طرح اختلاط بتن؛ محاسبه گام به گام با حل مثال و ویدئو جامع

پیش تر در مقاله روش های کیورینگ یا عمل آوری بتن بیان کردیم که نسبت های تقریبی اختلاط بتن بر روی افزایش مقاومت فشاری بتن تاثیر بسزایی دارد. اما طرح اختلاط بتن چیست؟ علت اهمیت طرح اختلاط و تأکید بر روی یادگیری این مفهوم به چه دلیل می‌باشد؟ نحوه تبدیل نمونه های مکعبی به استوانه‌ای به چه شکل است؟ افزودنی های بتن چیست؟

در این مقاله کاربردی سعی کرده ایم با حل مثال های کاربردی به طور مفصل به این سوالات پاسخ دهیم. همچنین برای درک بهتر مطالب، یک ویدئو جامع نیز برای شما عزیزان قرار داده ایم که می‌توانید در انتهای همین صفحه این ویدئوی فوق العاده را دانلود کنید.

⌛ آخرین به‌روزرسانی : 24 فروردین 1401

📕 تغییرات به روز رسانی: تغییر فهرست و ترتیب مطالب و اضافه کردن موارد جدید

1. مقاومت بتن چیست؟

مقاومت یک ماده، به توانایی و مقاومت آن در برابر تنش‌ها، بدون بروز شکست در آن، اطلاق می‌شود.

مقاومت فشاری، توانایی ماده در تحمل بارهای وارده بدون رخ‌دادن ترک یا تغییر شکل است. مقاومت فشاری بتن به‌عنوان یکی از مهم‌ترین نقاط مثبت این ماده شناخته می‌شود. این ویژگی معمولاً به‌عنوان معیاری برای ارزیابی کیفیت کلی بتن و همچنین توصیف ویژگی‌های دیگر آن نظیر روانی و یکنواختی مورداستفاده قرار می‌گیرد. در صورت ساخت اصولی مخلوط سیمانی، مقاومت فشاری آن می‌تواند به‌اندازه یک سنگ سخت طبیعی باشد.

❓ حالا این توانایی بتن در تحمل بار رو چطوری می‌سنجیم؟

مقاومت یا همان مقاومت فشاری بتن یا Fc به‌اصطلاح به نتیجه آزمایش تعیین مقاومت فشاری بتن گفته می‌شود. این آزمایش بر روی نمونه‌های استاندارد مکعبی و یا استوانه‌ای (به مقاله ارزیابی کیفیت بتن رجوع شود) صورت می‌گیرد. میزان بار وارد بر روی نمونه در سن مشخص در هنگام شکست نمونه در هر سانتیمتر مربع، مقاومت بتن نامیده می‌شود. در شکل زیر دستگاه تعیین مقاومت فشاری بتن را برای دو نمونه مکعبی و استوانه‌ای مشاهده می‌کنید:

شکل 1- دستگاه آزمایش فشاری بتن با نمونه درون آن

در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش پنجم) مقاومت بتن به این صورت تعریف می‌شود:

1.1. نمونه‌های مکعبی بتن

در انگلستان انجام آزمایش مقاومت فشاری بتن بر روی نمونه مکعبی بسیار مرسوم می‌باشد. نمونه مکعبی از بتن به ابعاد ۱۵ سانتی‌متر را پس از به‌عمل‌آمدن، بین دو صفحه موازی دستگاه اندازه‌گیری مقاومت فشاری گذاشته و سپس تحت اثر نیروی فشاری قرار می‌دهند. تنش در مرحله خرابی بتن به‌عنوان مقاومت فشاری آن محسوب می‌گردد.

این نمونه‌ها معمولاً در قالب‌هایی به ابعاد 100×100×100، 150×150×150، 200×200×200، 250×250×250 و 300×300×300 میلی‌متر مکعب تهیه می‌شوند (شکل 2).

شکل 2- نمونه‌های مکعبی

2.1. نمونه‌های استوانه‌ای بتن

در آمریکا روش تست بتن و مقاومت فشاری بتن توسط نمونه استوانه‌ای بسیار متداول می‌باشد. بتن در قالب استوانه‌ای به ارتفاع ۳۰ سانتی‌متر و قطر ۱۵ سانتی‌متر ریخته شده، برای مدت معلومی به‌عمل‌آمده و سپس توسط دستگاه سنجش مقاومت فشاری بتن فشرده می‌گردد (رجوع شود به مقاله ارزیابی مقومت بتن). در این حالت مقدار تنش در زمان خرابی نمونه به‌عنوان مقاومت فشاری بتن محسوب می‌شود. برای یک نوع بتن، مقاومت فشاری نمونه بتن استوانه‌ای از نوع نظیر آن برای نمونه مکعبی کمتر می‌باشد که این اختلاف عمدتاً ناشی از تفاوت ابعاد و شکل دو نمونه بتنی می‌باشد. به‌صورت اجرایی در کارگاه ۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، به مقاومت استوانه‌ای می‌کنیم تا به مقاومت مکعبی برسیم. (برای اطلاعات بیشتر به مقاله ارزیابی مقاومت بتن رجوع شود.)

طبق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، نمونه استوانه‌ای استاندارد به ابعاد 300×150 میلی‌متر می‌باشد. (شکل 3)

شکل 3- نمونه‌های استوانه‌ای

3.1. تیپ بندی بتن بر اساس آیین‌نامه بتن ایران

در آیین‌نامه بتن ایران (آبا) رده‌بندی بتن براساس مقاومت مشخصه آن به ترتیب زیر است:

C6, C8, C10, C12, C16, C20, C25, C30,C40, C45, C50

اعداد بعد از C بیانگر مقاومت فشاری مشخصه بتن برحسب نیوتن بر میلی‌متر مربع یا مگاپاسکال هستند.

(1N/mm²=10 kg/cm²)

(برای مثال بتن C20 مقاومت فشاری 200kg/cm² دارد.)

