نخستین بار بیش از ۲۰۰۰ سال پیش از بتن سبک در منطقه مدیترانه استفاده شد. اما سه سازه مهم بندر کوزا، گنبد پانتئون و کولوسئوم در اوایل امپراتوری روم با این نوع بتن ساخته شد. بتن‌های سبک، وزن مخصوص به مراتب کمتری نسبت به بتن‌های متعارف دارند و استفاده از آن‌ها به کاهش بار مرده سازه و بهینه‌تر شدن طراحی آن‌ها می‌انجامد. این نوع بتن از اواخر دهه ۴۰ میلادی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت. در این مقاله از بلاگ رامکا به ارائه طرح اختلاط بتن سبک سازه ای و همچنین طرح اختلاط بتن سبک غیر سازه ای و توضیح مشخصات مصالح مناسب برای تولید این نوع بتن‌ها خواهیم پرداخت. پس تا انتهای مقاله همراه ما باشید.
مشخصات مصالح مورد استفاده در طرح اختلاط بتن سبک سازه ای و غیر سازه ای
منظور از بتن سبک، بتنی است که وزن مخصوص آن کمتر از حدود ۱۸۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب باشد. حال اگر این بتن مقاومتی کمتر از حدود ۱۰ مگاپاسکال داشته باشد، به عنوان بتن سبک غیرسازهای و اگر بتن سبک با مقاومت ۲۸ روزه بیشتر از حدود ۱۸ مگاپاسکال باشد، به عنوان بتن سبک سازهای طبقه‌بندی میشود.
بتن‌های سبک سازهای و غیرسازهای همچون بتن‌های متعارف متشکل از سنگدانه، سیمان، آب و مواد افزودنی هستند؛ با این تفاوت که در این بتن‌ها به جهت کاهش وزن مخصوص از سنگدانه‌های سبک استفاده میشود. در ادامه به معرفی بیشتر مصالح مورد استفاده در طرح اختلاط بتن سبک سازه ای و طرح اختلاط بتن سبک غیر سازه ای خواهیم پرداخت.
مصالح سنگی
بر اساس استاندارد ASTM330، حداکثر وزن مخصوص ظاهری مجاز سنگدانه‌های سبک ریزدانه و درشت‌دانه برای تولید بتن سبکدانه، باید به ترتیب۱۱۲۰ و ۸۸۰ کیلوگرم بر متر مکعب باشد. علاوه بر این، حداکثر اندازه ذرات نیز نباید از ۲۰ میلی‌متر بزرگ‌تر باشد. همچنین این آیین‌نامه مقادیر مقاومت فشاری، کششی و وزن مخصوص خشک بتن سبک سازهای در دو حالت استفاده از سنگدانه‌های سبک و ماسه معمولی و سنگدانه‌های سبک را ارائه کرده است.
در این آیین‌نامه، مشخصات دیگری مانند: دانه‌بندی، مواد زیان‌آور و خواص سنگدانه‌های موجود در بتن ساخته شده، نظیر مقاومت، وزن مخصوص جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن و دوام بتن حاوی سنگدانه ارائه شده است. مقادیر مقاومت فشاری و کششی و وزن مخصوص بتن سازهای سبک، مطابق استاندارد ۳۳۰ ASTM C در جدول زیر آورده شده است.
| حداکثر مقاومت فشاری در سن ۲۸ روزه (kg/m3) | حداقل مقاومت کششی در سن ۲۸ روزه (kg/m3) | حداکثر وزن مخصوص خشک در سن ۲۸ روزه (kg/m3) |
| در صورت استفاده از سنگدانه‌های سبک | ||
| 28 | 2/2 | 1760 |
| 21 | 1/2 | 1680 |
| 17 | 0/2 | 1600 |
| در صورت استفاده ترکیبی از ماسه معمولی و سنگدانه‌های سبک | ||
| 28 | 3/2 | 1840 |
| 21 | 1/2 | 1760 |
| 17 | 1/2 | 1680 |
مقاومت فشاری و وزن مخصوص، باید میانگین ۳ نمونه و مقاومت کششی، باید میانگین ۸ نمونه باشد.
