همه چیز در مورد طرح اختلاط بتن

مقدمه

بهبود کیفیت بتن دارای روش‌های متنوعی است. در حقیقت برای آن که بتوانید میزان کارایی بتن را افزایش دهید باید با تمامی آن شیوه‌ها آشنا شوید چرا که هر کدام از آن‌ها در مواقع خاصی به کار گرفته می‌شوند. از طرف دیگر رسیدن به چنین سطحی از دانش باعث می‌شود تا بتوانید علاوه بر بهبود کیفیت بتن، سودآوری پروژه‌ها را نیز افزایش دهید. از آن جایی که رسیدن به چنین جایگاهی نیازمند تحقیق و بررسی اصولی و مدون می‌باشد نیاز است تا پیش از هر کاری اطلاعات خود را در این زمینه افزایش دهید. طرح اختلاط بتن یکی از مهم‌ترین فرایندهایی است که تسلط بر آن بسیار مهم است چرا که تأثیر مستقیم و مهمی بر کیفیت بتن و اجرای پروژه‌ها دارد. از آن جایی که این مفهوم دارای نکات متعددی است در ادامهٔ این مقاله به بررسی طرح اختلاط بتن خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید.

1. طرح اختلاط بتن چیست؟

طرح مخلوط بتن، روند تعیین نسبت اجزاء بتن است به‌نحوی‌که بتن تاحدامکان مقرون‌به‌صرفه شود و الزامات موردنیاز شامل خواص فیزیکی، مکانیکی و دوام را برآورده نماید. روش طرح مخلوط بتن باعث ایجاد یک‌زبان مشترک برای دست‌اندرکاران این صنعت خواهد شد. طرح مخلوط به مفهوم فرایندی است که طی آن ترکیب مناسب اجزای بتن، طبق مشخصات فنی داده شده، تعیین می‌گردد. سازوکار طرح مخلوط پیچیده است، زیرا با تغییردادن یک متغیر ممکن است خواص بتن به‌صورت متضاد تحت‌تأثیر قرار گیرد؛ بنابراین، طرح مخلوط، هنر متعادل‌کردن این اثرهای متضاد است. البته، در طرح مخلوط ممکن است معیاری دیگری مانند کاهش جمع‌شدگی، خزش و غیره در نظر گرفته شود.

در ادامه، روش‌های طرح مخلوط ملی ایران، انگلیسی (BS)، آلمانی و نیز آمریکایی (ACI) به‌صورت راهنمای گام‌به‌گام معرفی شده‌اند. مبانی روش طرح مخلوط ایران برگرفته از روش آلمانی است. در روش ارائه شده به‌عنوان روش ملی طرح مخلوط بتن، تطابق با استاندارد سنگ‌دانه‌های بتن (استاندارد ملی ایران به شماره 302) و همچنین آیین‌نامه بتن ایران و ویژگی‌های سیمان پرتلند (استاندارد ملی ایران به شماره 389) در نظر گرفته شده است. این روش برای طرح مخلوط بتن‌های ویژه مانند بتن‌های حجیم، بتن‌های سبک، بتن‌های سنگین و غیره مستقیماً قابل کاربرد نمی‌باشد بلکه نیاز به اعمال تمهیدات خاص و ایجاد تغییرات می‌باشد.

در هر کدام از روش‌ها، جهت طرح مخلوط بتن می‌توان از نرم‌افزارهای ارائه شده نیز استفاده نمود. مثال طرح اختلاط بتن، نرم‌افزار طرح مخلوط بتن طبق روش ملی ایران، نسبت‌های مخلوط بتن را بر اساس روش ملی طرح مخلوط بتن ارائه می‌دهد.

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 نباید 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 باتوجه‌به 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 سنگ‌آهک 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. از این روش 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:

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 باتوجه‌به 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.

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)

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.

* مدول نرمی ضریبی است که از دانه‌بندی به دست 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.

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 اگر به سنگ‌دانه نگاه کنیم به نظر خیس بیاد اما اگر 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، درصورتی‌که 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.

مصالح	وزن خشک در هر مترمکعب بتن	وزن آب موجود در مصالح	نسبت‌های جدید
شن	1207	0.005*1207=6.03	1207+6.03=1213.03
ماسه	731	0.025*731=18.275	731+18.275=749.275

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 آن را 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 باتوجه‌به ظرفیت بتونیر به‌صورت تدرجی باهم مخلوط کنیم. (یعنی همان اول کل سیمان موردنیاز را در بتونیر نریزیم.)

جمع‌بندی ونتیجه‌گیری

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 2/1 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