آزمایش های درشت دانه بتن: چگالی بتن، چگالی نسبی و جذب آب شن

یکی از معیارهای کنترل یکنواختی بتن، مقایسه درصد درشت دانه‌ها است. از این رو انجام آزمایش درشت دانه بتن برای تعیین چگالی نسبی و مقدار جذب آب سنگدانه‌های درشت الزامی است. در این مقاله از بلاگ رامکا بر آن هستیم به بررسی همه‌جانبه این آزمایش که شامل شرایط نمونه‌برداری، مراحل اجرا، محاسبه چگالی نسبی، میزان دقت و اریبی، وسایل مورد نیاز و استانداردهای آن است بپردازیم. پس تا انتها همراه ما باشید.

آزمایش چگالی نسبی درشت دانه بتن

آزمایش تعیین چگالی نسبی درشت دانه بتن، کمیتی بدون واحد است که به صورت چگالی سنگدانه‌ها پس از خشک شدن سنگدانه در آون (OD)، چگالی اشباع با سطح خشک (SSD) –چگالی سنگدانه‌ها با سطح خشک که دوره‌ای مشخص از غرقاب شدن را سپری کرده‌اند- و گاهی اوقات چگالی نسبی ظاهری تعریف می‌شود.

البته این آزمایش برای سنگدانه‌های سبکی که در استاندارد ASTM C332 به آن‌ها پرداخته شده است، کاربرد ندارد و در آن، از اصطلاحات و تعاریف ارائه شده در استاندارد ASTM C125 استفاده می‌شود.

مراجع الزامی آزمایش درشت دانه بتن

رعایت ضوابط استانداردهای ذیل برای انجام این آزمایش ضروری است:

• ASTM C29/C29M, Standard Test Method for Bulk Density, Unit Weight and Voids in Aggregate
• ASTM C125, Standard Terminology Relating to Concrete and Concrete Aggregates
• ASTM C128, Standard Test Method for Relative Density (Specific Gravity) and Absorption of Fine Aggregate
• ASTM C136, Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregate
• ASTM C330, Standard Specification for Lightweight Aggregates for Structural Concrete
• ASTM C332, Standard Specification for Lightweight Aggregates for Insulating Concrete
• ASTM C566, Standard Test Method for Total Evaporable Moisture Content of Aggregates by Drying
• ASTM C670, Standard Practice for Preparing Precision and Bias Statements for Test Methods for Construction Materials
• ASTM C702 / C702M, Standard Practice for Reducing Samples of Aggregate to Testing Size
• ASTM D75/D75M, Standard Practice for Sampling Aggregates
• ASTM D448, Standard Classification for Sizes of Aggregate for Road and Bridge Construction
• ASTM E11 Specification for Woven Wire Test Sieve Cloth and Test Sieves
• AASHTO Standard T 85, Gravity and Absorption of Coarse Aggregate

وسایل لازم در آزمایش درشت دانه بتن

برای انجام این آزمایش، به وسایلی مانند: ترازو، ظرف نمونه، محفظه آب، آون و الک نیاز است که هر کدام باید شرایط و ویژگی‌های مشخصی داشته باشند. در ادامه به معرفی خصوصیات هر یک از آن‌ها می‌پردازیم.

ترازو

ترازویی که در آزمایش درشت دانه بتن استفاده می‌شود، باید مجهز به وسیله‌ای مناسب برای آویزان نگه‌داشتن ظرف نمونه در محفظه آب از مرکز پایه یا سینی باشد. از آن‌جا که ترازو تعیین‌کننده جرم دقیق نمونه است، دقت آن باید ۰٫۰۵% جرم نمونه در هر نقطه یا ۰٫۵ گرم در کل زمان استفاده در آزمون باشد. شما می‌توانید در زمان یادداشت مقدار جرم اندازه‌گیری شده از تقریب‌های بزرگ‌تر استفاده کنید.

بیشتر بخوانید: چگالی بتن تازه

ظرف نمونه

ظرف نمونه باید به نحوی ساخته شود که از محبوس شدن هوا زمان غرقاب‌سازی ظرف در محفظه آب جلوگیری کند. این ظرف بسته به اندازه سنگدانه‌های مورد آزمایش، با ویژگی‌های زیر تعریف می‌شود:

1. سبدی سیمی ۳٫۳۵ میلی‌متر (الک شماره ۶) یا مش ریزتر
2. سطلی با عرض و ارتفاع تقریباً مساوی و حجم ۴L تا ۷L، برای حداکثر اندازه اسمی سنگدانه ۳۷٫۵ میلی‌متر (الک ۱٫۵ اینچ) یا کوچک‌تر
3. ظرف بزرگ برای آزمایش حداکثر اندازه بزرگ‌تر سنگدانه‌ها

محفظه آب

محفظه آب، ظرفی آب‌بند است که از زیر ترازو آویزان شده و ظرف نمونه در آن قرار داده می‌شود.