استفاده از روش طرح اختلاط حجم مطلق که اساس روش ACI برای مخلوط‌های بتنی با وزن معمولی را تشکیل می‌دهد، برای طرح اختلاط بتن سبک مناسب نیست. دلیل آن هم این است که:
- نمی‌توان در آن از رابطه بین مقاومت و نسبت آب به سیمان استفاده کرد، زیرا مقدار آبی که جذب سنگدانه میشود، قابل اندازه‌گیری نیست.
- علاوه بر این‌که قسمتی از آب (۱۰% تا ۲۰%) جذب سنگدانه‌های متخلخل میشود، عمل جذب آب بعضی از آن‌ها چندین هفته به طول می‌انجامد. بنابراین تخمین واقعی رطوبت، بر اساس حالت اشباع با سطح خشک (SSD) و وزن مخصوص انبوهی SSD بسیار مشکل است. همچنین، برخلاف سنگدانه‌هایی با وزن معمولی، وزن مخصوص انبوهی سنگدانه‌های سبک با تغییر دانه‌بندی تغییر می‌کند.
کارآیی بتن تازه‌ای که از سنگدانه‌های سبک ساخته شده، نیاز به توجه خاصی دارد، زیرا سنگدانه‌ها در مخلوط‌های دارای قوام زیاد، تمایل به جدا شدن دارند و بر سطح بتن شناور می‌شوند.
برای جبران این ضعف، اغلب لازم است حداکثر اسلامپ محدود شده و از ماده افزودنی حباب هواساز (قطع نظر از افزایش دوام بتن در برابر خطر یخ زدگی) استفاده شود. به طور معمول نیاز به افزودن ۵ تا ۷% ماده حباب ساز است تا بدون این‌که جداشدگی سنگدانه‌ها و آب‌انداختگی اتفاق بیفتد، مقدار آب مخلوط کاهش یافته و اسلامپ مورد نظر به دست آید. در نتیجه، در مشخصاتی که برای مهندسان سازه ارائه میشود، معمولاً حداقل مقادیر مجاز مقاومت فشاری، حداکثر مقادیر وزن مخصوص و اسلامپ و حداقل و حداکثر مقدار حباب هوا ذکر میشود.
بیشتر بخوانید: بتن سبک غیر سازه ای چیست؟
سنگدانه‌ها
در طرح اختلاط، معمولاً مقاومت فشاری بتن دارای سنگدانه‌های سبک، به مقدار سیمان و اسلامپ آن مرتبط است و نسبت آب به سیمان بتن معیار طراحی نیست. در بسیاری موارد، با ثابت نگه داشتن مقادیر سیمان و آب و کاهش اندازه سنگدانه‌ها تا حد امکان و یا با جایگزین کردن مقداری از ماسه سبک با ماسه طبیعی مناسب، می‌توان مقاومت فشاری را افزایش داد.
رابطه تقریبی بین مقاومت فشاری و مقدار سیمان بتن دارای ماسه سبک، مطابق ACI 213R-79 در جدول زیر ارائه شده است. باید توجه کرد در صورت جایگزین کردن تمامی سنگدانه‌های سبک با ماسه طبیعی، وزن مخصوص بتن تا ۱۶۰ کیلوگرم بر متر مکعب افزایش می‌یابد، بدون آنکه مقاومت فشاری آن تغییر کند.
| مقاومت فشاری (MPa) | مقدار سیمان (kg/m3) – تمام سنگدانه‌ها از نوع سبک | مقدار سیمان (kg/m3) – ترکیبی از ماسه و سنگدانه سبک |
| ۲۴/۱۷ | ۳۰۵ – ۲۴۰ | ۳۰۵ – ۲۴۰ |
| ۶۸/۲۰ | ۳۳۵ – ۲۶۰ | ۳۳۵ – ۲۵۰ |
| ۵۸/۲۷ | ۳۹۵ – ۳۲۰ | ۳۹۵ – ۲۹۰ |
| ۴۷/۳۴ | ۴۵۰ – ۳۷۵ | ۴۵۰ – ۳۶۰ |
| ۳۷/۴۱ | ۵۰۰ – ۴۴۰ | ۵۰۰ – ۴۲۰ |
در مورد بعضی سنگدانه‌های سبک، می‌توان از روش حجمی ارائه شده در ۲۱۱.۱ ACI بهره جست. این روش برای طرح اختلاط بتن بر مبنای آزمایش و خطا است و از طریق آن می‌توان به کارایی مناسب بتن تازه و خصوصیات فیزیکی مورد نیاز دست یافت.
