طراحي و تناسب نرمال تركيبات بتن
به فرآيند تعيين ويژگيهاي ضروري و شاخص تركيبات بتن طراحي تركيبات مي گويند. اين ويژگي ها شامل موارد ذيل مي باشد:
1- ويژگي ها (خواص،ظرفيت) بتن تازه.
2- ويژگيهاي مكانيكي بتن سفت شده از جمله استحكام و مقاومت.
3- گنجايش ، دفع سازي و محدوديتهايش در برابر تركيبات خاص.
طراحي تركيبات ما را با خصوصيات بتن آشنا مي سازد. تناسب تركيبات بتن فرآيندي است كه در آن مقدار لازم تركيبات بتن و مقدار ظرفيت خاص هر ماده، به منظور دست يابي به ويژگيهاي خاص بتن، مورد ارزيابي قرار مي گيرد. در يك تناسب صحيح تركيب بتن ويژگيهاي زير بايستي وجود داشته باشد:
1- قابل قبول بودن كارايي بتن تازه مخلوط شده
2- استحكام، مقاومت و ظاهر يك شكل بتن سفت شده
3- ميزان هزينه مصرفي
دانستن اصول اوليه و پايه طراحي تركيبات همانند محاسبات تناسب و ترکیب مواد اهمیت و ضرورت دارد. در ساخت بتن تنها با انتخاب مواد مناسب و آشنایی با ویژگیهای ترکیب مواد است که می توان به خصوصیات بالا دست یافت.
انتخاب ویژگیهای ترکیب:
قبل از اینکه تناسب بندی ترکیب بتن انجام شود بایستی ویژگیهای این ترکیب را بر اساس موارد زیر مد نظر قرار داد.
1- هدف استفاده از بتن
2- شرایط جوی آب و هوایی
3- اندازه و شکل اجرایی ساختمان
4- ویژگیهای فیزیکی بتن (از جمله مقاومت و استحکام).
ویژگیهای بتن باید با نیازهای ساختاری ساختمان هم خوانی داشته باشد بعنوان مثال مقاومت در برابر کلرید نمونه ای است که در هر ساختار ماغیر و گوناگون است و باید بر اساس روشهای آزمایشی مورد ارزیابی قرار گیرد.
زمانی که ویژگیهای ترکیب را انتخاب کردید می توانید بر اساس اطلاعات آزمایشگاهی و یا میدانی به نسبت بندی میران مواد ترکیبی بپردازید. از آنجا که بدست آوردن بتنی محکم و مطلوب در وهله اول به کیفیت خمیر سیمانی شما بستگی دارد, اولین قدم در تعیین تناسب ترکیبات بتن انتخاب مناسب و دقیق میزان آب و سیمان به منظور استحکام و مقاومت بتن می باشد. تا آنجائیکه می توانید از اجزاء کم و ساده استفاده کنید, زیرا کنترل عناصر و اجزاء بیش از اندازه زیاد شما را در ساختن بتن دچار مشکل می کند. با این وجود تکنولوژیستهای بتن باید از تکنولوژی مدرن در بتن سازی بهره ببرند.
نسبت مواد تشکیل دهنده سیمان و آب و رابطه آن با استحکام و مقاومت
مقاومت (کمپرسیو و یا منعطف) از مهمترین خصوصیات جهانی در کیفیت بتن به شمار می رود. هر چند که مقاومت ویژگی مهمی به شمار می رود , اما دیگر خصوصیات از جمله پایداری, نشست پذیری و مقاومت در برابر فرسایش از دیگر مواردی است که هم پای مقاومت و در برخی موارد علی الخصوص در زمان طراحی چرخه زندگی بنا از اهمیت بیشتری برخوردار می شود.
با در نظر گرفتن محدوده ای نرمال و معمولی برای استحکام بتن, استحکام کمپرسیو رابطه معکوس با مقدار آب و سیمان و نشست مواد تشکیل دهنده سیمان و آب دارد.
به منظور ساخت بتن فشرده با مواد سالم و تمیز برای بدست آوردن استحکام و دیگر ویژگیهای مطلوب تحت همان شرایطی که قرار است بتن مورد استفاده قرار گیرد, بایستی در ترکیب آب در هر واحد سیمان و مواد تشکیل دهنده سیمان دقت لازم را به کار برد.
استحکام خمیر سیمان در بتن بستگی به کیفیت و کمیت اجزای اجزاء خمیر ساختمانی و عکس العمل هیدراسیون و پیشرفت آن دارد. هر چقدر که زمان بگذرد بتن سفت تر و سخت تر می گردد و چه بهتر که در این گذر زمان رطوبت و دمای مطلوب نیز وجود داشته باشد. بنابراین در هر مرحله از ساخت بتن استحکام و مقاومت آن به مقدار موجودی آب و سیمان و همچنین هیدراته شدن این مواد بستگی دارد. ترمیم و بهبود بخشیدن سریع و کامل به وضع بتن نیز باسد مورد توجه قرار گیرد.
تفاوت در استحکام و مقاومت بتن با یک نسبت ثابت از مواد تشکیل دهنده سیمان و آب به دلایل زیر بوجود می آید:
1- ایجاد تغییراتی در اندازه ذرات تشکیل دهنده سیمان, درجه بندی, شالوده سطحی, فرم, استحکام و سختی
2- ایجاد تفاوت در انواع و منابع مواد تشکیل دهنده سیمان
3- مقدار هواکشی
4- وجود ترکیب
5- مدت زمان بهبودی و ترمیم
استحکام و مقاومت
مقاومت فشاری در 28 روز مقاومتی است که انتظار می رود هم اندازه و یا بیشتر از میانگین سه مجموعه از آزمایشات متناوب مقاومت باشد.ACI318 حداقل رقم لازم برای مقاومت فشاری را 17.5MPa می داند. هیچ آزمایشی به تنهایی نمی تواند بیشتر از 3.5MPa و یا کمتر از مقاومت مشخص شده باشد. نمونه گیری هایی که از بتن می شود را باید تحت شرایط آزمایشی برای هر طبقه خاص از بتن (318ACI) مرمت و تعمیر کرد. با این وجود برخی از ویژگی ها و خصوصیات اعداد و ارقام دیگر را نیز در این محدوده قرار می دهند.
میانگین مقاومت باید برابر با مقاومت شاخص باشد همچنین باید جایی خالی برای احتمالات و تغییرات مواد, تنوع در ترکیب مواد, تنوع در ساخت مواد, حمل ونقل, مکانهایی که بتن را در آنجا می گذارند, مرمت و تعمیر و ارزیابی سیلندرهای بتن داشته باشد. میانگین مقاومت که از مقاومت فشاری بزرگتر است را مقاومت بحرانی می نامند.
این همان مقاومتی است که در طراحی موارد ترکیبات لازم است. مواد لازم مقاومت بحرانی را با جزئیات تحت عنوان نسبت بندی در همین بخش آورده ایم. جداول 1-9 و 2-9 نمایانگر میزان استقامت لازم در شرایط مختلف آب و هوایی است. در برخی از پروژه های آسفالت سازی به جای مقاومت فشاری از مقاومت کششی استفاده می کنند. با این وجود به دلیل متغیر بودن مقاومت کششی از استفاده آن اجتناب می کنند. به منظور کسب اطلاعات بیشتر در مورد مقاومت فشاری به فصل 1 تحت عنوان مقاومت و فصل 16 تحت عنوان شاخصه های مقاومت مراجعه کنید.
نسبت مواد تشکیل دهنده سیمان و آب نسبت مواد تشکیل دهنده سیمان و آب همان حجم تقسیم بر حجم مواد تشکیل دهنده سیمان (سیمان پرتلند, سیمان مخلوط, خاکستر, تفاله, فوم سیلیکا و پوزولان های طبیعی می باشد.
نسبت مواد تشکیل دهنده سیمان و آب که برای طراحی ترکیبات انتخاب می شود باید پایین ترین تراز لازم را به نسبت شرایط جوی داشته باشد . جداول 2-9 و 1-9 نشان دهنده شرایط مختلف جوی می باشند. زمانیکه پایداری تحت کنترل نیست نسبت مواد تشکیل دهنده سیمان و آب و نسبت مواد ترکیبی برای مقاومت مورد نیاز را بر اساس اطلاعات کافی میدانی و ترکیبات آزمایشی به منظور تعیین رابطه بین سنت و مقاومت پایه گذاری کرد.
برای انتخاب نسبت مواد تشکیل دهنده سیمان و آب با در نظر گرفتن میانگین مقاومت (بحرانی) و انتخاب مواد ترکیبی آزمایشی زمانی که هیچ داده ای در دست ندارید می توانید از تصویر 2-9 و جدول 3-9 استفاده کنید. در طراحی مواد ترکیبی نسبت آب به مواد تشکیل دهنده سیمان با نسبت آب به سیمان مشابه است و به جای هم به کار می رود. با این وجود چند ویژگی آن دو را از یکدیگر متمایز می سازد. نظر رایج این است که نسبت آب سیمان همان نسبت آب به سیمان پرتلند و یا سیمان ترکیبی از چند ماده است.
اجزای تشکیل دهنده بتن
دو ویژگی اعضای تشکیل دهنده بتن نقش عمده ای در تناسب مواد ترکیبی بتن ایفا می کنند. زیرا آنها بر کارکرد بتن تازه تأثیر می گذارند. این ویژگی ها عبارتند از:
1- درجه بندی (اندازه و توزیع ذرات)
2- ماهیت ذرات (فرم, پر منفذی و بافت سطحی)
درجه بندی نقش مهمی در ساخت مواد ترکیبی با صرفه ایفا می کند. بدین خاطر که بر میزان یتن مصرفی که توسط آب و مواد تشکیل دهنده سیمان ساخته می شود, تأثیر می گذارد.
ذرات دانه درشت را باید به اندازه ای در آورد که بر کارایی آنها لطمه وارد نکند. حداکثر اندازه ای که باید مورد استفاده قرار بگیرد بستگی به عواملی چون اندازه و شکل اجزای بتن , مقدار و نوع توزیع اجزادی که باعث محکم شدن بتن می شوند, و پهنای ورقه های بتنی دارد. درجه بندی همچنین باعث ایجاد کارایی و کارآمدی بهتر بتن می شود. بعضی اوقات ذراتی با اندازه های متوسط در حدود 9.5mm در اجزای تشکیل دهنده بتن یافت نمی شود. فقدان این نوع ذرات در بتن باعث ایجاد خاصیت آبرفتگی, نیاز بالا به آب و نبود کار آمدی و کارایی در بتن می شود. فقدان این ذرات همچنین بر پایداری بتن تأثیر گذار است برای بدست آوردن درجه بندی دلخواه اجزا تشکیل دهنده بتن راهکارهای متفاوتی وجود دارد.
حداکثر اندازه ذرات درشت بتن نباید از کوچکترین ابعاد قالب فراتر رفته همچنین نباید از فضای خالی بین نرده حائل و سیم مسلح, گره های میله ای و یا مجراها و لوله ها فراتر رود, همچنین اندازه ذرات را باید به 4/3 فضای خالی بین قالب و بتن مسلح محدود کرد.
در ورقه های غیر مسلح که بر روی زمین کار گذاشته می شوند, حداکثر اندازه آن نباید از 3/1 قطر ورقه فراتر رود. از اندازه های کوچک به منظور دسترسی و صرفه جویی بهتر و بیشتر استفاده می کنند. مقدار آب مورد نیاز در ساخت یک حجم آب از بتن در حال رکود بستگی به شکل و حداکثر اندازه و میزان مواد و ذرات درشت آن دارد. ذرات بزرگتر به آب کمتری نیاز دارند. و در نتیجه میزان نیاز به سیمان را نیز کاهش می دهند. ذرات و اجزای گرد و دایره شکل نسبت به ذرات زاویه دار به آب کمتری نیاز دارند. حداکثر اندازه ذرات درشت مورد نیاز در ساخت بتنی با حداکثر مقاومت با مقدار سیمان مشخص بستگی به منشا و منبع, شکل و فرم و درجه ذرات دارد.
به منظور ساخت بتنی با مقاومت کمپرسیو بالا (بیشتر از 70MPa و یا 10000psi) حداکثر اندازه ذرات باید در حدود19mm باشد. با استفاده بیشتر از ذراتی که سنگ شکسته شده تشکیل شده اند نسبت به ذرات گرد تشکیل شده از شن وماسه , می توان به مقاومت بیشتری دست یافت.
مطلوبترین نوع درجه بندی اجزاء تشکیل دهنده سیمان بستگی به نوع کارکردن, مقدار خمیر حاصل شده از ترکیب و اندازه ذرات درشت می باشد. در ترکیبات فقیر از ذرات نرم و ریز برای کارایی بهتر و در ترکیبات غنی از ذرات درشت برای صرفه جویی بیشتر استفاده کنید.
در برخی از مناطق جهش های شیمیایی کلر در ذرات مانع عبور بتن از مرزهایی می شود که بوسیله ACI318 بوجود آمده است. اگرچه همه کلرها و یا برخی از آنها در ذرات ممکن است که در خوردگی میله مسلح نقش نداشته باشند. بنابراین در نظر گرفته نمی شوند. ASTMPS118 ( که در طراحی جدید ASTMC1500خوانده می شود) سوکسهلت(soxhelt) در آزمایشی به منظور ارزیابی نقش کلرید در ذرات آنها را از ترکیبات بتن خارج کرده استو شما همچنین می توانید از راهنمایی های ACI222.1 استفاده کنید.
با استفاده از جدول 4-9 و 3-9 می توانید حجم کل ذرات درشت را تعیین کنید. این حجم کل بر اساس ذراتی است که در شرایط خشک همانگونه که در (AASHTOT19)ASTMC29 توضیح داده شده است. این حجم ها بر اساس روابط تجربی که در ساخت بتن با کارایی بالا که مناسب ساخت بتن مسلح باشد انتخاب شده است. برای بتن هایی با کارایی کمتر همچون بتن های مورد نیاز در پروژه های آسفالت سازی, این حجم را به 10% افزایش می دهند. به منظور ساخت بتن هایی با کارایی بهتر و بیشتر در پروژه هایی که در آن از تلمبه استفاده می شود حجم را تا 10% ماهش می دهمد.
مقدار هوای لازم:
هواکشی در تمام بتن ها استفاده می شود زیرا بت با یخ زدگی وآب شدگی و از بین رفتن مواد شیمیایی که در کارآمدی بتن نقش دارند, سروکار دارد.