الک

الک‌های به کار رفته آزمایش درشت دانه بتن، الک شماره ۴ (۴٫۷۵ میلی‌متر) است. البته در صورت نیاز به الک‌هایی با اندازه‌های دیگر می‌توان از استاندارد ASTM E11 استفاده نمود.

آون (گرم‌خانه)

آون یا گرم‌خانه باید توانایی نگهداری دمای یکنواخت ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد را در طول آزمایش داشته باشد.

شرایط نمونه‌برداری

• نمونه‌برداری از سنگدانه‌ها، باید مطابق استاندارد ASTM D75 انجام شود.
• سنگدانه‌های نمونه را کاملاً مخلوط کرده و با استفاده از روش‌های گفته شده در استاندارد ASTM C702، مقدار دقیق آن را مشخص کنید.
• نمونه‌ها را در حالت خشک از الک شماره ۴ عبور داده و تمام مواد عبور کرده از این الک را دور بریزید. در صورتی که نمونه برداشته شده حاوی مقدار بسیار زیادی مواد عبوری از الک شماره ۴ باشد، طبق استاندارد ASTM D448 از الک شماره ۸ به جای الک شماره ۴ استفاده کنید. البته در شرایط جایگزین می‌توانید، مواد عبوری از الک شماره ۴ را دور نریخته و طبق استاندارد ASTM C128، این مواد را به صورت جداگانه مورد آزمون قرار دهید.
  در صورت استفاده از سنگدانه‌های عبوری از الک شماره ۴ در نمونه، با بررسی دقیق اطمینان پیدا کنید که اندازه‌ی چشمه‌های ظرف نمونه، از حداقل اندازه سنگدانه کوچک‌تر باشد.
• برای پاک کردن گرد و خاک یا سایر پوشش‌ها از سطح نمونه، آن را کاملاً بشویید.
• انجام آزمایش درشت دانه بتن در سایزهای مختلف مجاز است؛ برای مثال اگر نمونه حاوی بیش از ۱۵% مواد عبور نکرده از الک ۳۷٫۵mm (ذرات درشت‌تر از الک ۳۷٫۵mm) باشد، این مواد را می‌توان در یک یا چند بخش به صورت مجزا از بخش‌های عبوری (ذرات ریزتر) آزمایش کرد. توجه داشته باشید زمانی که سنگدانه‌ها در بخش‌های اندازه مجزا مورد آزمایش قرار ‌گیرد، حداقل جرم نمونه برای هر بخش باید تفاوت بین جرم‌های شرح داده شده برای حداکثر و حداقل اندازه‌های بخش را نشان دهد.

حداکثر اندازه اسمی (میلی‌متر)	حداقل جرم آزمونه (کیلوگرم)
۱۲٫۵ یا کم‌تر	۲
۱۹	۳
۲۵	۴
۳۷٫۵	۵
۵۰	۸
۶۳	۱۲
۷۵	۱۸
۹۰	۲۵
۱۰۰	۴۰
۱۲۵	۷۵

• در صورتی که نمونه در دو یا چند بخش از اندازه مورد آزمایش قرار ‌گیرد، دانه‌بندی نمونه باید مطابق با استاندارد ASTM C136 تعیین شود. این استاندارد شامل الک‌هایی است که برای جدایش بخش‌های اندازه و برای اندازه‌گیری‌ها در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مراحل اجرای آزمایش درشت دانه بتن

در یک نگاه کلی برای تعیین مقدار چگالی سنگدانه‌ها و مقدار جذب آب آن‌ها، باید نمونه را تا رسیدن به جرم ثابت در دمای ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد در آون خشک کرده، سپس به مدت ۱ تا ۳ ساعت یا تا زمان رسیدن به دمای مناسب کار (حدود ۵۰ درجه سانتی‌گراد) خنک کنید و جرم آن را تعیین نمایید. روش اجرای آزمایش به صورت دقیق به شرح ذیل است:

