تفاوت دو مفهوم روانی و کارایی بتن

مقدمه

به علت نزدیکی دو مفهوم «کارایی» و «روانی» بتن معمولاً این دو مفهوم به‌صورت یکسان و به‌جای هم استفاده می‌شوند در ادامه به تفاوت این دو مفهوم پرداختیم لطفاً با ما همراه باشید.

1. کارایی بتن چیست؟

مانند دوام، کارایی یک ویژگی اساسی بتن  نیست. کارایی بتن موردنیاز بسته به نوع ساخت و میزان حجم بتن‌ریزی و تراکم آن می‌تواند متفاوت باشد. بتنی که به‌راحتی در فونداسیون عظیم بدون جداسازی قرار می‌گیرد، ممکن است برای تشکیل یک المان نازک سازه‌ای کاملاً غیرقابل‌اجرا باشد. زمانی که برای مخلوط بتن با کارایی معینی ویبراتورهای فرکانس بالا برای یکپارچه‌سازی آن مورداستفاده قرار گیرد، میزان کارایی بتن اگر برای این روش تراکم مطلوب باشد، تراکم با روش دستی برای این مخلوط بتن مناسب نخواهد بود.

تعریف دقیق کارایی، میزان کار مفید داخلی برای تولید تراکم کامل است. کار مفید داخلی صرفاً یکی از خواص فیزیکی بتن است و در واقع به میزان کار یا انرژی لازم برای غلبه بر اصطکاک داخلی بین ذرات مجزای داخل بتن اطلاق می‌شود. به‌هرحال، در عمل به انرژی بیشتری برای غلبه به اصطکاک سطحی بین بتن و قالب یا آرماتور نیاز است. همچنین جهت ویبره کردن قالب‌ها و بتن که متراکم شده است، اتلاف انرژی داریم؛ بنابراین در عمل، اندازه‌گیری کارایی طبق تعریف فوق دشوار است و در حقیقت آنچه در عمل اندازه‌گیری می‌شود، کارایی بر اساس یک روش ابداعی قابل‌پذیرش است.

اصطلاح دیگری که معمولاً در کنار کارایی برای بتن تازه استفاده می‌شود، قوام یا مقداری روان بودن بتن است. گاهی کارایی و قوام به‌اشتباه به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند. درحالی‌که قوام ثبات شکل یا سهولت در روان‌شدن یک ماده را نشان می‌دهد. در مورد بتن، گاهی به معنی درجه خیس بودن نیز به کار می‌رود. میزان کارایی بتن خیس در برخی از محدوده‌های خاص بیشتر از بتن خشک است، اما ممکن است، کارایی بتن‌هایی با قوام یکسان با یکدیگر فرق داشته باشند. وام، توسط آزمایش مخروط اسلامپ یا دستگاه وی بی که تصویر آن در زیر آورده شده است اندازه‌گیری می‌شود.

2. روانی بتن چیست؟

‌روانی‌ (consistency) شاخصه ذاتی بتن است که با آزمایش اسلامپ تعیین می‌شود و آن را قابلیت جاری‌شدن بتن تازه می‌دانند.

منظور از روانی و کارایی بتن، شکل‌پذیری بتن است که توسط آزمایش اسلامپ بتن اندازه‌گیری می‌شود. کارایی و روانی بتن تأثیر زیادی در کیفیت و اجرای بتن دارد‌. بتن‌های با کارایی کم می‌توانند باعث تراکم ناکافی بتن و صعوبت در اجرای بتن شوند. البته باید توجه داشت در همه آیین‌نامه‌های بتن میزان کارایی بتن محدود شده است. چرا که کارایی بالای بتن به منزله استفاده زیاد از آب بوده (‌مگر اینکه از افزودنی‌های بتن استفاده شود) و این امر باعث کاهش دوام و مقاومت بتن می‌شود.

لذا بهترین روش برای افزایش روانی و کارایی بتن استفاده از روان‌کننده یا فوق‌روان‌کننده بتن است. این امر می‌توانند باعث شود بدون افزایش نسبت آب به سیمان باعث سهولت در اجرا و تراکم بهتر و مناسب بتن شود.

تعیین روانی بتن یکی از مهم‌ترین عوامل در پذیرش یا عدم‌پذیرش بتن تازه در محل کارگاه به شمار می‌رود. در واقع میزان روانی بتن می‌تواند به‌عنوان روشی سریع و کاربردی، کیفیت بتن مورداستفاده را مورد ارزیابی قرار دهد. در یک تعریف ساده از روانی می‌توان آن را به شلی یا سفتی بتن نسبت داد. هر چه بتن سفت‌تر باشد، در واقع روانی کمتری دارد و بالعکس. یکی از آزمایش‌های متداول در تعیین روانی بتن تازه، استفاده از آزمایش تعیین روانی به روش اسلامپ (Slump) است.