4.1. عیار بتن

به‌طورکلی از بین مواد تشکیل‌دهنده بتن، سیمان عامل استحکام بتن است و امکان چسبیدن ماسه و سنگ به‌هم را فراهم می‌کند و عیار بتن، مقدار سیمان مصرف‌شده بر حسب کیلوگرم، در واحد حجم بتن تولید شده بر حسب مترمکعب است. یکی از روش‌های دسته‌بندی بتن، عیار آن می‌باشد. مثلاً اگر می‌گوییم، یک بتن با عیار ۱۵۰ است یعنی، در یک مترمکعب بتن ۱۵۰ کیلوگرم سیمان استفاده شده است. در ساخت‌وسازها، بسته به نوع سازه و مواد استفاده (بتن‌ریزی سقف، فونداسیون و کف) از به‌تنهایی با عیارهای متفاوت استفاده می‌شود. به‌عنوان‌مثال برای بتن مگر از عیار بتن کم و برابر ۱۵۰ و برای ملات آجرکاری و بنایی عدد آن ۲۵۰ و برای بتن معمولی این عدد ۳۵۰ استفاده می‌کنیم.

5.1. رابطه مقاومت فشاری و عیار

مقاومت مشخصه با عیار بتن متفاوت است. مثلاً وقتی می‌گوییم بتن c۲۰، یعنی مقدار مقاومت فشاری بتن ۲۰ مگاپاسکال است اما وقتی می‌گوییم بتن با عیار ۲۰۰ یعنی، در یک مترمکعب بتن، ۲۰۰ کیلوگرم سیمان استفاده شده است. هرچه قدر میزان سیمان به‌کاررفته در بتن بیشتر باشد، مقاومت بتن افزایش می‌یابد. یعنی رابطه مقاومت مشخصه و عیار بتن مستقیم است ولی مقدار سیمان استفاده شده در بتن هم محدودیت دارد و نمی‌توان گفت، با افزایش هرچه بیش‌تر سیمان، مقاومت بتن به بی‌نهایت می‌رسد. به همین دلیل و با توجه به روابط تئوری و تجربی که وجود دارد، مقدار سیمان لازم را با درنظرگرفتن مقاومت موردنظر اندازه‌گیری می‌کنند. با یک عیار سیمان و با توجه به نوع دانه‌بندی، ممکن است مقاومت‌های متفاوتی را داشته باشیم. رابطه مقاومت مشخصه و عیار بتن از فرمول زیر مشخص می‌شود:

w=( Fc+9)*10

(Fc : مقاومت مشخصه بتن بر اساس آیین‌نامه و نمونه‌های استاندارد بر حسب مگاپاسکال، w : عیار سیمان بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب)

به‌عنوان‌مثال اگر مقاومت مشخصه بتن برابر ۲۵ مگاپاسکال باشد، عیار سیمان حدوداً برابر ۳۴۰ کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد.

w=(25+9)*10=340 kg/m³

6.1. عوامل مؤثر بر مقاومت فشاری

از مهم‌ترین عواملی که تغییر در مقدار و یا شرایط آن‌ها می‌تواند باعث افرایش یا کاهش مقامت فشاری شود، مشخصات سیمان مصرفی، نسبت آب به سیمان و شرایط انجام آزمایش می‌باشد.

1.6.1. مشخصات سیمان مصرفی

ابتدا به طبقه‌بندی انواع سیمان پرداخته و سپس تأثیر آن‌ها را در افزایش مقاومت بتن بررسی می‌کنیم.

انواع سیمان به شرح زیر می‌باشد:

الف) سیمان پرتلند نوع 1: به عنوان سیمان پرتلند معمولی برای مصارف عمومی در ساخت ملات یا بتن به کار می‌رود.

ب) سیمان پرتلند نوع 2: به عنوان سیمان پرتلند اصلاح شده در برابر حمله سولفات‌ها، در مواردی که آب‌های زیرزمینی یا خاک حاوی مقدار کمی سولفات باشد مصرف می‌گردد و به علت گرمازایی کمتر در بتن‌ریزی‌های نسبتاً حجیم نیز مصرف می‌شود.

ج) سیمان پرتلند نوع 3: به عنوان سیمان پرتلند با مقاومت اولیه زیاد در شرایطی که مقاومت اولیه زیاد موردنظر باشد به کار می‌رود.

د) سیمان پرتلند نوع 4: به عنوان سیمان پرتلند با حرارت کم در شرایطی که حرارت هیدراتاسیون کم بتن موردنظر باشد به کار می‌رود.

ه) سیمان پرتلند نوع 5: به عنوان سیمان پرتلند ضد سولفات در شرایطی که مقاومت زیاد بتن در برابر سولفات‌ها موردنظر باشد به کار می‌رود.

1.1.6.1. تأثیر مشخصات سیمان بر مقاومت:

سیمان حدود ۷ الی ۱۵ درصد بتن را تشکیل می‌دهد. سیمان‌های مصرفی در مخلوط بتنی باید با توجه به مقاومت موردنظر، شرایط محیطی و ابعاد سازه انتخاب شوند. منظور از تأثیر مشخصات سیمان بر روی مقاومت بتن آن است که اگر در تهیه بتن از انواع مختلف سیمان مانند سیمان پرتلند نوع 1 و … (که در بالا توضیح داده شد) استفاده شود، چه تأثیری در مقاومت نهایی بتن دارد که در ادامه به آن می‌پردازیم.

ازآنجاکه سرعت واکنش‌زایی هر یک از اجزای مختلف سیمان پرتلند با آب، به طور قابل‌توجهی با یکدیگر تفاوت دارند، لذا ممکن است که روند افزایش مقاومت سیمان را به‌سادگی از طریق ترکیب اجزای سیمان تغییر داد. برای مثال، اگر سیمان دارای مقادیر نسبتاً زیادی از تری کلسیم سیلیکات (C₃S) و دی‌کلسیم سیلیکات (C₂S) باشد، مقاومت‌های اولیه 3 و 7 و 22 روزه زیاد خواهند بود و اگر سیمان دارای نسبت زیادتری C₂S باشد، مقاومت اولیه کم خواهد بود. (شکل 4)

شکل 4-تأثیر انواع سیمان بر روی افزایش مقاومت فشاری بتن بر حسب مگاپاسکال

همچنین شکل 4 آهنگ رشد مقاومت بتن‌های ساخته‌شده با انواع سیمان را نشان می‌دهد. با اینکه این رشد مقاومت‌ها به میزان قابل‌ملاحظه‌ای متفاوت‌اند، اما اختلاف کمی بین مقاومت 90 روزه انواع سیمان وجود دارد. همه منحنی‌ها تقریباً در سن سه‌ماهه (90 روزه) همدیگر را قطع می‌کنند. بتن ساخته‌شده با سیمان زودگیر (نوع III) در سنین تا سه‌ماهه نسبتاً مقاومت بالایی را دارا است ولی پس از آن مقاومتش اندکی کمتر از بتن ساخته‌شده با سیمان معمولی (تیپ I) و به میزان قابل‌ملاحظه‌ای کمتر از بتن ساخته‌شده با سیمان اصلاح شده (نوع II) یا کم حرارت (نوع IV) یا سیمان ضد سولفات (نوع V) است.