مناسب‌ترین روش این است که ابتدا حجم مساوی از شن و ماسه در نظر گرفته شود و به منظور به حداقل رساندن پدیده جداشدگی سنگدانه‌ها و اسلامپ مورد نظر، نسبت‌های شن و ماسه مجدداً تنظیم گردد. در مواردی که به طرح اختلاط با دقت زیاد نیاز باشد، می‌توان به استاندارد ۲۱۱.۲ ACI تحت عنوان «توصیه‌هایی برای انتخاب نسبت‌های بتن سازهای سبک» مراجعه کرد.
سنگدانه‌هایی که طبق استاندارد ASTM – C330 برای ساخت بتن‌های سبک سازهای مورد استفاده قرار می‌گیرند، عبارتند از:
- شیل، رس و اسلیت منبسط شده در فرایند کوره دوار
- سرباره‌های منبسط شده
- پوکه‌های معدنی
- پوکه‌های صنعتی
- خاکستر بادی تفتیده
تأمین مقاومت فشاری معادل ۲۷ نیوتن بر میلی‌متر مربع و بیشتر با بعضی از این سنگدانه‌ها امکان‌پذیر است. شرایط سایر سنگدانه‌ها نیز طوری است که قادر به حصول حداقل مقاومت فشاری مقرر شده و برای بتن سبک سازهای (۱۷ نیوتن بر میلی‌متر مربع) هستند.
همان‌طور که پیش از این ذکر شد، مقاومت بتن‌های دانه سبک، تابعی از جرم مخصوص آن‌ها است. باید توجه داشت جرم مخصوص بتن، عمدتاً متأثر از جرم مخصوص سنگدانه مصرفی است؛ به گونه‌ای که استفاده از مصالح سبک‌تر موجب کاهش وزن مخصوص بتن خواهد شد، ولی استفاده از مصالح سنگین‌تر از نوع سبک، لزوماً موجب افزایش مقاومت بتن ساخته شده نخواهد گشت.
بیشترین مقاومت برای بتن، با استفاده از شیل، رس و اسلیت منبسط شده در فرایند کوره دوار به دست می‌آید. در ساخت و تولید این سنگدانه‌های مخصوص، مصالح خام مورد استفاده باید دارای خاصیت انبساط و شیشه‌ای شدن (همجوش شدن) در اثر حرارت ذوب باشند. در این فرایند، رس خام یا دیگر مصالح مذکور، از انتهای فوقانی یک کوره دوار داخل کوره می‌شوند.
| مشخصه | مصالح ریزدانه | سبکدانه لیکا | سبکدانه پرلیت |
| وزن مخصوص (اشباع با سطح خشک) | ۶۱/۲ | ۳۰۰ | ۱۵۰ |
| اندازه و سایز (میلی‌متر) | ۴٫۷۵-۰ | ۱۲-۰ میلی‌متر | ۶-۰ میلی‌متر |
| درصد شکستگی | ۲۵ | – | – |
| مدول نرمی | ۲٫۹ | – | – |
| قابلیت جذب آب (%) | ۴/۳% | – | – |
نمودار زیر، منحنی دانه‌بندی ماسه استفاده شده در طرح بتن سبک سازه ای را نشان می‌دهد.
