طرح اختلاط بتن به معنای تعیین نسبت های صحیح اجزای مختلف بتن شامل سیمان، ماسه، شن و آب، سنگدانه ها و افزودنی های بتن است. به بیان دیگر طرح اختلاط بتن فرآیندی است که شامل چندین مرحله، محاسبات و آزمایش های آزمایشگاهی بوده تا نسبت بهینه مواد لازم برای یک مخلوط بتن به دقت تعیین شود و اطمینان حاصل شود که بتن به حداکثر مقاومت خود می رسد. این نسبت ها تأثیر مستقیم بر خواص مکانیکی و فیزیکی بتن دارند و در نهایت، بر کیفیت نهایی سازه اثر می گذارند. در این مطلب از استاندارد ماشین به بررسی جوانب مختلف طرح اختلاط بتن، روش های مختلف آن، مراحل و ضوابط و عوامل موثر در دستیابی به یک بتن با کیفیت بالا خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید تا با جزئیات بیشتری در این زمینه آشنا شوید.
طرح اختلاط بتن
طرح اختلاط بتن فرآیند تعیین نسبت های صحیح اجزای مختلفی است که باید ترکیب شوند تا یک مخلوط بتن با خواص مورد نظر ایجاد شود. در طرح اختلاط بتن باید به عواملی همچون مقاومت، دوام، قابلیت کارایی و ظاهر مطلوب بتن و همچنین مواد مورد استفاده در تولید بتن، توجه کرد. هدف این است که مخلوط بتنی ایجاد شود که مقرون به صرفه، آسان برای اجرا و متراکم باشد و نیازهای عملکردی برای استفاده در پروژه مورد نظر را برآورده کند.
طرح اختلاط بتن اغلب به اشتباه به عنوان “طرح اختلاط سیمان” نامیده می شود. با این حال، سیمان تنها یکی از اجزای بتن است. سیمان ماده‌ای است که اجازه می دهد بتن سفت و سخت شود و به سایر مواد بچسبد. بنابراین، نمی توان و نباید به جای طرح اختلاط از آن استفاده کرد. ترکیب بتن یک ترکیب از پنج عنصر اصلی در نسبت های مختلف است: سیمان، آب، مصالح درشت، مصالح ریز و هوا. عناصر اضافی مانند پوزولان ها و افزودنی های شیمیایی نیز می توانند به ترکیب اضافه شوند تا ویژگی های مطلوب خاصی به بتن بدهند.
در نهایت طرح اختلاط بتن فرآیند انتخاب مواد اولیه برای یک مخلوط بتن و تعیین نسبت های آنها است. هنگام طراحی یک مخلوط، می بایست همیشه به مقاومت، دوام و قابلیت کارایی بتن برای پروژه مورد نظر توجه کرد. بتن یک ماده ناهمگن و سخت شده است که از نسبت معین سیمان، دانه های ریز، دانه های درشت و آب تشکیل می شود و عیار بتن یا گرید بتن به طور قابل توجهی بسته به مقدار اجزای تشکیل‌دهنده آن متفاوت است. استاندارد IS 456:2000 در حال حاضر مقدار و نسبتی را که اجزا باید برای دستیابی به یک عیار خاص بتن با هم مخلوط شوند، مشخص می کند. بنابراین، طرح اختلاط بتن طبق کد IS، IS 456:2000 است. محدودیت این کد این است که نسبت مواد را تا گرید خاصی که M25 است، مشخص می کند و فراتر از آن، هیچ نسبت خاصی به طور صنعتی تأیید نشده است.