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که روند کسب مقاومت بتن‌هایی که با شرایط یکسان ولی با انواع مختلف سیمان پرتلند ساخته می‌شوند، یکسان نیست ولی درعین‌حال مقاومت 90 روزه تمامی آن‌ها با یکدیگر برابر بوده و مساوی 1/2 برابر مقاومت نمونه 28 روزه‌ای است که با سیمان نوع یک ساخته‌شده است. همچنین به‌هیچ‌وجه نمی‌توان رابطه‌ای برای رشد مقاومت بتن ساخته‌شده با یک نوع خاص سیمان و یا رشد مقاومت بتن‌های ساخته‌شده با انواع مختلف سیمان، در نسبت آب به سیمان برابر و یا روانی برابر نسبت به یکدیگر وضع کرد. علاوه‌برآن چنان چه عیار سیمان، توزیع دانه‌بندی سیمان، روانی یا نسبت آب به سیمان و حتی دمای ساخت بتن تغییر نماید، این نسبت‌ها مسلماً تغییر خواهد کرد.

2.6.1. نسبت آب به سیمان

نسبت آب به سیمان، وزن آب موجود در یک ترکیب تقسیم بر وزن مواد سیمانی است. وزن کل آب شامل تمام آب مخلوط بتن و آب سطح مصالح است. مواد سیمانی شامل سیمان پرتلند، سیمان مخلوط و مواد افزودنی سیمانی مانند خاکستر بادی، سیلیکا فوم و سرباره می‌باشد. به این دلیل، نسبت آب به سیمان ممکن است به‌عنوان نسبت آب به مصالح سیمانی (W/C) نامیده شود. نسبت آب به سیمان یکی از بزرگ‌ترین عواملی است که بر مقاومت بتن تأثیر مستقیم دارد. حفره‌های هوا در بتن به نسبت آب به سیمان بستگی دارد پس این نسبت، نحوه شکل‌گیری ساختار متخلخل بتن را مشخص می‌کند.

فضای متخلخل درون بتن، به‌عنوان ضعیف‌ترین بخش آن شناخته می‌شود که به گسترش ترک در هنگام بارگذاری کمک می‌کند. هرچه نسبت آب به سیمان بیشتر باشد، استحکام فشاری بتن کمتر خواهد بود. همچنین اهمیتی ندارد که چقدر نرخ مصرف آب در واکنش زیاد است، با توجه به مقدار زیاد آب موجود در مخلوط، مقداری آب همچنان زمانی که بتن به سخت‌شدگی رسید و آماده استفاده شد باقی می‌ماند. این آب محبوس شده به‌تدریج تبخیر می‌شود و فضاهای خالی را در بلوک بتنی برجای می‌گذارد. حضور این حفره‌ها منجر به کاهش زیاد مقاومت می‌شود.

هنگامی که نسبت آب به سیمان کم است، ازآنجایی‌که آب موجود برای هیدراتاسیون بسیار کمتر است، تقریباً همه آن در طول واکنش استفاده می‌شود؛ بنابراین آبی برای تبخیر شدن باقی نمی‌ماند و ازاین‌رو کاهش مقاومت به علت تشکیل حفرات نیز هنگامی که نسبت W/C کم است، بسیار پایین‌تر خواهد بود. (پیکان نارنجی در شکل 5، مسیر حرکت آب می‌باشد. فضای بین سنگ‌دانه‌ها مانند لوله مویین عمل می‌کند و آب را به بالا می‌کشد.)

شکل 5- ساختار داخلی بتن

نمودار 1- نمودار نسبت آب به سیمان با مقاومت فشاری

3.6.1. شرایط انجام آزمایش

تأثیر رطوبت عمل‌آوری بر روی مقاومت بتن را می‌توان به‌وضوح از نتایج شکل زیر مشاهده کرد. نتایج نشان می‌دهند که بعد از ۱۸۰ روز، به‌ازای یک نسبت آب به سیمان مشخص، مقاومت بتن به‌عمل‌آمده در شرایط کاملاً مرطوب در حدود ۳ برابر مقاومت همین بتن تحت شرایط عمل‌آوری در هوا گشته است.

نمودار 2- تأثیر رطوبت بر مقاومت فشاری بتن

حداقل مدت ۷ روز عمل‌آوری مرطوب برای بتن‌های ساخته شده با سیمان معمولی توصیه می‌شود. بدیهی است برای سیمان‌های آمیخته و سیمان‌های پوزولانی، برای رسیدن به مقاومت نهایی و انجام واکنش‌های کامل پوزولانی، زمان بیشتری لازم می‌باشد. عمل‌آوری کاملاً مرطوب با پاشیدن آب بر روی بتن و یا در آب قراردادن نمونه و با استفاده از ماسه مرطوب، خاک‌اره خیس و پارچه کتانی فراهم می‌شود.

