مهندسین مشاور خاک و پی آزما

آزمایشگاه فنی مکانیک خاک،بتن و آسفالت


طرح اختلاط بتن

Tuesday 23rd of September 2014
PSL soil testing

طرح اختلاط بتن
(Concrete Mix Design)
[ACI 211.1]
مقدمه:
مسئله طرح اختلاط بتن، اساساً عبارتست از انتخاب مقادير مناسب سيمان، سنگدانه هاي ريز (ماسه)، سنگدانه هاي درشت (شن)، و آب، براي ساخت بتني با خواص معين كه اقتصادي نيز باشد (اين مقادير معمولاً بر حسب وزن اجزا در واحد حجم بتن بيان مي شوند). در بسياري از مواقع مواد ديگري نيز بعنوان مواد افزودني بكار مي روند.
مهمترين خواصي كه معمولاً از بتن انتظار مي رود عبارتند از:
1- كارايي بتن تازه ، 2- مقاومت فشاري بتن سخت شده و 3- دوام (پايايي) بتن سخت شده. (همچنين وزن مخصوص، مدول الاستيسيته، مقاومت كششي و ...)
دوام كافي براي هر بتن به شرايط محيطي كه بتن در معرض آن قرار خواهد گرفت بستگي خواهد داشت. در يك طرح مخلوط مناسب، تاثير هر يك از عوامل مخرب محيطي در جاي مناسب در نظر گرفته شده و تدابير مناسب جهت تامين دوام كافي اتخاذ خواهد گرديد. اين تدابير معمولا با مشخص كردن حداكثر نسبت آب به سيمان (حداقل سيمان مصرفي) و در بعضي مواقع با محدود كردن نوع مصالح مصرفي انجام مي شود.
مقاومت فشاري بتن در بين خواص فوق شايد مهمترين باشد و معمولا توسط طراح سازه، با توجه به نيازهاي سازه ايي و شرايط اجرايي و كارگاهي تعيين مي شود و مجري كار (پيمانكار) نيز موظف به تامين اين مقاومت خواهد بود. با توجه به اينكه آيين نامه بتن ايران، كاربرد بتن با مقاومت فشاري نمونه استوانه ايي 28 روزه كمتر از Mpa 16 را براي بتن مسلح مجاز نمي داند، در كارهاي عملي معمولي و كم اهميت، مقاومت فشاري بتن Mpa 20 تا Mpa 25 و در كارهاي مهمتر تا Mpa 40 در نظر گرفته مي شود.
كارايي به سهولت در حمل و ريختن بتن در قالب، تراكم و پرداخت سطح آن (بدون ايجاد جدا شدگي) اطلاق مي شود و معمولاً توسط مجري كار تعيين مي شود. ميزان كارايي لازم مخلوط با در نظر گرفتن شرايط كار ساختماني از جمله سطح قطعه بتني، ميزان ميل گرد موجود در قطعه، وسايل موجود براي تراكم، و ... انتخاب مي شود؛ يعني مثلا يك كارايي مناسب براي بتن حجيم، الزاماً براي مقطع نازك، غيرقابل دسترسي و يا با ميلگرد زياد كافي نخواهد بود.