انواع روش های طرح اختلاط بتن
درک نسبت های مختلف در هر طرح اختلاط بتن اختصاصی برای هر پروژه ساخت و ساز ضروری است. هر طرح اختلاط بتن، هدف متفاوتی را دنبال می کند و در نسبت های مواد تشکیل دهنده متفاوت است، که مزایای منحصر به فردی را متناسب با نیازهای مختلف ساختمان ارائه می دهد. طرح اختلاط بتن معمولاً به سه نوع تقسیم بندی می شوند:
1- طرح اختلاط بتن نامی (Nominal Concrete Mix Design)
طرح اختلاط بتن نامی یک ترکیب پایه است که برای پروژه های ساختمانی با مقیاس کمتر، ساده‌تر و با نیازهای کمتر استفاده می شود. نسبت های رایجی مانند ۱:۲:۴ یا ۱:۳:۶ (سیمان: شن: سنگ ریزه) معمولاً برای اجزای غیرساختاری مانند کف های کوچک یا پیاده روها به کار می رود. این طرح اختلاط، استحکام استانداردی را تضمین می کند و برای نیازهای عمومی ساختمانی مناسب است، جایی که دوام بالا در اولویت نیست.
نسبت اجزای مخلوط بتن از پیش تعیین شده و مشخص هستند. به عنوان مثال، در نسبت M20(1:1.5:3)، مقدار سیمان، شن و سنگدانه ها به تناسب حجم و بر اساس نسبت از پیش تعیین شده 1:1.5:3 مخلوط می شوند. نسبت های بتنی تا گرید M25 به عنوان اختلاط بتن نامی شناخته می شوند.
| گرید بتن (عیار بتن) | نسبت طرح اختلاط بتن
(طرح اختلاط نامی) (سیمان: ماسه: سنگدانه درشت) |
|
| 1 | M5 | 1:5:10 |
| 2 | M7.5 | 1:4:8 |
| 3 | M10 | 1:3:6 |
| 4 | M15 | 1:2:4 |
| 5 | M20 | 1:1.5:3 |
| 6 | M25 | 1:1:2 |
2- طرح اختلاط بتن استاندارد (Standard Concrete Mix Design)
طرح اختلاط بتن استاندارد به مخلوط های بتنی اطلاق می شود که نسبت ها توسط کُدها یا استانداردهایی تعیین شده است و به منظور دستیابی به استحکام و دوام خاصی طراحی شده‌اند. نسبت هایی مانند ۱:۱.۵:۳ یا ۱:۲:۴ معمولاً برای ساخت عناصر سازه ای مانند تیرها، ستون ها و انواع مختلف دال بتنی استفاده می شوند و نیاز به دقت بیشتری در مخلوط سازی دارند تا بتوانند وزن ها و تنش های قابل توجهی را تحمل کنند.
استاندارد IS 456:2000 مخلوط های بتنی را به درجات M10، M15، M20، M25، M30، M35 و M40 تقسیم بندی می کند. حرف M در این نام گذاری به مخلوط و عدد به مقاومت فشاری بتن تعیین شده در 28 روز به واحد (N/mm2)(N/mm2) اشاره دارد.
3- طرح اختلاط بتن طراحی شده (Design Concrete Mix Design)
برای سازه های با ارتفاع بلند، از طرح اختلاط طراحی شده استفاده می شود. در این نوع طرح اختلاط، یک مهندس نسبت های طرح اختلاط بتن را پس از تحلیل ویژگی های اجزای مختلف بتن تعیین می کند. به عنوان مثال، هنگام تعیین نسبت طرح اختلاط، سیمان در آزمایشگاه برای مدول نرمی و چگالی مخصوص آزمایش می شود. هیچ نسبت از پیش تعیین شده‌ای وجود ندارد و مواد به صورت وزنی مخلوط می شوند. به زبان ساده، می توان گفت که طرح اختلاط بتن طراحی شده به نسبت مخلوط بتنی اشاره دارد که توسط طراح تعیین شده است.
طرح اختلاط بتن طراحی شده برای استحکام بالای سازه تنظیم شده است، جایی که اجزای مخلوط بتنی و مقادیر دقیق آنها بر اساس نیازهای خاص پروژه محاسبه می شود. این مخلوط به طور علمی طراحی شده و غالباً با کمک نرم افزار و محاسبات انجام می شود تا خواص مطلوبی مانند افزایش دوام، مقاومت فشاری بالا و کارایی بتن به دست آید. از این نوع بتن در ساخت و سازهای پیچیده‌ای مانند ساختمان های بلند یا سازه هایی با بار سنگین استفاده می شود.
