روش و مراحل طرح اختلاط بتن
مقدمه : طرح اختلاط بتن بدين معنا است كه به چه نسبتي سيمان ، آب ، شن و ماسه كه اجزاء بتن را تشكيل مي دهند ، مخلوط كنيم تا بتن ساخته شده به مشخصات از پيش تعيين شده دست يابد .هدف از طرح اختلاط بتن رسيدن به اهداف زير است :
1-رسيدن به مقاومت مورد نظر.
2- تامين دوام كافي.
3-رسيدن به اسلامپ مورد نظر.
موارد 1و2 مربوط به خصوصيات بتن سخت شده و مورد سوم مربوط به خصوصيات بتن تازه مي باشد . امروزه روش هاي مختلف و آئين نامه هاي زيادي براي طرح مخلوط بتني وجود دارد . از جمله طرح ACT ، PCA ، طرح يونسكو ، طرح B.S (آئين نامه انگلستان) و دهها طرح ديگر . در اين فصل طرح اختلاط بتن به روش آئين نامه ACI-211 مورد بررسي قرار مي گيرد . طرح اختلاط ACI از اين مزيت برخوردار است كه در مراحل پايان طراحي ، با ساخت يك نمونه آزمايشگاهي و انجام چند آزمايش ساده براساس استاندارد برروي نمونه ها مي توان نتايج مراحل قبلي را اصلاح كرده و در نتايج آزمايش تاثير داد . جهت تهيه طرح اختلاط بتن در ابتدا لازم است اطلاعات زير از طريق آزمايش و جداول مربوطه بدست آيد .
1- مصالح :
1-1- آزمايش دانه بندي شن و ماسه براساس استاندارد .
1-2- وزن واحد حجم شن متراكم (Dry Rodded Mass) .
1-3- حداكثر اندازه اسمي مصالح درشت دانه .
1-4- وزن مخصوص حقيقي درشت دانه ( شن ) (Bulk Spocific Gravity) .
1-5- وزن مخصوص حقيقي ريز دانه ( ماسه ) (Bulk Spocific Gravity) .
1-6- درصد جذب آب شن .
1-7- درصد جذب آب ماسه .
1-8- درصد رطوبت شن ( طبيعي ) .
1-9- درصد رطوبت ماسه( طبيعي ) .
1-10- مدول نرمي ماسه ( Fineness Modulus) .
2- افت بتن :(Slump ) :
افت بتن بايد توسط متقاضي كتباً اعلام گردد . در صورتي كه افت بتن بوسيله متقاضي اعلام نشده باشد ، بايد با توجه به نوع سازه از جدول شماره 1 تعيين گردد . در اين جدول براساس نوع عضو بتني ، مقدار حداكثر و حداقل اسلامپ پيشنهاد شده است . با توجه به اينكه محدوده پيشنهادي نسبتاً وسيع است ، نظر مهندس در تعيين عدد دقيقي ضروري است . هنگامي كه مواد افزودني شيميايي بكار مي رود ، مقدار اسلامپ مي تواند افزايش يابد به شرط اينكه بتن حاوي ماده افزودني داراي همان نسبت آب به سيمان (يا نسبت آب به مواد شيميايي ) و يا كمتر نسبت به مخلوط كنترل بوده و جداشدگي يا آب انداختگي بيش از اندازه از خود نشان ندهد .
3- مقدار آب : با توجه به حداكثر اندازه اسمي دانه ها و افت بتن مقدار آب مورد نياز براي اختلاط از جدول 2 تخمين زده ميشود سپس با توجه به دوام و شرايط محيطي و مقاومت مورد نياز اعلام شده , نسبت وزني آب به سيمان از جدول شماره 3 تعيين ميگردد .
4- مقدار سيمان : مقدار سيمان از رابطه ذيل براي يك متر مكعب بتن بدست مي آيد .
5- مقدار شن ( درشت دانه ) : با توجه به حداكثر اندازه اسمي مصالح و مدول نرمي ماسه , حجم مصالح درشت دانه خشك در واحد حجم بتن از جدول شماره 4 تخمين زده ميشود سپس عدد فوق در وزن واحد حجم ضرب ميشود كه مقدار وزن شن بر حسب كيلوگرم در يك متر مكعب بتن بدست مي آيد .
6- مقدار ماسه ( ريزدانه ) : مقدار ماسه براي وزن يك متر مكعب بتن با توجه به جدول شماره 5 و با توجه به حداكثر اندازه اسمي مصالح تخمين زده ميشود سپس مجموع وزن آب , سيمان و شن از وزن يك متر مكعب بتن كسر تا مقدار ريزدانه تعيين گردد .