مراحل طرح اختلاط
موسسه بتن آمريكا (ACI) روشي را براي انتخاب نسبت هاي مخلوط بتن حاوي سيمان پرتلند به تنهايي و يا همراه ساير مواد سيماني و همچنين حاوي مواد افزودني توصيف نموده است. لازم به تاكيد است كه اين روش، تقريب اوليه اي از نسبت هاي مصالح است كه بايد در تهيه مخلوط هاي آزمايشي بكار روند. مخلوط هاي آزمايشي پس از تهيه، بايد اصلاح شوند تا طرح مورد نظر حاصل شود.
گام اول: تعيين خواص بتن و مشخصات مصالح مصرفي. حداقل داده هاي زير را جمع آوري كنيد:
اسلامپ : اگر اسلامپ تعيين نشده است، مقدار مناسب براي كار مورد نظر را مي توان از جدول 1 انتخاب كرد. از مخلوط هاي با كمترين اسلامپ، يعني كمترين رواني، كه مي توان بدون جداشدگي آن را جايگذاري و متراكم كرد بايد استفاده شود.
مقاومت فشاري 28 روزه. با توجه به نيازهاي سازه ايي و شرايط اجرايي تعيين مي شود.
اندازه حداكثر سنگدانه. بطور كلي حداكثر اندازه سنگدانه درشت (شن)، بايد بزرگترين اندازه ايي باشد كه موجود و اقتصادي است و با ابعاد سازه نيز مطابقت داشته باشد. در هيچ صورتي اندازه حداكثر سنگدانه نبايد از يك پنجم كوچكترين بعد بين طرفين قالب ها، يك سوم ضخامت دال ها، يا سه چهارم حداقل فاصله آزاد بين ميلگردها بيشتر باشد.
مدول نرومي ماسه. با انجام آزمايش، مدول نرمي ماسه مورد استفاده را بدست آوريد.
چگالي انبوهي شن. با انجام آزمايش، چگالي انبوهي شن خشك ميله خورده را بدست آوريد (شن خشك را در سه لايه درون پيمانه مخصوص بريزيد و هر لايه را با 25 ضربه كوبه استاندارد متراكم كنيد. حاصل تقسيم جرم شن درون پيمانه بر حجم پيمانه ، چگالي است).
گام دوم:
تخمين آب مخلوط و مقدار هوا. آب در مخلوط بتن، به سه دليل مصرف مي شود: 1) براي هيدراته شدن سيمان و توليد خمير چسباننده 2) مرطوب كردن سطح خارجي سنگدانه ها (به اصطلاح روغنكاري سنگدانه ها) تا به راحتي روي همديگر بلغزند. 3) روان كردن مخلوط بتن، مقدار آب مورد نياز براي هر واحد حجم بتن، كه اسلامپ مورد نظر را توليد كند، تابع حداكثر اندازه، شكل و دانه بندي سنگدانه ها و همچنين مقدار حباب هواي وارد شده است. تخمين اوليه آب مصرفي مخلوط براي بتن بدون حباب هوا و بتن با حباب هوا را از جدول 2 مي توان بدست آورد. در اين جدول، همچنين مقدار تقريبي هواي غيرعمدي محبوس در بتن بدون ماده حباب زا، و نيز مقدار كل هواي توصيه شده (عمدي ± غيرعمدي) براي شرايط محيطي مختلف در بتن داراي ماده حباب زا، داده شده است.
گام سوم: انتخاب نسبت آب به سيمان و محاسبه مقدار سيمان. مقاومت بتن، اساساً تحت تاثير نسبت آب به سيمان مخلوط قرار دارد؛ هرچند كه تاثير مشخصات سنگدانه ها و نوع سيمان را نبايد از نظر دور داشت. مقادير تقريبي و نسبتاً محافظه كارانه نسبت آب به سيمان را، براي بتن ساخته شده از سيمان پرتلند تيپ I ، مي توان از جدول 3 استخراج نمود. از آنجا كه نسبت آب به سيمان انتخاب شده بايد هر دو معيار مقاومت و دوام را تأمين كند، مقادير بدست آمده از جدول ممكن است بسته به شرايط خاص قرارگيري در معرض محيط كاهش داده شود. با تعيين نسبت آب به سيمان و معلوم بودن مقدار آب مصرفي از گام قبل، مقدار سيمان مصرفي قابل تعيين است.
گام چهارم : تخمين مقدار سنگدانه درشت (شن). براي اينكه مخلوط بتن اقتصادي باشد،  بايد حجم سنگدانه هاي درشت در واحد حجم بتن، حداكثر ممكن باشد. آزمايشات نشان داده اند كه براي مصالحي كه به طور مناسب دانه بندي شده اند، با استفاده از ماسه ريزتر و اندازه بزرگتر دانه هاي شن، به حجم سنگدانه هاي درشت افزوده شده و امكان توليد مخلوط بتن با كارايي مطلوب فراهم مي گردد. طبق جدول 4 حجم انبوهي سنگدانه هاي درشت در واحد حجم بتن (VGB) تابعي از حداكثر اندازه آن و مدول نرمي سنگدانه هاي ريز (ماسه) مي باشد. با ضرب نمودن چگالي انبوهي سنگدانه هاي درشت در نسبت حجمي بدست آمده از جدول، جرم شن مصرفي بدست مي آيد.
گام پنجم: تخمين مقدار سنگدانه ريز (ماسه). تا اين گام تمام اجزاي بتن غير از ماسه تخمين زده شده اند. مقدار ماسه در اين گام بر اساس «روش وزني» يا «روش حجمي» تعيين مي شود.
در روش وزني، از اين واقعيت استفاده مي شود كه مجموع اجرام اجزاي تشكيل دهنده بتن يعني آب، سيمان، شن و ماسه برابر چگالي بتن تازه (PD) تعيين مي شود.
چگالي بتن تازه = mv+mc+mG+ms
در روش حجمي از اين واقعيت استفاده شود كه مجموع احجام اجزاي تشكيل دهنده بتن يعني آب، سيمان، شن و ماسه (و هوا) برابر واحد است، يعني:
VW+VC+VG+VS+VA=1