• نمونه را تا رسیدن به جرم ثابت در دمای ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد در آون خشک کنید. سپس نمونه‌هایی با حداکثر اندازه اسمی ۳۷٫۵mm را به مدت ۱ تا ۳ ساعت در دمای اتاق قرار داده تا خنک شود. برای خنک شدن نمونه‌ها با اندازه بزرگ‌تر، می‌توان از مدت ۱ ساعت بیشتر استفاده نمود تا دمای نمونه به مقدار کارکرد مناسب (حدود ۵۰ درجه سانتی‌گراد) برسد. توجه داشته باشید زمانی که قرار است در بتن از سنگدانه‌هایی با شرایط رطوبت طبیعی استفاده شود، انجام این مرحله از آزمایش اختیاری است.
• نمونه‌ها را به مدت ۲۴ ساعت در دمای اتاق غرقاب کنید. چنانچه از استاندارد ASTM C330 یا استاندارد ASTM C332 برای غرقاب کردن استفاده می‌کنید، سنگدانه‌ها را باید در دوره زمانی ۷۲ ساعت در دمای اتاق غرقاب نمایید و هر ۲۴ ساعت، حداقل به مدت ۱ دقیقه آن‌ها را به هم زنید. در این مرحله نیز چنانچه سطح نمونه‌ها به طور پیوسته تا زمان آزمون مرطوب نگه داشته شده باشد، انجام مراحل خیساندن در دوره‌های ۲۴ یا ۷۲ ساعته اختیاری است.
  در نظر داشته باشید مقدار جذب آب و چگالی نسبی (وزن مخصوص) اشباع با سطح خشک برای سنگدانه‌هایی که پیش از خیساندن در آون خشک نشده است، ممکن است نسبت به سنگدانه‌هایی که در آون خشک شده است، بیشتر باشد. این مسأله، به ویژه در سنگدانه‌های بزرگ‌تر از ۷۵ میلی‌متر صادق است. دلیل این رویداد این است که احتمال نفوذ آب در بازه زمانی خیساندن (۲۴ تا ۷۲ ساعت) به منافذ مرکز دانه کم است.
• نمونه را از آب خارج کرده و تا خشک شدن کامل آب از روی سطح سنگدانه، آن را در پارچه جاذب بغلتانید. در این مرحله، وجود جریان هوا برای کمک به عملیات خشک شدن سطحی سنگدانه مجاز است. دقت کنید تا تبخیر آب از منافذ سنگدانه صورت نگیرد. سپس جرم نمونه‌ی اشباع با سطح خشک را با استفاده از ترازو تعیین کنید.
• پس از تعیین جرم نمونه اشباع با سطح خشک در هوا، نمونه را بلافاصله در ظرف نمونه قرار داده و جرم ظاهری آن را در آب در دمای ۲۳ درجه سانتی‌گراد تعیین کنید. دقت داشته باشید همه‌ هوای محبوس قبل از تعیین جرم، به وسیله تکان دادن ظرف هنگامی که غرقاب است، خارج شده باشد. در این مرحله از آزمایش، رعایت دو نکته الزامی است:
  الف) آب باید سطح نمونه و ظرف را به طور کامل بپوشاند.
  ب) سیم آویز ظرف باید کمترین مقدار (جرم) را داشته باشد تا هر گونه اثر محتمل، طول متغیر غرقاب را به حداقل رساند.
  توجه داشته باشید تفاوت جرم نمونه اشباع با سطح خشک در هوا با جرم نمونه اشباع در آب غوطه‌ور، برابر جرم آب جابه‌جا شده توسط نمونه است.

محاسبه چگالی نسبی در آزمایش درشت دانه بتن

مقدار چگالی نسبی (وزن مخصوص) در این آزمایش بر پایه سه داده A، B و C، در سه دسته چگالی نسبی خشک شده در آون، چگالی نسبی اشباع با سطح خشک و چگالی نسبی ظاهری با فرمول ویژه تعیین می‌شود.

• A: جرم نمونه خشک شده در آون در هوا، بر حسب گرم
• B: جرم نمونه اشباع با سطح خشک در هوا، بر حسب گرم
• C: جرم ظاهری نمونه اشباع شده در آب، بر حسب گرم

A/(B-C) = چگالی نسبی سنگدانه‌های خشک شده در آون

B(B-C) = چگالی نسبی اشباع با سطح خشک

A/(A-C) = چگالی نسبی ظاهری

محاسبه میانگین چگالی نسبی

زمانی که نمونه در بخش‌های اندازه جداگانه آزمون می‌شود، میانگینی از چگالی نسبی به دست آمده از بخش قبل را طبق فرمول زیر محاسبه کنید.

G = [1] / [(P₁/100G₁) + (P₂/100G₂) + … + (P_n/100G_n)]

که در آن:

• G: میانگین چگالی یا چگالی نسبی
• G₁ تا G_n: میانگین متناسب چگالی یا چگالی نسبی است که برای هر بخش از اندازه، این مقدار بسته به نوع چگالی نسبی میانگین‌گیری شده است.
• P₁ تا P_n: درصد جرمی هر بخش، اندازه موجود در نمونه اولیه (جز مواد ریزتر از ۴٫۷۵ میلی‌متر) است.

محاسبه درصد جذب آب

[(B-A)/A]*100 = درصد جذب آب

محاسبه مقادیر میانگین جذب آب

زمانی که نمونه به صورت جداگانه در اندازه‌های مختلف مورد آزمون قرار گیرد، لازم است تا درصد جذب آب آن به صورت جداگانه برای هر دسته از اندازه‌ها با فرمول درصد جذب آب محاسبه شده و سپس میانگین آن با توجه به فرمول زیر محاسبه شود.

A = (P₁A₁/100) + (P₂A₂/100) +…+ (P_nA_n/100)

که در آن:

• A: درصد میانگین جذب آب
• A₁ تا A_n: درصد جذب آب برای هر بخش از اندازه
• P₁ تا P_n: درصد جذب آب برای هر بخش اندازه در نمونه اولیه

نکته قابل توجه اینکه، سنگدانه‌های کوچک‌تر از ۴٫۷۵ میلی‌متر در این فرمول قرار نمی‌گیرند.

بیشتر بخوانید: آزمایش مقاومت نفوذ در بتن

تعیین دقت آزمایش درشت دانه بتن

تخمین دقت این آزمایش بر اساس نتایج به دست آمده از برنامه نمونه تخصصی آزمایشگاه مواد مرجع AASHTO با آزمون‌های انجام شده با این روش آزمون و استاندارد AASHTO T85 بوده که در جدول زیر آمده است.

تفاوت مهم روش انجام شده در این آزمون با آزمون AASHTO در طول بازه غرقابی سنگدانه‌های خشک است. همان‌طور که گفته شد در این آزمایش طول دوره اشباع ۲۴ ساعت در نظر گرفته شده، در حالی که در آزمون AASHTO دوره اشباع ۱۵ ساعت است. اما از آن‌جا که بررسی داده‌های به دست آمده از ۱۰۰ نتیجه آزمایش دوتایی از ۴۰ تا ۱۰۰ آزمایشگاه نشان داده، این تفاوت تأثیر بسیار ناچیزی بر شاخص‌های دقت دارد. بنابراین از نتایج آزمون استاندارد AASHTO برای تعیین دقت و اریبی استفاده می‌شود.

	انحراف معیار	محدوده قابل قبول دو نتیجه (d2s)
دقت آزمون‌کننده منفرد
چگالی نسبی خشک شده در آون	۰٫۰۰۹	۰٫۰۲۵
چگالی نسبی اشباع با سطح خشک	۰٫۰۰۷	۰٫۰۲۰
چگالی نسبی ظاهری	۰٫۰۰۷	۰٫۰۲۰
دقت چندآزمایشگاهی
چگالی نسبی خشک شده در آون	۰٫۰۱۳	۰٫۰۳۸
چگالی نسبی اشباع با سطح خشک	۰٫۰۱۱	۰٫۰۳۲
چگالی نسبی ظاهری	۰٫۰۱۱	۰٫۰۳۲

مقدار اریبی (Bias)

از آن‌جا که هیچ مرجع پذیرفته شده مناسبی برای تعیین اریبی این روش وجود ندارد، هیچ نظری درباره اریبی این آزمایش ارائه نمی‌شود.

با مطالعه مقاله آزمایش درشت دانه بتن، شما می‌توانید به صورت کاربردی و جامع با شرایط آزمون چگالی نسبی سنگدانه‌های درشت و مقدار جذب آب توسط آن‌ها، وسایل، نحوه نمونه‌برداری از سنگدانه‌ها و شرایط نمونه‌ها، شیوه محاسبات چگالی نسبی در شرایط مختلف، میزان دقت و اریبی آزمون و استانداردهای مورد نیاز برای این آزمایش از منظر استاندارد ملی ایران به شماره ۴۹۸۲ (تجدید نظر دوم) آشنا شوید. خواهشمندیم با ارائه نظرات و پیشنهادات خود، ما را در بهبود کیفیت مقالات یاری رسانید.