توضيح : براي تعيين نسبتها دو روش وجود دارد . A – روش وزني كه بر اساس تخمين وزني هر يك ازاجزاء در متر مكعب مي باشد و B – روش حجمي كه در آن حجم مطلق هر يك از اجزاء متشكله براي رسيدن به حجم واحد محاسبه و با هم جمع ميشوند . حجم مطلق از رابطه ذيل محاسبه مي گردد .
= حجم مطلق
در محاسبه وزن مخصوص آب 1000 كيلوگرم در متر مكعب و وزن مخصوص سيمان 15/3 در نظر گرفته ميشود.
در روش حجمي مجموع حجم مطلق آب , سيمان , درشت دانه و هواي محبوس از عدد يك كسر ميگردد تا حجم مطلق ريزدانه بدست آيد .
7-رطوبت شن و ماسه :
با توجه به اينكه شن و ماسه بصورت طبيعي حاوي رطوبت مي باشند براي در نظر گرفتن اين رطوبت بايد تصحيحاتي را انجام داد و در مواردي كه شن و ماسه به صورت خشك استفاده مي شوند ميزان رطوبت را مي توان به نسبتهاي وزني شن و ماسه افزوده ميشود . آب اختلاط بايد به مقدار رطوبت سطحي كاهش يابد ( رطوبت سطحي عبارتست از كل رطوبت منهاي مقدار جذب آب ) .
8- تصحيح نسبتهاي اختلاط : نسبتهاي بدست آمده را با توجه به شرح فوق تصحيح نموده و بر حسب كيلوگرم در متر مكعب تعيين نماييد . براي تهيه طرح اختلاط بتن در آزمايشگاه نسبتهاي رديف (فوق) را در 2% ضرب و بر حسب مقادير بدست آمده طرح اختلاط بتن در آزمايشگاه تهيه ميشود .
9- تعيين افت بتن ساخته شده :
عمل اختلاط را پس از تعيين نسبتهاي آزمايشگاهي انجام داده سپس افت تعيين ميگردد . عملا ممكن است كه افت مطلوب بدست آيد و يا اينكه مجبور شويد آب زيادتري اضافه نمائيد و يا اينكه از آب تعيين شده مقداري كمتر مصرف نمائيد . به هر حال بر اساس آب مصرف شده براي افت مطلوب مجددا نسبتها تصحيح مي شوند و همچنين اين نسبتها نيز بر اساس حجم پيمانه آزمايشگاهي جديد مجدد اصلاح ميگردند در نهايت نسبتهاي اختلاط را بر حسب كيلوگرم در متر مكعب براي آب , سيمان , شن خشك و ماسه بدست آوريد .
مثال (1) – بتن در شرايط معمولي و بدون حباب هوا
طرح اختلاط بتن جهت قسمتي از سازه كه در زيرزمين احداث خواهد شد مورد نياز است و اين سازه در محلي كه شرايط محيطي سخت و شيميايي وجود ندارد ، قرار دارد . مقاومت مورد نياز 28 روزه 3500 psi معادل 24MP يا 245 kg/cm2 و افت مطلوب 75 تا 100 ميليمتر ميباشد . سيمان مورد استفاده تيپ يك معمولي است . اندازه دانه هاي شن مصرفي بين 2/1,1 اينچ تا الك شماره 4 مي باشد . دانه بندي در حد مشخصات و كيفيت آن مطلوب است .
وزن مخصوص حقيقي درشت دانه 8/2
جذب آب درشت دانه ( شن ) 5/0 درصد
مخصوص ريز دانه ( ماسه ) 64/2
درصد جذب آب ريز دانه 7/0 درصد
حداكثر اندازه اسمي مصالح درشت دانه 5/37 ميليمتر
وزن واحد حجم متراكم مصالح درشت دانه 1600kg/m3
مدول نرمي ماسه 8/2
رطوبت درشت دانه 2 درصد
رطوبت ريزدانه 6 درصد
مرحله اول – تعيين نسبتهاي اختلاط با مصالح خشك بصورت تخمين ( با استفاده از جداول )
1- با توجه به افت 75 تا 100 ميليمتر و حداكثر اندازه اسمي دانه ها 5/37 ميليمتر وزن تقريبي آب مخلوط از جدول شماره 2 مقدار 181 كيلوگرم در متر مكعب تخمين زده ميشود .
2- نسبت وزني آب به سيمان با توجه به مقاومت 28 روزه 24MP ( 245 كيلوگرم در متر مربع ) ازجدول شماره 3 مقدار 62/0 تعيين ميگردد .
3-
181
مقدار سيمان 292 كيلوگرم در متر مكعب با استفاده از رابطه ذيل تعيين ميگردد .
62/0
= 292 Kg كيلوگرم
4- با توجه به حداكثر اندازه اسمي مصالح 5/37 ميليمتر و مدول نرمي ماسه 8/2 طبق جدول شماره 4 حجم مصالح درشت دانه در واحد حجم بتن 71/0 تعيين ميگردد ، در نتيجه با توجه به وزن واحد حجم مصالح درشت دانه كه 1600 كيلوگرم در متر مكعب مي باشد وزن مصالح درشت دانه در يك متر مكعب بشرح زير تعيين ميگردد .
مقدار درشت دانه در يك متر مكعب kg 1136 = 1600 * 71/0
5- در نتيجه نسبتهاي اختلاط بشرح زير تخمين زده ميشود .
كيلوگرم در متر مكعب 181 = آب
= درشت دانه خشك
كيلوگرم در متر مكعب 292= سيمان
كيلوگرم در متر مكعب 1136
1609
6- تعيين نسبتها به روش وزني :
براساس جدول شماره 5 با توجه به حداكثر اندازه اسمي مصالح وزن يك متر مكعب بتن 2410 كيلوگرم تعيين ميگردد . در نتيجه وزن مصالح ريزدانه در يك متر مكعب بتن بصورت زير بدست مي آيد :
وزن مصالح ريزدانه خشك 2410-1609=801
در نتيجه در اولين مرحله نسبتها اختلاط در يك متر مكعب بصورت زير تخمين زده ميشود :
كيلوگرم 181 = آب
كيلوگرم 292 = سيمان
كيلوگرم 1136 = درشت دانه خشك
كيلوگرم 801 = ريزدانه خشك
2410
نكته : اختلاف حاصل براي نسبتهاي اختلاط در روش هاي وزني و حجمي , ناشي از تخمين وزن واحد حجم بتن طبق جدول شماره 5 ميباشد . البته در اثر تكرار آزمايشات و تجارب بيشتر ميتوان اين اختلاف را كم نمود .
جدول شماره (1-الف ) مقاديراسلامپ توصيه شده براي سازه هاي مختلف( 89-211-ACI )
|
نوع سازه |
افت بتن به ميليمتر |
|
|
حداقل |
حداكثر (*) |
|
|
پي و شالوده ديوار هاي بتن آرمه |
25 |
75 |
|
پي ها و ديوارهاي غيرمسطح |
25 |
75 |
|
تيرها و ديوارهاي بتن آرمه |
25 |
100 |
|
ستونهاي سازه |
25 |
100 |
|
روسازي ها و دالها |
25 |
75 |
|
بتن حجيم |
25 |
75 |
(*) براي ديگر روشهاي تراكم غير از لرزان مي توان اين مقدار را به اندازه 25 ميليمتر افزايش داد .
جدول شماره (1-ب ) : حداكثر نسبت مجاز آب به سيمان براي بتن واقع در شرايط محيطي نا مناسب قرار گيرد. (89-211)ACI
| نوع سازه | شرايط محيطي | |
| سازه هايي كه بطور پيوسته يا متناوب مرطوب بوده و تحت اثر سيكلهاي يخ زدن و آب شدن قرار دارند . | سازه هاي در معرض آب دريا يا سولفاتها | |
| قطعات نازك ( نرده ها , جداول , آستانه ها , كارهاي تزييني ) و قطعاتي كه پوشش روي آرماتور آنها كمتر از 25 ميليمتر است | 45/0 | 40 ** |
| كليه انواع ديگر سازه ها | 50/0 | 25 ** |
* – در اين مورد بتن بايستي با حباب هوا باشد .
** – وقتي كه از سيمان ضد سولفات نوع 2 و يا نوع 5 استفاده ميشود به حداكثر نسبت آب به سيمان ميتوان 05/0 افزود
.جدول شماره 2 :مقدار تقريبي آب و هوا براساس اسلامپ و با توجه به حداكثر اندازه اسمي مصالح سنگي ACI-211-89
| مقدار آب برحسب به كيلوگرم بر متر مكعب با توجه به حداكثر اندازه اسمي مصالح سنگي | ||||||||
| 150 | 75 | 50 * | 5/37* | 25* | 19* | 5/12 | 5/9 | افت بتن به ميليمتر |
| بتن بدون حباب هوا | ||||||||
| 113 | 130 | 154 | 166 | 179 | 190 | 199 | 207 | 25 تا 50 |
| 124 | 145 | 169 | 181 | 193 | 205 | 216 | 228 | 75 تا100 |
| – | 160 | 178 | 190 | 202 | 216 | 228 | 243 | 100 تا 175 |
| 2/0 | 3/0 | 5/0 | 1 | 5/1 | 2 | 5/2 | 3 | مقدار تخريبي حباب هوا محبوس در بتن بدون حباب هوا |
| بتن با حباب هوا | ||||||||
| 107 | 122 | 142 | 150 | 160 | 168 | 175 | 181 | 25 تا 50 |
| 119 | 133 | 157 | 165 | 175 | 184 | 193 | 202 | 75 تا100 |
| – | 154 | 166 | 174 | 184 | 197 | 205 | 216 | 100 تا 175 |
| ميانگين درصد هواي كل توصيه شده با توجه به شرايط محيطي | ||||||||
| 1 | 5/1 | 2 | 5/2 | 3 | 5/3 | 4 | 5/4 | ملايم(عادي) |
| 3 | 5/3 | 4 | 5/4 | 5/4 | 5 | 5/5 | 6 | متوسط |
| 4 | 5/4 | 5 | 5/5 | 6 | 6 | 7 | 5/7 | شديد |
جهت آگاهي از جرئيات بيشتر به آيين نامه بتن آمريكا ACI-211.1 – Reapproved 1997 مراجعه شود .