سیمان
برای ساخت بتن سبک سازهای و غیرسازهای، بسته به شرایط ممکن است از انواع مختلف سیمان استفاده شود. در این تحقیق به سبب عدم وجود شرایط خاص از سیمان تیپ ۲ کارخانه سیمان دلیجان استفاده می‌کنیم. این سیمان دارای وزن مخصوص cm2/g3150 و وزن مخصوص ۳٫۱۴ است. آنالیز شیمیایی و ترکیبات این سیمان در جدول زیر آمده است:
| C4AF | C3A | C2S | C3S | Na2O | Fe2O3 | K2O | MgO | SO3 | Al2O3 | SiO2 | CaO |
| 12% | 5% | 15% | 59% | 0.34% | 4.1% | 0.7% | 1.3% | 2.4% | 4.6% | 20.5% | 63.4% |
گفتنی است این سیمان به صورت پاکتی تهیه شده و ملاحظات ویژه‌ای برای نگهداری از آن، مانند محافظت از گرما و رطوبت در نظر گرفته شده است.
آب و مواد افزودنی
آب اختلاط بتن سبک سازهای و غیر سازهای از آب شرب شهر قم تأمین میشود. نکته بسیار مهم در مورد بتن سبک سازهای و غیر سازهای، اطمینان از پخش مناسب و همگن الیاف پلی پروپیلن است. استفاده از ابر روان کننده بتن کوانتوم که بر پایه پلی کربوکسیلات اتر است، سبب افزایش اسلامپ و کارایی، افزایش دوام و مقاومت بتن (از طریق جلوگیری از اضافه نمودن آب) میشود. در ساخت بتن سبک غیر سازه ای از الیاف پلی پروپیلن نیز استفاده میشود.
ابر روان کننده بتن تایتان TITAN
حفظ اسلامپ طولانی، ویژه بچینگ و بتن‌ریزی در هوای گرم
ابر روان کننده بتن
ابر روان کننده بتن فیوژن پلاس +FUSION
افزاینده مقاومت بتن و کاهنده آب قوی در مدت کم
ابر روان کننده بتن
ابر روان کننده بتن نئون پلاس +NEON
افزایش اسلامپ بتن با نسبت آب به سیمان پایین در کوتاه‌مدت
شرایط و روش ساخت طرح اختلاط بتن سبک سازه ای و غیر سازه ای
بتن سبک سازه ای و غیر سازه ای مطابق با استاندارد ملی ۱۶۰۸-۲ ساخته و عمل‌آوری میشود. در ساخت بتن، سعی شده دمای سیمان در محدوده ۲۰ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد باشد. همچنین برای در نظر گرفتن میزان آبی که از طریق رطوبت سنگدانه‌ها وارد بتن میشود، درصد رطوبت مصالح سنگی بر اساس استاندارد ۴۹۸۳ اندازه‌گیری میشود. در این‌جا مخلوط‌کن دستی برای ساخت بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. جداره‌های بتنیر، پیش از ریختن مصالح درون میکسر مرطوب میشود تا جذب آب از مصالح به حداقل برسد.
برای تولید بتن سبک سازه، ابتدا سنگدانه‌ها در میکسر ریخته می‌شوند و بخشی از آب اختلاط بتن به آن اضافه میشود تا به مدت ۲ دقیقه میکس شوند. در مرحله بعد، باقی آب طرح اختلاط بتن به همراه سیمان به میکسر اضافه شده و به مدت یک دقیقه مخلوط می‌شوند. پس از اطمینان از اختلاط مناسب سیمان و آب، ابر روان کننده کوانتوم اضافه شده و به مدت ۳ دقیقه تا به دست آمدن مخلوطی همگن میکس شدن ادامه پیدا می‌کند.
با توجه به این‌که این بتن سبک غیرسازهای در ساخت بلوک‌های سبک کاربرد دارد، برای ساخت آن از روش پرس خشک و برای اجرای آن از دستگاه بلوک‌زنی تخم‌گذار استفاده میشود.
برای تولید بتن سبک غیرسازهای، ابتدا سنگدانه سبک و الیاف مقداری از آب طرح اختلاط داخل میکسر ریخته و ۲ دقیقه میکس میشود. سپس سیمان و باقی آب داخل میکسر ریخته میشود. در این طرح اختلاط آب بسیار کمی مصرف میشود، به صورتی که تنها یک مخلوط پودری نمناک حاصل می‌گردد.