شکل 6- عمل‌آوری بتن

هیدراتاسیون یکسری واکنش‌های شیمیایی است که در اثر برخورد آب و سیمان هیدرولیکی اتفاق میفتد. وقتی آب و سیمان در خمیر سیمان ترکیب می‌شوند، بیشتر دانه‌های سیمان بلافاصله شروع به حل شدن در آب می‌کنند که این امر فرایند هیدراتاسیون را آغاز می‌کند. این واکنش‌ها ترکیبات جدیدی را تولید می‌کنند و هرچه هیدراتات سیمان بیشتر شود، آب و سیمان بیشتری مصرف شده و ترکیبات بیشتری تولید می‌شود. ترکیبات گسترش می‌یابند و همچنین شروع به تجمع و اتصال به یکدیگر می‌کنند. در نهایت، تجمع ترکیبات منجر به سفت شدن، سخت شدن و توسعه مقاومت خمیر سیمانی می‌شود و بتن خمیری را به محصولی بادوام و مقاوم تبدیل می‌کند؛

لزوم عمل‌آوری برخاسته از این حقیقت است که هیدراسیون سیمان تنها در منافذ مویینه (رجوع شود به بخش 1-6-2 این مقاله) پر از آب اتفاق می‌افتد. به این دلیل باید از افت آب از منافذ مویینه جلوگیری کرد. علاوه بر این، افت درونی آب به دلیل خود خشک‌شوندگی نیز با آب خارجی جبران می‌شود. به‌عبارت‌دیگر آب باید از یک منشأ خارجی به داخل بتن راه یابد. خشک‌شوندگی در بتن آب‌بندی‌شده زمانی اتفاق می‌افتد که نسبت آب به سیمان کمتر از حدود 5/0 باشد، زیرا رطوبت نسبی داخل در منافذ مویینه از حداقل مقدار لازم برای وقوع هیدراسیون یعنی 80درصد کمتر می‌شود.

باید بر این نکته تاکید شود که الزاماً نباید برای افزایش رضایت‌بخش مقاومت، تمامی دانه‌های سیمان هیدراته شوند، و در عمل نیز این اتفاق به ندرت پیش می آید. به هر حال، در صورتی که عمل آوری تا زمانی که منافذ مویینه موجود در خمیر سیمان هیدراته شده قطعه بندی شود ادامه یابد، آنگاه بتن نفوذ ناپذیر شده (و همین طور دارای مقاومت کافی بوده) که این خصلت برای دوام بتن حیاتی است.

7.1. افزودنی‌های شیمیایی بتن

افزودنی‌های بتن مواد شیمیایی هستند که در زمان مخلوط کردن یا در هنگام گیرش اولیه و یا پس از سخت شدن به بتن یا ملات اضافه می‌شوند تا خصوصیات آن را تغییر دهند. این مواد می‌توانند یک ماده شیمیایی واحد یا ترکیبی از چندین ماده شیمیایی باشند. از لحاظ فیزیکی ممکن است به‌عنوان پودر تهیه شده اما ازآنجاکه در حالت مایع راحت‌تر می‌توانند جدا شده و در بتن پراکنده شوند، اکثر آنها محلول‌های آبی‌اند.

ماده شیمیایی فعال یا مؤثر به طور معمول 35-40 درصد حجم کلی در ترکیبات مایع است اما می‌تواند خلوص صددرصدی داشته باشد (به‌عنوان‌مثال ترکیبات کاهنده شیرینکیج و جمع‌شدگی بتن) و یا حداکثر 2٪ کل حجم باشد (مثلاً ترکیبات حباب‌ساز بتن). این به آن معناست که در بیشتر موارد، آب اضافه شده از طریق مواد افزودنی به بتن آن‌قدر نیست که نسبت آب به سیمان در مخلوط بتنی نیازمند تصحیح باشد (برخلاف رویه‌ای مثل بتن‌ریزی در هوای گرم که در آن با اضافه‌کردن یخ خرد شده به بتن دمای مصالح سنگی پایین آورده شده و درعین‌حال درصد حجم یخ را محاسبه و میزان آب متناظر را در بتن در حال اختلاط کاهش می‌دهند).

درصد اضافه‌شدن مواد افزودنی بتن به طور متوسط کمتر از 5٪ وزن سیمان مصرفی است اما بیشتر ترکیبات کمتر از 2٪ و معمولاً 1 تا 1/5 درصد است.
در پاسخ به این سؤال: که هنگام بتن‌ریزی چقدر افزودنی بریزیم؟ گفته می‌شود این مقدار عدد دقیقی نیست و بسته به شرایط بتن‌ریزی و نوع افزودنی در هر پروژه به هر میکسر بتن اضافه می‌گردد. اما برای مثال مقدار حدودی برای فوق روان‌کننده‌ها چیزی در حدود 1.5 تا 2.5 کیلوگرم در مترمکعب می‌باشد. همچنین مقدار موردنیاز ضدیخ برای افزودن به بتن، تابع عیار بتن و صدالبته شرایط دمایی چیزی در حدود 2 تا 4درصد وزن سیمان مصرفی در بتن می‌باشد. (اعداد به‌صورت تجربی بیان شده‌اند.)

فوق روان‌کننده‌ها:

فوق روان‌کننده‌ها روانی بیشتری را در یک نسبت آب به سیمان ثابت در مقایسه با بتن شاهد ایجاد می‌کنند و همچنین یک روانی ثابت را در مقایسه با یک بتن شاهد با کاهش آب مخلوط فراهم می‌کنند. (فوق کاهنده آب) (شکل 7).

نکته: بتن شاهد نمونه‌ای است که در کارگاه می‌ماند تا در صورتی که نمونه 28 روزه جواب نداد، مقاومت آن را 90 روزه بسنجند.

شکل 7-فوق روان کننده

معمولاً میزان مصرف افزودنی‌های بتن از جمله فوق روان‌کننده بتن، بر اساس درصدی از سیمان در بتن محاسبه می‌گردد. بسته به نوع روان‌کننده میزان مصرف می‌تواند بین 0/2 تا 2 درصد وزن سیمان مصرفی باشد. علاوه‌برآن برای محاسبه میزان مصرف بهترین روش مراجعه به دیتاشیت محصول می‌باشد.