طبق استاندارد ملی ایران به شمارهٔ ISIRI 3203، آزمایش اسلامپ “برای بتن‌های خمیری و چسبنده با سنگ‌دانه‌های تا قطر 40 میلیمتر کاربرد دارد”. انجمن بتن امریکا (ACI) در کمیته ی تخصصی 238.IR-08 به تشریح آزمایش اسلامپ پرداخته و روش انجام آن را به استاندارد ASTM C 143 ارجاع داده است. بر اساس این استاندارد، بتن هایی خمیری و چسبنده به حساب می آیند که در محدوده ی 15 تا 230 میلیمتر قرار گیرند. اگر اسلامپ بتن کمتر از 15 میلیمتر باشد به آن بتن بدون اسلامپ یا zero slump گفته می‌شود و برای بتن های بالاتر از 230 میلیمتر نیز از اصطلاح بتن های ریزشی یا collapsed slump یاد می‌شود. همچنین این استاندارد، اندازه ی سنگ‌دانه ها را تا 37/5 میلیمتر محدود نموده است.

3. حفظ رطوبت سنگ‌دانه‌ها برای حفظ اسلامپ بتن

به‌کارگیری سنگ‌دانه‌های مرطوب در بتن، می‌تواند به حفظ اسلامپ بتن در هوای گرم کمک شایانی نماید. در واقع با پیش مرطوب‌سازی سنگ‌دانه در کارخانه‌های بتن، می‌توان بتنی با حفظ کارایی بیشتر تولید نمود.

برای اثبات این مطلب آزمایشی در شرایط کارگاهی خاصی انجام شده است؛ شرایطی مشابه کارخانه‌های بتن آماده تا نتایج دقیق و معتبری ارائه شود. در این آزمایش، دو نمونه بتنی از آب، سنگ‌دانه، سیمان و ابرروان‌کننده بتن پایه پلی کربوکسیلات اتر تولید شد تا نسبت آب به سیمان کاهش یابد و شرایط کمی سخت‌تر شود.

تنها تفاوت دو نمونه مذکور آن بود که سنگ‌دانه‌های یکی از نمونه‌ها، از ۲۴ ساعت قبل تحت رطوبت قرار گرفته بود تا جذب آب آن به‌صورت کامل انجام شود و مقداری دمای سنگ‌دانه‌ها کاهش یابد؛ اما سنگ‌دانه‌های نمونه دوم کاملاً زیر آفتاب قرار گرفت و بدون هیچ‌گونه رطوبت و به‌صورت کاملاً خشک به مخلوط بتنی اضافه شد.

این دو نمونه تحت شرایط مناسب با روانی یکسان تولید شد تا افت کارایی آن به‌دقت مورد بررسی قرار گیرد. ازآنجاکه در ساخت این دو نمونه بتنی از روان‌کننده بتن پایه پلی کربوکسیلات استفاده شده بود و نمونه‌ها روانی زیادی داشتند، برای تعیین درصد اسلامپ از آزمایش اسلامپ فلو استفاده شد.

4. اسلامپ بتن

کارایی یکی از پارامترهای فیزیکی بتن است که بر استحکام، دوام و همچنین هزینه‌های نیروی کار و ظاهر محصول نهایی تأثیر می‌گذارد. زمانی گفته می‌شود بتن دارای کارایی است که به‌خوبی در محل موردنظر قرار بگیرد و به طور همگن فشرده شود به طور مثال بدون ریزش و تفکیک. بتن غیرکارا نیاز به کار و تلاش بیشتری برای فشرده‌شدن در محل موردنظر دارد، همچنین حفرات کندو مانند ‌یا کیسه‌های هوایی در محصول نهایی قابل‌مشاهده خواهد بود.

5. عوامل مؤثر بر کارایی بتن

بدیهی است که کارایی به یک سری عامل‌های اندرکنشی از قبیل مقدار آب، نوع و دانه‌بندی مصالح سنگی، نسبت مصالح سنگی به سیمان، حضور مواد افزودنی و ریزی سیمان بستگی دارد. دراین‌بین عامل اصلی مقدار آب موجود در مخلوط بتن است، زیرا با اضافه‌کردن آب، لغزیدن ذرات بر روی یکدیگر به‌سادگی افزایش می‌یابد، به‌هرحال، برای حصول شرایط بهینه به‌منظور به‌حداقل‌رساندن میزان حفره، یا به حداکثر رساندن چگالی بدون جداشدگی، باید نوع و دانه‌بندی مصالح سنگی مطابق استانداردهای بیان شده باشد.