براي استفاده از روش وزني، بايد چگالي (جرم واحد حجم) بتن تازه معلوم باشد. تخمين اوليه چگالي بتن تازه را در صورت نداشتن تجربيات قبلي، مي توان از جدول 5 بدست آورد. براي استفاده از روش حجمي، بايد چگالي مصالح معلوم باشد تا بتوان حجم مصالح را از روي جرم آنها بدست آورد. از هر روش كه استفاده شود، تنها مجهول رابطه مقدار ماسه است كه براحتي تعيين مي شود.
گام ششم: تنظيم آب مصرفي، مقدار آب محاسبه شده در گام دوم و همچنين مقادير شن و ماسه در گامهاي چهارم و پنجم، بر اساس اين فرض مهم قرار دارد كه سنگدانه ها از نظر رطوبتي در حالت SSD (اشباع با سطح خشك) قرار دارند. يعني سنگدانه ها نه آبي از مخلوط جذب مي كنند و نه آبي به مخلوط اضافه مي نمايند. در عمل تقريبا هيچوقت سنگدانه ها در حالت SSD نيستند. اگر سنگدانه ها كمتر از حالت SSD رطوبت داشته باشند، مقداري از آب مخلوط را جذب مي كنند و لذا آب محاسبه شده در گام دوم بايد براي رساندن سنگدانه ها به حالت SSD افزايش و مقادير شن و ماسه در گام هاي پنجم و ششم كاهش يابند. اگر سنگدانه ها بيشتر از حالت SSD مرطوب باشند، آب اضافي خود را به مخلوط مي دهند و لذا آب محاسبه شده در گام دوم بايد كاهش و مقادير شن و ماسه در گام هاي پنجم و ششم افزايش يابند. براي انجام اين تنظيمات، درصد رطوبت موجود در سنگدانه ها و همچنين درصد رطوبت نظير حالت SSD آنها بايد معلوم باشند.


جداول طرح اختلاط بتن
(ACI 211.1)

جدول 1 . اسلامپ هاي پيشنهادي


نوع سازه بتني

اسلامپ (mm)

حداقل

حداكثر

شالوده ها و شالوده ديوارهاي بتن مسلح

30

80

شالوده ها، شمع ها و ديوارهاي بتن غير مسلح

30

80

تيرها، ستون ها و ديوارهاي بتن مسلح

30

100

روسازي ها و دال ها

30

80

بتن حجيم

30

50

تذكر: مي توان مقادير فوق را در مورد تراكم با وسايل دستي، mm 20 افزايش داد.

جدول 2 . تخمين مقدار آب و حباب هوا


اسلامپ (mm)

آب مصرفي، كيلوگرم در يك مترمكعب بتن، با توجه به حداكثر اندازه سنگدانه ها (mm)

 

10

5/12

20

25

40

50

70

150

30 تا 50

205

200

185

180

160

155

145

125

بتن بدون حباب هوا

80 تا 100

225

215

200

195

175

170

160

140

150 تا 180

240

230

210

205

185

180

170

-

مقدار هواي محبوس در بتن (درصد)

0/3

5/2

0/2

5/1

0/1

5/0

3/0

2/0

30 تا 50

180

175

165

160

145

140

135

120

بتن با حباب هوا

80 تا 100

200

190

180

175

160

155

150

135

150 تا 180

215

205

190

185

170

165

160

-

مقدار كل هواي توصيه شده (درصد) براي شرايط محيطي

ملايم

5/4

0/4

5/3

0/3

5/2

0/2

5/1

0/1

متوسط

0/6

5/5

0/5

5/4

5/4

0/4

5/3

0/3

شديد

5/7

0/7

0/6

0/6

5/5

0/5

5/4

0/4

تذكر 1: براي سنگدانه هاي گوشه دار با شكل مناسب و دانه بندي خوب، مي توان ارقام فوق را به عنوان حداكثر در نظر گرفت.
تذكر 2: مقادير اسلامپ براي سنگدانه هاي بزرگتر از mm 40 بر مبناي آزمايش اسلامپ بعد از جدا كردن سنگدانه هاي بزرگتر از mm 40 به وسيله الك مي باشد.

جدول 3. انتخاب نسب آب به سيمان


مقاومت فشاري متوسط 28 روزه نمونه
استوانه اي استاندارد بتن (MPa)

حداكثر مجاز نسبت جرمي اب به سيمان

بتن بدون حباب هوا

بتن با حباب هوا

45

38/0

-

40

43/0

-

35

48/0

40/0

30

55/0

46/0

25

62/0

53/0

20

70/0

61/0

15

80/0

71/0

 

جدول 4. تخمين مقدار سنگدانه درشت (شن)


حداكثر اندازه سنگدانه ها
(mm)

حجم شن خشك ميله خورده، در واحد حجم بتن،
با توجه به مدول نرمي ماسه

40/2

60/2

80/2

00/3

10

50/0

48/0

46/0

44/0

5/12

59/0

57/0

55/0

53/0

20

66/0

64/0

62/0

60/

25

71/0

69/0

67/0

65/0

40

76/0

74/0

72/0

70/0

50

78/0

76/0

74/0

72/0

70

81/0

79/0

77/0

75/0

150

87/0

85/0

83/0

81/0

جدول 5. تخمين اوليه جرم واحد حجم بتن تازه


حداكثر اندازه سنگدانه ها
(mm)

تخمين اوليه چگالي بتن تازه (Kg/m3)

بتن بدون حباب هوا

بتن با حباب هوا

10

2285

2190

5/12

2315

2235

20

2355

2280

25

2375

2315

40

2420

2355

50

2445

2375

70

2465

2400

150

2505

2435