تسریع‌کننده‌ها:

این نوع افزودنی‌ها نرخ کسب مقاومت بتن را در زمان‌های آغازین گیرش بتن افزایش می‌دهند و یا زمان‌گیرش را کاهش می‌دهند و یا هر دو اثر را ایجاد می‌کنند. (شکل 8)

شکل 8- تسریع‌کننده

میزان مصرف فوق روان‌کننده زودگیر بتن با توجه به آزمایش‌های دقیق کارگاهی و دمای محیط و نوع مصالح مصرفی به دست می‌آید ولی به‌طورکلی میزان مصرف این نوع فوق روان‌کننده 1 الی 1/5 درصد وزن سیمان مصرفی است. باید توجه شود که حتماً با توجه به افزودن فوق روان‌کننده زودگیر بتن، به همان میزان از آب بتن کاسته شود.

کندگیر کننده‌ها:

این نوع از افزودنی‌های بتن با ایجاد تأخیر در روند واکنش هیدراتاسیون سیمان، موجب کاهش سرعت گیرش و افزایش زمان آن می‌شوند. با استفاده از کندگیر کننده‌ها امکان افزایش زمان حمل و نقل فراهم می‌شود. همچنین این نوع افزودنی‌ها باعث کاهش درز سرد و ترک‌خوردگی‌ها می‌شوند. (شکل 9)

شکل 9-کندگیرکننده

معمولاً افزودنی‌های کندگیرکننده در حالت مایع اندازه‌گیری و مصرف می‌شوند و چنانچه این افزودنی‌ها به شکل جامد (پودر) تحویل گردند، لازم است ابتدا بر طبق پیشنهاد تولیدکننده محلولی با درصد جامد مناسب از آن تهیه و سپس مصرف شوند.

مواد افزودنی کاهنده آب:

این ماده افزودنی بدون تغییر روانی، مقدار آب مخلوط بتن را کاهش می‌دهد یا بدون تغییر مقدار آب، اسلامپ و روانی را افزایش می‌دهد یا هر دو اثر را به طور هم‌زمان ایجاد می‌کند (شکل 10).

افزودنی‌های کاهنده آب با کاهش مصرف آب باعث افزایش مقاومت می‌شوند و همچنین برای پرکردن آسان بخش‌هایی که دسترسی سخت است، کاربرد دارند.

شکل 10- کاهنده آب

افزودنی‌های کاهنده آب نیز در حالت مایع اندازه‌گیری و مصرف می‌شوند و چنان چه این افزودنی‌ها به شکل جامد (پودر) تحویل شوند، لازم است ابتدا بر طبق پیشنهاد تولیدکننده محلولی با درصد جامد مناسب از آن تهیه و سپس مصرف شوند.

افزونه‌ها و فیلرها:

از جمله کارآمد و مؤثرترین راهکارهای کاهش نفوذپذیری بتن، حداقل رساندن نسبت آب به سیمان است. این امر در شرایط معمول به علت حداقل‌های لازم جهت اجرای و تراکم نمی‌تواند از حدی پایین‌تر اجرایی باشد. ازاین‌رو استفاده از انواع افزودنی‌های بتن ضروری است. افزودنی‌های کاهنده آب به‌خصوص افزودنی‌های بتن بر پایه کربوکسیلات می‌توانند تا نسبت آب به سیمان را تا 35 درصد کاهش دهند و علاوه بر کاهش شدید نسبت آب به سیمان و به‌تبع نفوذپذیری باعث افزایش مقاومت گردند. همچنین پوزولان‌ها (گونه‌ای خاکستر آتش‌فشانی ریزدانه که در ساخت بتن کاربرد دارد) به‌صورت خام یا بعد از فعال‌سازی حرارتی در بعضی از جاهای دنیا مورداستفاده قرار می‌گیرند. (شکل 11)

شکل 11-ژل میکروسیلیس به عنوان افزونه و فیلر

2. طرح اختلاط بتن

مخلوط بتنی متشکل از آب، سیمان، شن و ماسه است. به روند تعیین نسبت این اجزا بر اساس ضوابط و مشخصات موردنیاز طرح اختلاط بتن گویند. این ترکیب باید خواص مکانیکی، فیزیکی و دوام قابل‌انتظار را با توجه به پروژه و کاربرد مدنظر برآورده نماید.
هرکدام از اجزای مخلوط بتنی تأثیر به‌خصوصی در مقاومت بتن دارند و با تغییر نسبت این اجزا، بتنهایی با مشخصات متفاوت ساخته می‌شوند. به کمک طرح اختلاط بتن، برای هر نوع کاربرد، این نسبت‌ها تعیین می‌گردد.
یکی از استفاده‌های مهم طرح اختلاط زمانی است که به بتن کارخانه دسترسی نداریم و در محیط کارگاه مجبور به ساخت بتن به‌صورت دستی هستیم. در این‌گونه مواقع، استفاده از طرح اختلاط مناسب‌ترین راهکار می‌باشد.

1.2. مبانی طرح اختلاط بتن

1) حاشیه ایمنی مقاومت

حاشیه ایمنی مقاومت بـرای درنظرگرفتن نوسانات کمی مقاومت بتن به دلیل تغییـرات و نوسـانات کیفـی و کمـی احتمـالی سـیمان، سنگ‌دانه، آب و افزودنی که ناشی از خطاهای انسانی، دستگاهی یا طبیعی است، منظور می‌شود. حاشیه ایمنی به مقاومت مشخصه بتن اضافه می‌شود و مقاومـت فـشاری متوسـط لازم برای طرح مخلوط یا همان مقاومت هدف یا نشانه طرح مخلوط به دست می‌آید. مـسلماً بـه هـر میزان بی‌دقتی در تأمین و به‌کارگیری اجزاء بتن و ساخت آن بیش‌تر باشد، نیاز به به‌کارگیری حاشیه امنیت مقاومتی بیش‌تری وجود دارد.

2) روانی بتن

در تهیه یک طرح مخلوط بتن، دستیابی بـه روانـی و کارایی مطلـوب از جایگـاه خاصـی برخوردار است. کارایی و روانی بتن تأثیر زیادی در کیفیت و اجرای بتن دارد و توسط آزمایش اسلامپ اندازه‌گیری می‌شود.