مراحل طرح اختلاط بتن
روش های متعددی برای طرح اختلاط بتن وجود دارد که از میان آنها می توان به روش آئین نامه ACI-211 از ایالات متحده، استاندارد ملی بریتانیا (BSI)، روش آلمانی و روش مخلوط ملی ایران اشاره کرد. روش ملی ایران به طور عمده از رویه آلمانی اقتباس شده است. این روش می تواند برای طرح اختلاط انواع بتن، از جمله بتن های سبک، حجیم و سنگین، با ایجاد تغییرات و شرایط خاص به کار رود، اما نمی توان به طور مستقیم از آن استفاده کرد. در ادامه به تشریح مراحل تعیین طرح اختلاط بتن بر اساس روش ACI خواهیم پرداخت.
1- انتخاب اسلامپ (slump)
انتخاب میزان افت بتن معمولاً بر اساس تجربه صورت می گیرد و در واقع انتخاب قابلیت کارایی مخلوط بتن است. قابلیت کارایی بتن می تواند به عنوان ترکیبی از چندین ویژگی مختلف اما مرتبط با بتن سیمانی پرتلند (PCC) که به رئولوژی آن مربوط می شود، توصیف شود:
- سهولت در مخلوط کردن
- سهولت در قرار دادن
- سهولت در متراکم سازی
- سهولت در نهایی سازی
به طور کلی، باید از مخلوط هایی با سفت ترین قوامی که هنوز هم به طور مناسب قابل قرار دادن هستند، استفاده شود. مشخصات افت بتن برای آسفالت کاری با قالب ثابت و آسفالت کاری با قالب لغزشی متفاوت است.
جدول 1. محدوده افت بتن (اسلامپ) برای کاربردهای خاص
| انواع سازه | اسلامپ | |
| (mm) | (inches) | |
| دیوارهای فونداسیون تقویت شده و پایه های تقویت شده | 25 – 75 | 1 – 3 |
| پی های ساده، فونداسیون صندوقه‌ای (کیسون) و سازه های زیربنایی | 25 – 75 | 1 – 3 |
| تیرها و دیوارهای تقویت شده | 25 – 100 | 1 – 4 |
| ستون های ساختمانی | 25 – 100 | 1 – 4 |
| سنگفرش ها و دال ها | 25 – 75 | 1 – 3 |
| بتن انبوه | 25 – 50 | 1 – 2 |
پهن شدگي اسلامپ یا آزمایش اسلامپ فلو (Slump Flow) براساس میزان گسترش بتن بر روی یک سطح افقی تعیین می شود و این روش به ویژه برای بتن های خودتراکم (SCC) مناسب است. در این آزمایش به جای سنجش افت و نشستن مخروط بتن، قطر متوسط بتن پخش شده روی سطح زمین اندازه‌گیری می شود که قابلیت پر کردن بتن (سیلان و جریان) را نشان می دهد. هرچه مقدار اسلامپ بیشتر باشد، نشان دهنده قابلیت بالاتر برای پر کردن قالب و روان شدگی بتن تحت وزن خود است. معمولاً اختلافی در حدود 50± میلی متر در نتایج آزمایش های مختلف برای یک نوع بتن قابل توجیه است.
2- انتخاب بزرگ ترین سنگدانه
حداکثر اندازه سنگدانه تأثیر زیادی بر پارامترهای PCC مانند مقدار خمیر سیمان، کارایی و مقاومت خواهد داشت. به طور کلی، ACI توصیه می کند که حداکثر اندازه سنگدانه محدود به یک سوم عمق دال و سه چهارم فضای خالی حداقل بین میلگردها باشد. سنگدانه بزرگ تر از این ابعاد ممکن است به سختی متراکم و فشرده شود که منجر به ایجاد ساختاری شبیه به عسل یا حفره های هوای بزرگ خواهد شد. حداکثر اندازه های سنگدانه در بتن های PCC برای پیاده روها در حدود 25 میلی‌متر (1 اینچ) تا 37.5 میلی‌متر (1.5 اینچ) است.
3- تخمین مقدار آب لازم و میزان هوا
افت بتن بستگی به اندازه حداکثر نامی سنگدانه ها، شکل ذرات، درجه بندی دانه ها، دمای بتن سیمانی، مقدار هوای محبوس شده و برخی افزودنی های شیمیایی دارد. به طور کلی، این ویژگی تحت تأثیر مقدار مواد سیمانی قرار نمی گیرد. به طور معمول، سازمان های دولتی حدود 4 تا 8 درصد هوا به نسبت کل حجم را مشخص می کنند.
4- نسبت آب به سیمان (W/C)
نسبت آب به سیمان یک اندازه‌گیری مناسب است که ارزش آن به طور قابل توجهی با مقاومت و دوام بتن سیمانی پرتلند (PCC) همبستگی دارد. به طور کلی، نسبت های پایین تر آب به سیمان منجر به تولید PCC قوی تر و با دوام تر می شوند. اگر از پوزولان های طبیعی مانند خاکستر بادی در مخلوط استفاده شود، در این صورت نسبت به نسبت آب به مواد سیمانی= سیمان پرتلند + مواد پوزولانی تبدیل می شود. روش ACI انتخاب نسبت آب به سیمان را بر اساس مقاومت فشاری بتن مورد نظر انجام می دهد و سپس محتوای سیمان مورد نیاز را بر اساس نسبت آب به سیمان انتخاب شده، محاسبه می کند. جدول زیر تخمین کلی از مقاومت فشاری 28 روزه بتن در مقابل نسبت آب به سیمان (یا نسبت آب به مواد سیمانی) ارائه می دهد.
جدول 2. نسبت آب به سیمان و رابطه مقاومت فشاری
| مقاومت فشاری 28 روزه بر حسب MPa (psi) | نسبت آب به سیمان بر حسب وزن | |
| بتن هوادهی نشده | بتن هوادهی شده | |
| 41.4 (6000) | 0.41 | – |
| 34.5 (5000) | 0.48 | 0.40 |
| 27.6 (4000) | 0.57 | 0.48 |
| 20.7 (3000) | 0.68 | 0.59 |
| 13.8 (2000) | 0.82 | 0.74 |
5- محاسبه مقدار سیمان (C)
محتوای سیمان با مقایسه دو مورد زیر تعیین می شود:
- مقدار محاسبه شده بر اساس محتوای آب مخلوط انتخاب شده و نسبت آب به سیمان.
- حداقل محتوای سیمان مشخص‌شده، در صورت وجود. بیشتر ادارات حمل و نقل ایالت ها حداقل محتوای سیمان را در محدوده 300 تا 360 کیلوگرم در متر مکعب (500 تا 600 پوند در یارد مکعب) مشخص می کنند.
روش قدیمی تر این بود که محتوای سیمان به صورت تعداد کیسه های سیمان پرتلند در هر یارد مکعب بتن سیمانی (PCC) مشخص شود. این منجر به مشخصاتی مانند “مخلوط 6 کیسه‌ای” یا “مخلوط 5 کیسه‌ای” می شد. در حالی که این مشخصات برای یک پیمانکار یا فردی که سیمان پرتلند را به صورت کیسه ای خریداری می کند، منطقی به نظر می رسد، اما برای پیمانکاران جاده یا کارخانه های بچینگ که سیمان پرتلند را به صورت عمده خریداری می کنند، معنای چندانی ندارد. بنابراین، باید از مشخص کردن محتوای سیمان بر اساس تعداد کیسه ها اجتناب شود.
6- تخمین محتوای سنگدانه درشت (CA)
انتخاب محتوای سنگدانه درشت به طور تجربی بر اساس قابلیت کارکرد مخلوط بتن می باشد. ACI درصد (بر حسب حجم واحد) سنگدانه درشت را بر اساس حداکثر اندازه سنگدانه اسمی و مدول نرمی سنگدانه های ریز توصیه می کند. این توصیه بر اساس روابط تجربی است که به تولید بتن سیمانی پیش ساخته (PCC) با درجه‌ای از قابلیت کارکرد مناسب برای ساخت و سازهای معمولی می انجامد.
با بهره‌گیری از این روش تخمین، یک ضریب محاسبه می شود که با ضرب آن در جرم حجمی سنگدانه خشک نیمه متراکم، مقدار شن موجود در هر واحد حجم بتن تعیین می گردد. با توجه به اینکه وزن مخصوص شن خشک بین 1600 تا 1800 کیلوگرم در مترمکعب متغیر است، می توان وزن شن را بر اساس کیلوگرم محاسبه کرد.
7- محتوای مصالح ریز
در این مرحله، تمامی حجم سایر اجزاء (آب، سیمان پرتلند، هوا و مصالح درشت) مشخص شده است. بنابراین، حجم مصالح ریز تنها حجم باقی‌مانده است:
| حجم واحد (1 m3 یا yd3) | |
| – | حجم آب اختلاط |
| – | حجم هوا |
| – | حجم سیمان پرتلند |
| – | حجم سنگدانه درشت |
| برابر است | حجم سنگدانه ریز |
8- تنظیم رطوبت کلی مصالح
برخلاف آسفالت گرم (HMA)، در تهیه بتن (PCC) نیازی به مصالح خشک شده نیست. بنابراین، باید محتوای رطوبت مصالح، مد نظر قرار گیرد. رطوبت مصالح بر پارامترهای زیر تأثیر می گذارد:
- وزن مصالح: حجم مصالح بر اساس وزن واحد خشک در کوره محاسبه می شود، اما معمولاً مصالح بر اساس وزن واقعی تهیه می شوند. بنابراین، هرگونه رطوبت در مصالح موجب افزایش وزن آنها خواهد شد و مصالح انباشته شده تقریباً همیشه مقداری رطوبت دارند. در صورت عدم اصلاح این موضوع، حجم مصالح تهیه شده نادرست خواهد بود.
- مقدار آب مخلوط: اگر سطح مصالح تهیه شده به جز حالت اشباع، خشک باشد، آب را جذب خواهد کرد (اگر خشک در کوره یا خشک در هوا باشد) یا آب را به خمیر سیمان تحویل خواهد داد (اگر مرطوب باشد). این موضوع باعث تغییر خالص در مقدار آب موجود در مخلوط می شود و باید با تنظیم مقدار آب مخلوط اضافه شده، جبران گردد.
جهت اطلاع از قیمت بچینگ و قیمت بچینگ سیار با کارشناسان فروش شرکت استاندارد ماشین در ارتباط باشید.
عناصر کلیدی در طرح اختلاط بتن
تعیین یک طرح اختلاط بتن مناسب نیازمند تعادل میان چندین عامل کلیدی است:
1- قدرت
مقاومت فشاری بتن یکی از مهم ترین عوامل در طرح اختلاط به شمار می آید که ظرفیت باربری سازه نهایی را تعیین می کند. مقاومت بالاتر معمولاً نیاز به سیمان بیشتری دارد، اما اگر به درستی متعادل نشود، می تواند به انقباض و ترک‌خوردگی بتن منجر شود.
2- کارآیی بتن
کارایی بتن بر سهولت مخلوط و نهایی کردن بتن تأثیر می گذارد. یک مخلوط بتن با کارایی بالا برای کارهایی که نیاز به پمپاژ یا فرم سازی پیچیده دارند، ایده آل است، در حالی که مخلوط های بتنی سخت تر برای سازه هایی که حفظ فرم در آنها کلیدی است، عملکرد خوبی دارند. با این حال، قابلیت کارپذیری بیش از حد بتن می تواند به جداسازی مواد منجر شود و مخلوط را تضعیف کند.
3- دوام
دوام بتن اهمیت زیادی دارد، جایی که بتن غالباً در معرض شرایط جوی سخت، چرخه های یخ زدگی و ذوب، یا حتی تماس با مواد شیمیایی قرار می گیرد. طرح اختلاط بتن باید مناسب با این عوامل محیطی در نظر گرفته شود تا اطمینان حاصل شود که بتن می تواند در طول زمان مقاومت کند.
4- صرفه‌جویی اقتصادی
طرح اختلاط بتن می تواند تأثیر قابل توجهی بر بودجه کلی پروژه داشته باشد. در حالی که افزودن سیمان بیشتر می تواند موجب افزایش مقاومت بتن شود، هزینه ها را نیز افزایش می دهد. هدف، دستیابی به طرح اختلاط بتن اقتصادی است که کیفیت را فدای هزینه نکند.
5- پایداری
با حرکت صنعت ساخت و ساز به سمت شیوه های پایدارتر، بسیاری از پروژه ها اکنون شامل مواد دوستدار محیط زیست، مانند دانه های بازیافتی یا مواد سیمانی مکمل (SCMs) می شوند. یک طرح اختلاط بتن مناسب باید هم به عملکرد و هم به تأثیرات زیست محیطی توجه کند.
عوامل موثر بر طرح اختلاط بتن
تعداد زیادی از اجزاء در فرآیند طرح اختلاط بتن دخالت دارند که هر یک به طور قابل توجهی بر محصول نهایی، یعنی بتن و تمامی ویژگی های آن تأثیر می گذارد. بنابراین، در نظر گرفتن تمامی این جنبه ها و حفظ آنها در سطح مناسب، ارزش زیادی به کیفیت و استحکام بتن اضافه خواهد کرد. برخی از این پارامترهای موثر بر طرح اختلاط بتن عبارتند از:
-درجه سیمان
– اندازه و شکل سنگدانه ها
– ظرفیت جذب آب دانه ها
– نوع افزودنی که به بتن اضافه می شود
– چگالی مخصوص مواد تشکیل دهنده بتن
– مقدار افت بتن
– نسبت آب به سیمان در بتن
– روش حمل و نقل بتن
– درجه نظارت در تولید بتن
– تکنیک‌های ساخت بتن (مانند روش بتن ترمی یا بتن ریزی زیر تراز آب)
ضوابط طرح اختلاط بتن
نکات مهم و ضروری در طرح اختلاط بتن وجود دارد که می بایست طبق مقررات ملی ساختمان رعایت شوند. طرح اختلاط بتن باید چنان تعیین شود که شرایط زیر را داشته باشد:
- جای دهی بتن بدون جدا شدگی در داخل قالب و زوایای آن و اطراف میل گردها
- منطبق با گرید بتن مورد نظر به کمک آزمایش مقاومت نمونه های عمل آوری شده استاندارد
- طرح اختلاط بتن باید مطابق روش طرح مخلوط ملی یا روش دیگری که توسط آزمایشگاه دارای صلاحیت ارائه شده باشد، انجام گردد. استفاده از هر روش در صورت برآورده نمودن خواسته های مندرج در مشخصات فنی پروژه و رعایت رابطه حجم مطلق قابل قبول است.
- از نتایج آزمایش مقاومت که برای مستند سازی طرح اختلاط بتن به کار می روند؛ نباید بیش از دو سال گذشته باشد.
- مصالح بتن که برای طرح اختلاط بتن بکار برده می شوند، باید از همان موادی باشند که در پروژه مورد نظر به کار برده خواهند شد.
- در مواردی که در بخش های مختلف سازه، از انواع و گرید های مختلف بتن استفاده می شود، برای هر یک از آنها باید طرح اختلاط جداگانه مطابق الزامات اجرایی باشد.
حرف پایانی
همانطور که در این مقاله بیان شد، طرح اختلاط بتن فرآیندی است که در آن نسبت های صحیح مواد بتنی مختلف برای دستیابی به بتن با مقاومت مورد نظر تعیین می شود. یک مخلوط بتن به درستی طراحی شده، باید ویژگی های کارایی مطلوب برای بتن تازه، دوام و استحکام مورد نیاز برای بتن سخت شده را داشته باشد. به طور معمول، حجم یک مخلوط بتن شامل حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد مواد سیمانی، ۶۰ تا ۷۵ درصد دانه ها و ۱۵ تا ۲۰ درصد آب است. ساخت و ساز با بتن زمانی مقرون به صرفه است که طرح اختلاط بتن به درستی تعیین و اجرا شود. در سازه های بزرگ، مانند پل ها و سد ها، نیاز به حجم زیادی از بتن است و استفاده از مقادیر مناسب و صحیح مواد بتنی، پروژه را اقتصادی می سازد.