به‌طورکلی کارایی بتن به عوامل 6 گانه زیر بستگی دارد:

1. نسبت آب به سیمان
2. دانه‌بندی و نوع مصالح سنگی
3. نسبت مصالح سنگی به سیمان
4. مواد افزودنی
5. ریزی سیمان
6. سایر عوامل

1.5. نسبت آب به سیمان

در یک طرح اختلاط مشابه که فقط تفاوت در نسبت آب به سیمان است، با افزایش این نسبت مقدار آب مخلوط و در نتیجه کارایی مخلوط افزایش می‌یابد. اما افزایش نسبت آب به سیمان تا میزان بهینه مفید است، اگر از این میزان فراتر رود باعث ایجاد حفره‌های زیاد در بتن سخت شده می‌شود که خود عامل کاهش مقاومت است. کاهش مقاومت بتن باهدف تراکم کامل و کارایی مطلوب در تضاد است.

2.5. دانه‌بندی و نوع مصالح سنگی

در انتخاب نوع و دانه‌بندی مصالح سنگی باید به نکات زیادی توجه کرد تا هدف تراکم کامل بتن تحقق یابد. برای مثال، مصالح سنگی ریزتر، آب بیشتری را برای مرطوب ساختن سطح مخصوص بزرگ‌ترشان طلب می‌کنند. همین‌طور مصالح سنگی با شکل نامنظم‌تر و بافت سطحی خشن‌تر مقدار آب بیشتری نسبت به مصالح سنگی گرد گوشه نیاز دارند. علاوه بر این میزان تخلخل و جذب آب مصالح سنگی از آن نظر مهم است که می‌تواند قسمتی از آب اختلاط لازم برای لغزیدن ذرات موجود در بتن بر روی یکدیگر را به خود اختصاص دهد.

مصالح سنگی سبک به کاهش کارایی بتن تمایل دارند. در حقیقت، کارایی تحت‌تأثیر نسبت‌های چگالی‌های ویژه (چگالی ذرات) متغیر، به‌عنوان‌مثال مصالح سنگی نیمه سبک، استفاده می‌شود باید نسبت‌های اختلاط را بر اساس حجم مطلق هر بخش با اندازه خاص ارزیابی کرد.

3.5. نسبت مصالح سنگی به سیمان

در یک نسبت آب به سیمان ثابت، کارایی با کاهش نسبت مصالح سنگی به سیمان افزایش می‌یابد. دلیل این امر افزایش نسبت آب به کل ذرات موجود در مخلوط است. نسبت بالای حجم مصالح سنگی درشت‌دانه و ریزدانه می‌تواند منجر به جداشدگی و کارایی کمتر شود، به‌طوری‌که مخلوط بتن خشک شده و به‌راحتی پرداخت‌کاری نمی‌شود. برعکس، ریزدانه‌های بسیار زیاد منجر به کارایی بیشتر می‌شوند، اما دوام بتن ساخته شده از چنین مخلوطی با ماسه بیش از حد، پایین خواهد بود.

4.5. مواد افزودنی

ماده افزودنی حباب هوازا، آب لازم برای حصول یک کارایی معین را کاهش می‌دهد. دسته دیگری از مواد افزودنی به نام کاهنده‌های آب (روان‌کننده‌ها) و فوق‌روان‌کننده‌ها وجود دارد که برای اهداف متفاوتی در طرح اختلاط استفاده می‌شود. این مواد می‌توانند باعث کسب مقاومت بیشتر با کاهش نسبت آب به سیمان در کارایی یکسان شوند. علاوه‌برآن می‌توانند با افزایش کارایی در محل‌های غیرقابل‌دسترسی بتن‌ریزی شوند. روان‌کننده‌ها و فوق‌روان‌کننده‌ها دارای عواملی با سطح فعال هستند که با داشتن بارهای الکتریکی باعث پراکنده کردن ذرات سیمان در مخلوط شده و این ذرات توسط مولکول‌های آب جهت‌دار احاطه شده و این امر تحرک بیشتر به ذرات و آب آزاد بیشتری را به مخلوط می‌دهد.

5.5. نحوه بهبود کارایی بتن

• افزایش نسبت آب به سیمان
• افزایش سایز سنگ‌دانه‌ها
• استفاده از سنگ‌دانه‌های گرد و صاف به‌جای مصالح دارای شکل نامنظم در بتن
• افزایش زمان مخلوط‌کردنبتن
• افزایش دمای اختلاط
• استفاده از سنگ‌دانه‌های غیرمتخلخل و اشباع
• استفاده از مواد افزودنی بتن

6. معرفی آزمایش کارایی بتن

چندین تست با استفاده از دستگاه‌های پیشرفته و فرایندی استاندارد به‌منظور بررسی میزان روانیت مخلوط های بتنی طراحی شده‌اند که قصد داریم در ادامه به ذکر و توضیح هر یک بپردازیم:

1.6. آزمایش اسلامپ

معروف‌ترین و کاربردی‌ترین آزمایش برای سنجش این ویژگی در بتن‌ها به شمار می‌آید. برای بررسی کارایی بتن با این آزمایش، ابتدا درون مخروط ناقص را مرطوب می‌کنند، سپس آن را بر روی مرکز صفحه فلزی قرار داده و با پا محکم در جهت قائم روی صفحه فشار می‌دهند.

اکنون نوبت آن رسیده که مخلوط سیمان را به داخل مخروط بریزند. دقت کنید که هیچ‌گونه ضربه یا لرزشی نباید به مخروط وارد شود.

پس از آن که بتن اضافی با ماله یا خط کش برداشته شد، مخروط را به آرامی به سمت بالا کشیده و سپس زمان پخش بتن روان دایره 500 میلی متری را به وسیله کرونومتر با دقت 1/0 ثانیه اندازه خواهند گرفت. ملات سیمان دارای اسلامپ، بهترین گزینه برای بتن‌ریزی بر روی سطوحی است که با کمک اسپیسر یا اسپیسر بتن، آرماتور بندی شده‌اند.

2.6. آزمایش اسلامپ Flow

پهن‌شدگی بتن یا اسلامپ فلو، اولین و مطرح‌ترین آزمایش جهت بررسی میزان پخش ملات سیمان به‌حساب می‌آید. تاریخچه این آزمایش به بررسی بتن‌ریزی Tremie که در زیر آب انجام می‌گرفت، در ژاپن برمی‌گردد.

تفاوت این آزمایش با اسلامپ اصلی در این است که به‌جای افت و فرونشستن مخروط بتن، قطر متوسط بتن پهن شده در سطح زمین اندازه‌گیری خواهد شد و قابلیت پر کردن (سیلان و جریان) نشان داده خواهد شد.

3.6. آزمایش حلقه J

در این آزمایش، گذر بتن از میان موانع، به‌خصوص شبکه‌های آرماتور متراکم در قالب به کمک اسپیسرهای پلاستیکی، در ابعاد کوچک و آزمایشگاهی شبیه‌سازی می‌شود.

روش انجام آزمایش حلقه جی به این صورت می‌باشد که ابتدا مخروط ناقص اسلامپ را در وسط حلقه J قرار می‌دهیم. سپس 6 لیتر بتن را در داخل مخروط می‌ریزیم. در انتها با سرعتی ثابت و به‌صورت قائم، مخروط را به بالا می‌کشیم. در آخر نیز اختلاف ارتفاع بتن را در داخل و خارج حلقه J در 4 نقطه اندازه‌گیری کرده و میانگین می‌گیریم.

4.6. آزمایش قیف V شکل

یکی دیگر از آزمایش‌های تعیین میزان روان بودن مخلوط، مربوط به قیف وی شکل، طراحی شده در ژاپن می‌باشد. حجم دستگاه قیف 12 لیتر است و برای بتن‌های با حداکثر اندازه سنگ‌دانه 20 میلی‌متر کارایی دارد.

ابتدا پیش از هر اقدامی می‌بایست سطوح دستگاه را مرطوب نماییم. سپس مخلوط را بدون اعمال فشار یا تراکم به داخل قیف می‌ریزیم. دقت کنید که دریچه قیف بسته باشد سطح دستگاه نیز با ماله یا کمچه صاف گردد. همچنین زیر دریچه یک سطل با حجم کافی قرار گرفته شود.

پس از ده ثانیه از گذشت ریختن مخلوط به داخل قیف، دریچه را بازکرده زمان خروج مخلوط به‌صورت کامل به داخل سطل را به‌عنوان زمان جریان قیف وی ثبت می‌کنیم. این آزمایش بایستی در عرض 5 دقیقه به طور کامل انجام شده باشد.

جمع‌بندی ونتیجه‌گیری

جهت آشنایی کامل با  “تفاوت دو مفهوم روانی و کارایی بتن” به جزوه “تکنولوژی بتن” و جهت آشنایی بیشتر با قوانین و ضوابط مربوط به این مقاله به “آیین‌نامه بتن ایران – آبا (نشریه 120) – جلد اول تحلیل و طراحی | مصوب سال 1401” در پکیج “استانداردهای صنعت ساخت” در بخش گنجینه فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید.