا خشن را افزایش داده و به عنوان جایگزین بخشی از سیمان پُرتلند مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این جایگزینی به ندرت از ۲۵% مقدار سیمان بیشتر شده و در نتیجه، روند کسب مقاومت قدری به تأخیر می‌افتد؛ به نحوی که مقاومت ۹۰ روزه مخلوط‌های سیمان-پوزولان، احتمالاً در حدود مقاومت ۲۸ روزه مخلوط‌هایی با سیمان پُرتلند خالص خواهد بود.

هنگامی‌ که پوزولان به عنوان افزودنی به سیمان پُرتلند اضافه می‌شود، مقاومت ۲۸ روزه بتن را افزایش داده و بدین‌ترتیب، مقاومت‌های سنین بعدی را افزایش می‌دهد. برخی پوزولان‌ها نیز هوازایی را تحت‌تأثیر قرار داده و در نتیجه، تصحیح مقدار ماده حباب هوا ساز ضروری خواهد بود.

به طور معمول چگالی ویژه اکثر پوزولان‌های رایج، کمتر از چگالی سیمان و سنگدانه‌های متداول است و اغلب بین ۲٫۳۵ و ۲٫۵ قرار دارد. جهت تعیین نسبت‌های اختلاط صحیح بتن، باید چگالی ویژه تعیین شود.

آب‌بند کننده‌ها و نم‌بند کننده‌ها

بسیاری از افزودنی‌هایی که با این هدف تولید و عرضه می‌شوند، استارات‌ها و اولئات‌ها هستند. تأثیر هر یک از این مواد در طرح اختلاط بتن باید به منظور بررسی تأثیرات روی مقاومت، دوام، جمع‌شدگی و سایر خواص بتن مورد تأیید قرار گیرد. عموماً تصحیح نسبت‌های اختلاط برای تغییر در حجم مطلق بتن ضرورت ندارد، مگر اینکه افزودنی حاوی ماده حباب هوازا باشد.

بیشتر بخوانید: طرح اختلاط بتن کارگاهی و آزمایشگاهی

سایر افزودنی‌ها

سایر افزودنی‌ها برای اهداف متنوعی به کار رفته و تاثیر متفاوتی روی مصالح در طرح اختلاط بتن دارند. این مواد شامل افزودنی‌های هوازدا، تشکیل‌دهنده گاز، منبسط‌کننده، چسبنده، مواد شیمیایی کاهش‌دهنده انبساط سیمان – سنگدانه، ممانعت‌کننده خوردگی، قارچ‌کش، میکروب‌کش، حشره‌کش و رنگ‌کننده هستند.

تأثیر ویژه روی خواص بتن باید توسط ساخت مخلوط‌های بتنی و آزمایش تأیید شود. پیش از اختلاط می‌توان تأثیرات پیش‌بینی شده را در نسبت‌های اختلاط در نظر گرفت و روی مخلوط‌های آزمایشی بعدی اصلاح نمود.

همان‌طور که گفته شد، مصالح متنوعی در ساخت و تولید بتن استفاده می‌شوند و هر یک تأثیر زیادی روی بتن تولید شده و ویژگی‌های آن دارند. بدین‌ترتیب می‌توان گفت تاثیر مصالح در طرح اختلاط بتن موضوعی است که مورد توجه بسیاری از مهندسان تولید بتن و همچنین سازندگان افزودنی‌های بتن است. در این مقاله تلاش شد به صورت همه‌جانبه، جوانب مختلف و تاثیر مصالح در طرح اختلاط بتن بررسی شود و اطلاعات کاملی در این زمینه در اختیار شما قرار گیرد. امیدواریم با مطالعه این مقاله توانسته باشید به اطلاعات کاملی در این زمینه دست یابید.