بتن‌های ساخته شده در قالب‌های مکعبی ۱۰ سانتی‌متری ریخته میشود. لازم به ذکر است در این‌جا طبق روش استاندارد، بتن درون قالب‌ها به وسیله ۲۵ ضربه با میله فولادی متراکم شدند. همچنین جهت سهولت در خروج آزمونه از قالب، از روغن قالب مایا استفاده شد.
به جهت نیاز بتن تازه به نگهداری و عمل‌آوری، آزمونه‌ها به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۲۱ درجه در قالب نگهداری می‌شوند. در این مدت با استفاده از پارچه چتایی خیس از تبخیر شدن آب بتن جلوگیری میشود. پس از این مدت، آزمونه‌ها از قالب خارج می‌شوند و تا زمان انجام آزمایش مقاومت فشاری، در حوضچه آب گرم با دمای ۲۲ درجه نگهداری می‌شوند.
جدول طرح اختلاط بتن سبک سازه ای و غیر سازه ای
برای تولید بتن سبک سازهای و غیر سازهای، مصالح با مشخصاتی که پیش‌تر گفته شد، با نسبت‌های زیر با یکدیگر مخلوط می‌شوند.
| مصالح مورد استفاده | مشخصات | مقدار در یک متر مکعب بتن سبک سازهای |
| ماسه SSD | ماسه طبیعی با درصد شکستگی ۲۵ | ۳۰۰ کیلوگرم |
| سبکدانه لیکا | رس منبسط شده ( سازهای) شرکت لیکا- سایز ۱۲-۰ میلی‌متر | ۴۸۰ کیلوگرم |
| سیمان | سیمان تیپ ۲ دلیجان | ۷۵۰ کیلوگرم |
| دوده سیلیسی | شرکت فرو آلیاژ ایران (ازنا) | ۷۰ کیلوگرم |
| ابر روان کننده | ابر روان کننده کوانتوم ( پایه پلی کربوکسیلات) | ۷٫۵ کیلوگرم |
| نسبت آب به مجموع مواد سیمانی | – | ۰٫۴۲ |
| مصالح مورد استفاده | مشخصات | مقدار در یک متر مکعب بتن سبک غیرسازهای |
| سبکدانه پرلیت | سایز ۶-۰ میلی‌متر | ۱۳۲ کیلوگرم |
| سیمان | سیمان تیپ ۲ دلیجان | ۱۳۲ کیلوگرم |
| دوده سیلیسی | شرکت فرو آلیاژ ایران (ازنا) | ۱۲ کیلوگرم |
| ابر روان کننده | ابر روان کننده کوانتوم ( پایه پلی کربوکسیلات) | ۰٫۶ کیلوگرم |
| الیاف پلی پروپیلن | شرکت رامکا | ۱٫۵ کیلوگرم |
| نسبت آب به مجموع مواد سیمانی | – | ۰٫۴۵ |
مشخصات بتن تازه
روش مرسوم سنجش کارایی بتن، استفاده از تست اسلامپ است. نکته مهم در تست اسلامپ بتن سبک سازه ای و غیر سازه ای آن است که در مورد بتن سبک سازه ای و غیر سازه ای در مقایسه با بتن معمولی، عدد اسلامپ ثابت، نشان‌دهنده کارایی کمتر است. در بسیاری موارد مانند بتن سبک غیر سازه ای که در این مقاله به آن پرداختیم، بتن به اسلامپ نمی‌رسد و اسلامپ آن صفر است.
در این بررسی، آزمایش اسلامپ بتن سبک سازه ای بر اساس استاندارد ملی ۲-۳۲۰۳ انجام می‌گیرد. همانند بتن‌های متعارف در این‌جا نیز ابتدا مخروط و صفحه آزمایش مرطوب میشود و بتن طی سه مرحله و در سه لایه در مخروط ریخته شده و هر لایه با ۲۵ ضربه متراکم می‌گردد. این آزمایش روی سه نمونه انجام شده و میانگین نتایج به عنوان اسلامپ بتن گزارش میشود. در مورد بتن سبک غیر سازه ای، اسلامپ صفر است.
در جداول ذیل مشخصات بتن تازه ساخته شده با طرح اختلاط بتن سبک سازه ای و غیر سازه ای آمده است.
| اسلامپ | ۹۰ سانتی‌متر |
| وزن مخصوص بتن تازه | ۱۷۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب |
| حباب هوای تازه | ۲% |
| اسلامپ | صفر |
| وزن مخصوص بتن تازه | ۳۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب |
| حباب هوای تازه | ۱% |
نتایج آزمایش مقاومت فشاری بتن
در استاندارد ملی ۳-۱۶۰۸، نحوه انجام آزمایش مقاومت فشاری بتن آمده است. با توجه به استفاده از آزمونه‌های مکعبی ۱۰ ×۱۰، نیاز است نتایج آزمایش مقاومت فشاری با استفاده از ضرایب موجود به مقاومت فشاری نمونه استوانه‌ای استاندارد تبدیل شود. با توجه به تأثیر رطوبت آزمونه بر مقدار مقاومت فشاری، در این آزمایش تمام نمونه‌ها در حالت اشباع و با سطح خشک هستند. ( توضیح آنکه وجود آب در آزمونه، سبب میشود زمانی که بتن تحت فشار قرار می‌گیرد، یک تنش اضافی در اثر اضافه فشار آب در بتن به وجود آمده و موجب کاهش مقاومت فشاری شود.)
برای اطمینان از صحت نتایج، آزمایش مقاومت فشاری بتن روی تعدادی آزمونه انجام گرفته و میانگین نتایج به دست آمده به عنوان مقاومت فشاری گزارش میشود.
قابلیت اعتماد آزمایش مقاومت فشاری مطابق ضوابط مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ارزیابی شده است.
در جدول زیر مقاومت فشاری بتن سبک سازهای و غیر سازهای در سنین ۳، ۷ و ۲۸ روزه گزارش شده است.
| سن (روز) | چگالی نمونه (کیلوگرم بر متر مکعب) | مقاومت فشاری (معادل استوانه ۱۰ در ۲۰) |
| ۳ | ۱۷۲۵ | ۲۲ مگاپاسکال |
| ۷ | ۱۷۱۵ | ۲۷ مگاپاسکال |
| ۲۸ | ۱۷۱۰ | ۳۲ مگاپاسکال |
| سن (روز) | چگالی نمونه (کیلوگرم بر متر مکعب) | مقاومت فشاری (معادل استوانه ۱۰ در ۲۰) |
| ۳ | ۱۷۲۵ | ۶٫۷ مگاپاسکال |
| ۷ | ۱۷۱۵ | ۹٫۱ مگاپاسکال |
| ۲۸ | ۱۷۱۰ | ۱۱ مگاپاسکال |
نتایج به دست آمده در این بررسی، صرفاً با استفاده از مصالح یاد شده و شرایط توضیح داده شده بوده و در صورت تغییر هر یک از این عوامل، امکان دستیابی به نتایج دیگر وجود دارد.
در این مقاله به توضیح مشخصات مصالح مناسب برای تولید بتن سبک سازهای و غیر سازهای و ارائه طرح اختلاط عملی برای ساخت هر یک پرداختیم. بتن سبک جایگزین مقرون به صرفه برای بتن معمولی است؛ بخصوص بتن‌های سبک سازهای که مقاومت سازه را به خطر نمی‌اندازند. تخلخل بالاتر بتن‌های سبک بر هدایت حرارتی آن تأثیر می‌گذارد و آن را برای پروژه‌هایی که نیاز به عایق‌سازی در برابر گرما دارند، مناسب می‌سازد.
اشتراک‌ها: بتن سبک غیر سازه ای چیست؟ بررسی انواع و کاربرد - صنایع شیمی ساختمان رامکا
کتابی که تمام ازمایشهای بتن و مصالح و طرح اختلاط رو خوب توضیح داده باشه میگید لطفا
تکنولوژی و طرح اختلاط بتن نوشته دکتر مستوفی نژاد
کتابی مناسب برای آشنایی با مبانی طرح اختلاط بتن است که روش‌های ارائه طرح مخلوط (روش ACI و BS) را به زبانی ساده بیان کرده است.