جدول 3 – نسبت آب به سيمان براساس مقاومت فشاري بتن ACI(211-891)
| مقاومت فشاري متوسط 28 روزه به | نسبت وزني آب به سيمان | |
| مگا پاسكال | بتن بدون حباب هوا | بتن با حباب هوا |
| 40 | 42/0 | – |
| 35 | 47/0 | 39/0 |
| 30 | 54/0 | 45/0 |
| 25 | 61/0 | 52/0 |
| 20 | 69/0 | 60/0 |
| 15 | 79/0 | 70/0 |
* – ارقام فوق مقاومت فشاري متوسط بتن هاي ( بدون حباب هوا بامقدار كل حباب هواي 2 درصد ) و بتن هاي با حباب هوا با مقدار كل حباب هواي 6 درصد را بدست ميدهد .
با يك نسبت آب به سيمان ثابت وقتيكه حباب هوا زياد باشد مقاومت بتن كم مي شود . ارقام فوق مقاومت فشاري متوسط 28 روزه نمونه هاي استوانه اي بتن به ابعاد 305*152 ميليمتر ميباشد كه اين نمونه ها براساس استاندارد ASTM 31 در دماي 7/1+23 درجه سانتيگراد عمل آورده شده است . جدول فوق براي مصالح سنگي با حداكثر اندازه اسمي 19تا 25 ميليمتر ( تهيه شده از يك معدن ) فراهم آمده است با نسبت ثابت آب به سيمان هر قدر حداكثر اندازه اسمي مصالح سنگي كوچكتر باشد مقاومت زيادتر مي شود .
جدول شماره 4 – حجم مصالح سنگي درشت در واحد حجم بتن ACI-211-89
| حداكثر اندازه اسمي مصالح به ميليمتر | * حجم مصالح سنگي درشت خشك متراكم شده در واحد حجم بتن با توجه ضريب نرمي مختلف مصالح | |||
| 4/2 | 6/2 | 8/2 | 0/3 | |
| 5/9 | 50/0 | 48/0 | 46/0 | 44/0 |
| 5/12 | 59/0 | 57/0 | 55/0 | 53/0 |
| 19 | 66/0 | 64/0 | 62/0 | 60/0 |
| 25 | 71/0 | 69/0 | 67/0 | 65/0 |
| 5/37 | 75/0 | 73/0 | 71/0 | 69/0 |
| 50 | 78/0 | 76/0 | 74/0 | 72/0 |
| 75 | 82/0 | 80/0 | 78/0 | 76/0 |
| 150 | 87/0 | 85/0 | 83/0 | 81/0 |
*– هدف از حجم مصالح سنگي درشت در اينجا همان حجم متراكم شده بروش ASTM29 ميباشد .
اين حجم ها بر اساس روابط تجربي براي تهيه بتن با درجه كارآئي مناسب براي مصرف در سازه بتن آرمه فراهم شده است در مورد بتن هاي با كارآيي كمتر ماند روسازي يا 10 درصد به ارقام فوق ميتوان افزايش داد و در مورد بتن هاي با كارآئي بيشتر از نوع بتن هايي كه بتن ريزي با پمپ انجام مي شود از ارقام فوق 10 درصد مي توان كاست . براي تعيين ضريب نرمي به ASTM C136 مراجعه شود .
جدول شماره 5 – تخمين مقدماتي براي وزن مخصوص بتن تازه ( ACI-211-89 )
| حداكثر اندازه اسمي مصالح ميليمتر | وزن واحد حجم بتن تازه به كيلوگرم در متر مكعب | |
| بتن بدون حباب هوا | بتن با حباب هوا | |
| 5/9 | 2480 | 1200 |
| 5/12 | 2310 | 2230 |
| 19 | 2325 | 2275 |
| 25 | 2380 | 2290 |
| 5/37 | 2410 | 2350 |
| 50 | 2445 | 2345 |
| 75 | 2490 | 2405 |
| 150 | 2530 | 2435 |