3) آب آزاد بتن

به آبی که در زمان‌گیرش اولیه بتن در خمیر سیمان و بیرون سنگ‌دانه‌ها وجـود دارد آب آزاد می‌گویند. آب آزاد، کارایی خمیر سیمان در بتن را تأمین می‌کند و ساختار اولیـه خمیـر سیمان را به وجود می‌آورد به همین دلیل مقاومت و کیفیت و دوام خمیر سـیمان، تـابع نـسبت وزنی آب آزاد بتن می‌باشد.

4) نوع سنگ‌دانه‌ها

جنس سنگ‌دانه ممکن اسـت بر دوام سنگدانه و بتن اثرگذار باشد اما در طرح مخلوط بتن، جنس سنگدانه از نظر کمی تأثیری ندارد. مسلماً در انتخاب سنگدانه، جنس سنگدانه از نظر کانی‌شناسی و ویژگی‌های مکانیکی آن به همراه ویژگی‌های دوام اهمیت جدی دارد.

5) دانه‌بندی سنگ‌دانه‌ها

هرچند دانه‌بندی سنگدانه‌های بتن بر مقاومت، دوام و کارایی بتن مؤثر است اما نبایـد از تأثیر آن بر جداشدگی، آب انداختن و جمع‌شدگی بـتن غافـل شـد. نمی‌توان انتظـار داشـت کـه منحنی‌های دانه‌بندی‌های ارائه‌شده، حداقل فضای خالی را به وجود آورند؛ اما می‌توان انتظار داشت با این دانه‌بندی‌ها در مجموع به بتن مطلوبی دست‌یافت. تغییـر درشـتی و ریـزی بافت دانه‌بندی به نوع بتن مطلوب و نوع پروژه و قطعه و هم چنین نوع وسیله حمل و ریختن بستگی دارد و نمی‌توان توصیه کلی را برای همه موارد ارائه نمود.

6) سیمان مصرفی

در ایران، سیمان‌های مختلف با مقاومت‌های متفاوت و خواص گوناگون تولیـد می‌شود. سیمان‌های پرتلند تولیدی در ایران عمدتاً به‌صورت نوع 1 و 2 و 5 می‌باشد. سـیمان پرتلنـد نوع 1 در استاندارد ایران به سه رده مقاومتی 325، 425 و 525 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع تقسیم می‌شود که امروزه هر سه رده در ایران تولید می‌گردد. با اینکه در ایـن روش، سـه رده مقاومتی سیمان پرتلند نوع 1 مدنظر قرار گرفته است، اما می‌توان نسبت آب بـه سـیمان بتن‌های حاوی سایر سیمان‌های پرتلند و آمیخته را نیز به دست آورد.

7) سن مقاومت مشخصه و شکل نمونه بتن

در ساختمان‌ها و سازه‌های متعارف، به‌ویژه وقتی از سیمان‌های پرتلنـد بـا رونـد عـادی کسب مقاومت مانند نوع 1 استفاده می‌شود، معمولاً از سـن مقاومـت مشخـصه 28 روزه در مشخصات فنی و آیین‌نامه‌ها استفاده می‌گردد. در برخی سازه‌ها ممکن اسـت سـن مقاومـت مشخصه کم‌تر یا بیش‌تر از 28 روز باشد. در سال‌های اخیر با توجه به گستردگی استفاده از سیمان‌های آمیخته و برای کاهش تولید و مصرف کلینکر سعی می‌شود در حد امکـان سـن مقاومـت مشخصه بتن پروژه‌ها بیش از 28 روز انتخاب شود تا از پتانسیل مقاومتی این نوع سیمان‌ها به نحو احسن استفاده گردد.

نکته: کلینکر در تولید سیمان پرتلند، دانه‌های حرارت دیده‌ای است که معمولاً ۳-۲۵ میلی‌متر (قطر) دارند و از حرارت دادن به سنگ آهک و آلومینیوم سیلیکات (خاک رس) در طی مرحله کوره سیمان به وجود می‌آیند.

8) دوام بتن

بـدیهی اسـت که یکـی از اهداف طرح مخلوط بتن، دستیابی به بتنی است که در شرایط محیطی پروژه از دوام مناسـب و عمر مفید مطلوبی برخوردار باشـد. مواردی که برای تأمین دوام مطرح می‌باشد، مربوط بـه کیفیـت اجـزاء بتن (سیمان، سنگدانه، آب و مواد افزودنی) است و یا بـرای تـأمین پایـایی، محدودیت‌هایی مانند حداکثر مجاز نسبت آب به سیمان، حـداقل یـا حـداکثر مجـاز سـیمان مـصرفی و حتـی محدودکردن حداکثر اندازه سنگدانه و یا توصیه‌هایی در مورد دانه‌بندی اسـت که در طرح مخلوط بتن باید به‌دقت موردتوجه قرار گیرد.

1.1.2. طرح اختلاط بتن از نگاه مبحث نهم

نکات مهم و ضروری که در طرح اختلاط بتن (طبق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان – ویرایش پنجم) باید رعایت شوند، عبارت‌اند از:

2.2. روش‌های طرح اختلاط بتن

چند روش طرح اختلاط بتن وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به روش ۲۱۱ – ACI آمریکا، BS انگلیسی، آلمانی و روش مخلوط ملی ایران اشاره نمود.
روش ملی ایران از روش آلمانی برگرفته شده است. ازاین‌روش برای طرح اختلاط بتن‌هایی نظیر بتن‌های سبک، بتن‌های حجیم، بتن‌های سنگین و غیره با ایجاد تغییرات و شرایط خاص می‌توان استفاده نمود و به‌صورت مستقیم نمی‌توان این روش را به کاربرد.

در ادامه مقاله، روش گام‌به‌گام تعیین طرح اختلاط بتن به روش ACI با مثال‌های حل شده بیان شده است.

3.2. محاسبه گام‌به‌گام طرح اختلاط بتن

1) انتخاب اسلامپ

انتخاب اسلامپ معمولاً بر اساس تجربه صورت می‌گیرد. در غیر این صورت می‌توان از جدول 1 استفاده کرد:

جدول 1-اسلامپ های پیشنهادی برای سازه‌های مختلف (ACI-211-89)

2) انتخاب بزرگ‌ترین بعد دانه‌ها

بزرگ‌ترین بعد دانه شنی (Dmax) معمولاً بر اساس تجربه مهندس طراح انتخاب می‌شود. اما طبق مبحث نهم بند 9-22-4-6:

همچنین به‌صورت تجربی می‌توان با توجه به کمترین فاصله بین میلگردها (موجود در نقشه اجرایی)، این فاصله را مشخص کرد.

*مبنای این الزامات چیست؟ بزرگ‌ترین دانه نباید از موارد ذکر شده بزرگ‌تر باشد، تا هنگام بتن‌ریزی، بتن به‌راحتی درون قطعات حرکت کند و به مشکل برنخوریم.

3) تخمین مقدار آب لازم و میزان هوا (W و A)

مقدار تقریبی آب لازم و میزان هوا را می‌توان از جدول 2 به دست آورد. همچنین درصد تقریبی هوای غیرعمدی که در بتن بدون حباب هوا ایجاد می‌شود، در این جدول پیش‌بینی‌شده است.

جدول 2-مقادیر طبیعی آب و هوا بر اساس اسلامپ و بزرگ‌ترین بعد دانه‌ها (ACI-211-89)

4) انتخاب نسبت آب به سیمان (W/C)

انتخاب نسبت آب به سیمان باید بر اساس مقاومت موردنیاز بتن و شرایط محیطی صورت گیرد. (جدول 3 الف و ب)

جدول 3 الف- نسبت آب به سیمان بر اساس مقاومت فشاری بتن (ACI-211-89)

جدول 3 ب- حداکثر نسبت مجاز آب به سیمان در شرایط محیطی نامناسب (ACI-211-89)

5) محاسبه مقدار سیمان (C)

پس از تخمین مقدار آب موردنیاز و محاسبه نسبت آب به سیمان به‌آسانی می‌توان مقدار سیمان را محاسبه کرد.

6) تخمین مقدار دانه‌های درشت (CA)

حجم دانه‌های درشت به‌صورت خشک در واحد حجم بتن را می‌توان بر اساس جدول 4، با دانستن بزرگ‌ترین اندازه اسمی سنگدانه و مدول نرمی به دست آورد. با استفاده از آن ضریبی استخراج می‌گردد که با ضرب آن در جرم حجمی سنگدانه خشک نیمه متراکم، مقدار شن در واحد حجم بتن حاصل می‌گردد. با درنظرگرفتن این که وزن مخصوص شن خشک در محدوده 1600 تا 1800 کیلوگرم بر مترمکعب است، وزن شن بر حسب کیلوگرم به دست می‌آید.

جدول 4- حجم دانه‌های درشت در واحد حجم بتن (ACI-211-89)

* مدول نرمی ضریبی است که از دانه‌بندی بدست می‌آید و به‌ویژه در ایالات متحده به مقدار قابل‌توجهی استفاده می‌شود. مدول نرمی به مجموع درصدهای تجمعی باقی‌مانده روی الک‌ها استاندارد (منهای زیر الک) تقسیم بر صد گفته می‌شود سری الک‌های استاندارد شامل الک‌های است که اندازه هر الک دوبرابر اندازه الک قبلی باشد. مدول نرمی تعیین‌کننده ریزی و درشتی دانه‌ها است هر چه دانه‌های سنگی درشت‌تر باشد مدول نرمی آنها بیشتر است همچنین ریزدانه‌ها مدول نرمی کمتری دارند.

7) تعیین مقدار دانه‌های ریز (ماسه)، (FA)

آخرین پارامتر باقی‌مانده مقدار ماسه است که با داشتن سایر پارامترها و کم‌کردن مجموع آن‌ها از وزن یک مترمکعب بتن تعیین می‌شود. وزن مخصوص ماسه اشباع با سطح خشک (SSD) حدود ۲۴۰۰ کیلوگرم در مترمکعب می‌باشد.

جدول 5- تخمین وزن یک مترمکعب بتن

نکته: در هنگام طرح مخلوط بتن، شرایط رطوبت سنگ‌دانه‌ها به‌صورت اشباع با سطح خشک (SSD) در نظر گرفته می‌شود (حالت اشباع با سطح خشک درشت‌دانه، زمانی اتفاق می‌افتد که اگه به سنگدانه نگاه کنیم به نظر خیس بیاد اما اگه اونو برداریم و لمسش کنیم دستمون خیس نشه) و آب به‌صورت، آب مؤثر یا آب آزاد در محاسبات منظور می‌گردد.

8) تنظیم رطوبت بتن

در مراحل قبلی فرض بر این بود که سنگ‌دانه‌ها در حالت اشباع با سطح خشک هستند. معمولاً در کارگاه‌ها دانه‌ها یا رطوبتی کمتر از این حالت دارند یا رطوبتی بیشتر از آن دارند؛ بنابراین وزن اجزای بتن باید تصحیح شود.

1.3.2. مثال طرح اختلاط

مطلوب است طرح اختلاط بتن با مفروضات زیر:

• شرایط محیطی: ملایم
• حداکثر اندازه سنگدانه: 37.5 میلی‌متر
• اسلامپ: بین ۸۰ تا ۱۰۰ میلی‌متر
• مقاومت فشاری ۲۸ روزه: ۲۵ مگاپاسکال
• مدول نرمی: 2.8

مشخصات مصالح از قرار زیر می‌باشد: (وزن مخصوص خشک شن همیشه عددی در حدود 1700 کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد.)

حل مثال:

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

گام دوم: حداکثر اندازه سنگدانه 37.5 میلی‌متر داده شده است.

گام سوم: از جدول (2) مقدار آب مخلوط برابر 181 کیلوگرم و مقدار هوای ناخواسته برابر ۱ درصد به دست می‌آید.

گام چهارم: با استفاده از جدول (3-الف) مقدار نسبت آب به سیمان (W/C)، 0/61 به دست می‌آید.

گام پنجم: مقدار سیمان برابر است با:

W=181Kg, W/C=0.61 —–> 181/0.61= 296.72 kg/m³

گام ششم: با استفاده از جدول (4) مقدار دانه‌های درشت برابر است با:

0.71 * (وزن مخصوص شن در حالت خشک)1700 = 1207 kg/m³

گام هفتم: برای تعیین مقدار ماسه باید حجم اجزای معلوم را از حجم کل کم کرد.

پس وزن ماسه برابر است با:

2415-(1207+296+181)=731 kg/m³

گام هشتم: تنظیم رطوبت برای پیمانه آزمایشی: حالا که مقدار وزنی همه مصالح (سیمان، شن، ماسه و آب) را به دست آوردیم، باید توسط عدد درصد انحراف رطوبت از حالت ssd، وزن‌های شن و ماسه را اصلاح کنیم. (چون ما از وزن مخصوص خشک برای مصالح استفاده کردیم، درصورتی که در حالت واقعی که مصالح ما کاملاً خشک نیستند و باید مقدار انحراف از رطوبت ssd که معیار ما برای طرح اختلاط هست را محاسبه کنیم.)

بدین ترتیب نسبت‌های نهایی بدین شکل خواهد بود:

749.275kg/m³ = مقدار ماسه
1213.03kg/m³= مقدار شن

برای محاسبه مقدار آب، باید وزن آب موجود در شن و ماسه را که در بالا محاسبه کردیم، از مقدار قبلی کسر کنیم:

156.695= 181-6.03-18.275= مقدار آب مخلوط
296kg/m³= مقدار سیمان

2.3.2. مثال کارگاهی طرح اختلاط

گاهی اوقات در کارگاه پیش می‌آید که برای مصارفی، نیاز به اندکی بتن داشته باشیم (برای پرکردن قسمتی از سازه که بتن برایش کم آوردیم). در این شرایط نمی‌توانیم بتن را سفارش دهیم و باید آن‌را در محل کارگاه (با بیل و فرقون و بتونیر) بسازیم.

طرح اختلاط بتنی که در کارگاه ساخته می‌شود بر اساس عیار موردنیاز برای بتن و به‌صورت تجربی (البته که پایه علمی دارد که همان موارد گفته شده است.)، به دست می‌آید. مثلاً برای بتن با عیار 400، به‌صورت تجربی از نسبت حجمی 3-2-1 استفاده می‌کنیم (یک واحد سیمان، دو واحد ماسه و سه واحد شن). مراحل کار به این شکل است:

• حجم بتن موردنیاز خود را محاسبه می‌کنیم (با متر کردن طول و عرض و ارتفاع آن حجم و بر اساس مترمکعب). فرض می‌کنیم فضای موردبحث ما، طول 100 سانتی‌متر، عرض 80 سانتی‌متر و ارتفاع 30 سانتی‌متر دارد، در نتیجه:

1*0.8*0.3=0.24 m³

• با مفهوم عیار در ابتدای این مقاله آشنا شدیم، پس می‌دانیم بتن با عیار 400 یعنی در هر مترمکعب بتن، 400 کیلوگرم سیمان وجود دارد، پس برای به‌دست‌آوردن مقدار سیمان در حجم موردنظر خود، مقدار عیار را در حجم ضرب می‌کنیم:

400* 0.24=96

• یعنی در حجم بتن موردنظر ما (0.24 مترمکعب) و عیار بتن 400، 96 کیلوگرم سیمان موردنیاز است. (ازآنجایی‌که هر پاکت سیمان 50 کیلوگرم است، یعنی 2 پاکت سیمان)

• حالا می‌رسیم به مقدار شن و ماسه. با استفاده از نسبت 3-2-1، باید به‌ازای هر واحد حجمی سیمان، 2 واحد ماسه و 3 واحد شن استفاده شود. بهترین پیمانه حجمی در کارگاه بیل می‌باشد. یعنی 1 بیل سیمان، 2 بیل ماسه و 3 بیل شن را در بتونیر مخلوط می‌کنیم، تا به بتن مدنظر برسیم.

• به‌صورت تجربی، 1 پاکت سیمان معادل 8 بیل می‌باشد، یعنی برای ساخت سیمان، 2 پاکت سیمان را نزدیک بتونیر باز می‌کنیم، و با دانستن اینکه، این دو پاکت معادل 16 بیل هستند، با نسبت 3-2-1 اقدام به ساخت بتن می‌کنیم.

*مصالح را باید با توجه به ظرفیت بتونیر به‌صورت تدرجی باهم مخلوط کنیم. (یعنی همون اول کل سیمان موردنیاز را در بتونیر نریزیم.)

نتیجه‌گیری

با بررسی مطالب ذکرشده و آزمایش‌های انجام‌یافته می‌توان نتیجه گرفت که:

1- مقاومت 90 روزه بتن‌های ساخته‌شده با انواع مختلف سیمان برابر بوده و مساوی 1/2 برابر مقاومت نمونه 28 روزه‌ای است که با سیمان نوع یک ساخته‌شده است.
2- برای تبدیل مقاومت نمونه‌های مکعبی به استوانه‌ای یا برعکس باید از ضریب‌های موجود در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان استفاده کرد.
3- هیچ رابطه مشخص و تعریف‌شده‌ای بین مقاومت بتن و عیار سیمان وجود ندارد اما به طور تجربی می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

(fc +9)*10=w

که در آن fc مقاومت مشخصه بتن بر حسب مگاپاسکال و w عیار سیمان بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد.

4- مراحل طرح اختلاط بتن به‌صورت خلاصه به شکل زیر است:

• گام اول: انتخاب اسلامپ
• گام دوم: انتخاب اندازه حداکثر سنگ‌دانه‌ها
• گام سوم: تخمین آب مخلوط
• گام چهارم: انتخاب نسبت آب به سیمان
• گام پنجم: محاسبه مقدار سیمان
• گام ششم: تخمین مقدار سنگ‌دانه‌های درشت
• گام هفتم: تخمین مقدار سنگدانه ریز
• گام هشتم: تنظیم رطوبت بتن

منابع

1.  مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش پنجم، 1399.
2. کتابخانه آنلاین عمران سبزسازه
3. ماهنامه فناوری سیمان هشتمین کنفرانس ملی سالیانه بتن ایران – تهران -15 مهرماه 1395
4.  ACI-211
5.  civilercity.com
6. structuralengineering.blog.ir
7. forum.mohandesidl.ir
8. civilibeton.com
9. clinicbeton.com

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا