طرح اختلاط بتن سبکدانه ( سازه ای و غير سازه ای )

طرح اختلاط بتن سبکدانه ( سازه ای و غير سازه ای )
در طرح اختلاط هر نوع بتن ابتدا بايد خواسته ها را بررسی و فهرست نمود که در مورد بتن سبک نيز اين خواسته ها عبارتند از : مقاومت فشاری در سن مورد نظر ، وزن مخصوص بتن تازه و خشک ، دوام بتن در شرايط محيطی يا سولفاتی ، اسلامپ و کارآئی بتن ، مقدار حباب هوای لازم با توجه به حداکثر اندازه وشرايط محيطی ، و احتمالا" موارد ديگری همچون مدول الاستيسيته يا خواص فيزيکی مکانيکی ديگر مثل قابليت انتقال حرارت و غيره ، در کنار اين موارد ممکنست محدوده دانه بندی مطلوب ( بويژه در روشهای اروپائی ) از جمله محدوديت ها و خواسته ها باشد .
- در کنار اين خواسته ها ، داده هائی نيز بر اساس اطلاعات موجود از سيمان ، سنگدانه و ... در دست است و يا بايد در آزمايشگاه بدست آيد از جمله اينها می توان به موارد زير اشاره نمود :
نوع سيمان ، حداقل و حداکثر مجاز مصرف سيمان ، حداکثر مجاز نسبت آب به سيمان ، نوع مواد افزودنی مورد نظر و مشخصات آن ، نوع سنگدانه درشت و ريزدانه ، شکل و بافت سطحی سنگدانه ها ، چگالی و جذب آب سبکدانه ها و سنگدانه های معمولی ، رژيم و روند جذب آب سبکدانه ، وزن مخصوص توده ای سنگدانه درشت متراکم با ميله ( در طرح امريکائی ) ، دانه بندی سنگدانه ها و حداکثر اندازه آنها ، ويژگيهای مکانيکی و دوام سنگدانه ها ، مدول ريزی سنگدانه ها و ريزدانه ها ( بويژه در روش امريکائی ) ، چگالی ذرات سيمان و افزودنيها : گاه لازمست دانه بندی يا مدول ريزی سبکدانه ها معادل سازی شود يعنی با توجه به اختلاف در چگالی ذرات ، دانه بندی وزنی به دانه بندی و مدول ريزی حجمی تبديل گردد که در اين حالت لازمست برای چگالی ذرات هر بخش اندازه ای را تعيين کنيم .

روش طرح اختلاط و جداول و اطلاعات ضروری در هر روش :
معمولا" در هر نوع روش طرح اختلاط لازمست حدود مقدار آب آزاد با توجه به کارآئی ، حداکثر اندازه سنگدانه و شکل آن فرض گردد و بدست آيد . نسبت آب به سيمان از جداول راهنما يا تجربيات گذشته و شخصی فرض می گردد . پس مقدار سيمان در اين صورت مشخص می گردد . هر چند گاه در طرح اختلاط بتن سبک ابتدا عيار سيمان فرض شده و با در نظر گرفتن نسبت آب به سيمان يا کارآئی ، مقدار آب مشخص می شود .
اختلاف عمده روش ها در تعيين مقدار سنگدانه ها خواهد بود و بويژه در طرح مخلوط بتن سبکدانه يا نيمه سبکدانه ، اختلافات موجود روشها برای بتن معمولی ، بيشتر می گردد .
در روشهای اروپائی ( آلمانی و اتحاديه بتن اروپا ) با توجه به محدوده مطلوب دانه بندی حجمی، سهم سنگدانه های ريز و درشت ( خواه هر دو سبکدانه يا يکی از آنها سبکدانه باشد ) بدست می آيد، سپس چگالی متوسط سنگدانه ها تعيين شده و در فرمول حجم مطلق قرار می گيرد و مقدار کل سنگدانه بدست می آيد .
اگر افزودنی داشته باشيم حجم افزودنی از تقسيم وزن به چگالی آن بدست می آيد و در رابطه قرار داده می شود .
پس از تعيين با توجه به سهم هر سنگدانه ، وزن آن مشخص می گردد و با توجه به ظرفيت جذب آب هر نوع سنگدانه می توان وزن خشک هر کدام و آب کل را تعيين کرد . وزن مخصوص بتن تازه نيز از جمع اوزان اجزاء بتن بدست می آيد ( بصورت محاسباتی ) در عمل پس از ساخت مخلوط آزمون با توجه به نتيجه محاسبات و اطلاعات حاصله مانند اسلامپ ، کارآئی و مقاومت و وزن مخصوص بتن ميتوان اصلاحات لازم را در محاسبات به انجام رسانيد و طرح اختلاط را نهائی کرد. امريکائی ها نيز در ACI 211.1 و ACI 211.2 و ACI 213 R سه روش را برای طرح اختلاط بتن سشبکدانه و يا نيمه سبکدانه توصيه نموده اند :

1. روش حجم مطلق : در اين روش عملا" پس از تعيين آب آزاد ، سيمان ، سنگدانه درشت خشک و اشباع ، ازفرمول حجم مطلق استفاده نموده و وزن ماسه اشباع با سطح خشک بدست می آيد . اين روش برای بتن معمولی ، نيمه سبکدانه و تمام سبکدانه قابل اجراست . مشکل عمده در اين حالت تعيين مقدار چگالی اشباع با سطح خشک سبکدانه ها و ظرفيت جذب آب آنهاست . علاوه بر آن عملا" يک اشکال مفهومی نيز در اين حالت وجود دارد و آن اينکه آيا اصولا" در هنگام ريختن و گيرش بتن ، سبکدانه ها به مرحله اشباع با سطح خشک رسيده اند که بتوان از چگالی اشباع با سطح خشک آنها برای تعيين حجم اشغال آنها در بتن استفاده نمود . از آنجا که تفاوت حالت واقعی با فرضی گاه خيلی زياد است . استفاده از اين روش بويژه اگر قرار باشد وزن اشباع با سطح خشک و چگال مربوط در فرمول حجم مطلق بکار رود محل تأمل است مگر اينکه از يک چگالی يا وزن ديگر با توجه به جذب آب واقعی در اين حالت استفاده نمود که روش بسيار دقيقی حاصل می گردد . امروزه سعی شده است با اين روش به طرح اختلاط مناسب دست يافت . مثلا" در روش های اروپائی که اين مشکل وجود دارد سعی می شود از جذب آب و چگالی نيم ساعته ، 1 ساعته يا 2 ساعته و حتی 4 ساعته استفاده گردد.
آنچه در اينجا اهميت دارد آنست که در هنگام گيرش نسبت آب به سيمان واقعی چقدر است و با دانستن اينکه آبهای موجود در بتن ، در سنگدانه يا خمير سيمان است به اين نتيجه رسيد که آب آزاد واقعی چيست و چقدر می باشد . مسلما" کارآئی و اسلامپ را آب آزاد مربوط به زمانهای کوتاهتر مثل 15 دقيقه يا 30 دقيقه تعيين می کنند . اين امر مستلزم آنست که رژيم جذب آب سبکدانه را بدانيم و در هر حالت چگالی سبکدانه را محاسبه کنيم .

2. روش حجمی ( Volumetric ) : در روش حجمی از يک مخلوط آزمون با مقادير تخمينی استفاده می شود ( آب ، سيمان ، سنگدانه ريز و درشت ) . پس از ساخت مخلوط آزمون و انجام آزمايشهای لازم مانند : اسلامپ ، درصد هوا و وزن مخصوص بتن تازه و مشاهده قابليت تراکم ، ماله خوری و کارآئی ، خصوصيات ديگر نيز می تواند در زمانهای بعد بدست آيد ( مثل مقاومت و ..... ) . اما پس از ساخت بتن و اندازه گيری وزن مخصوص بتن تازه ، با توجه به وزن مصالح مورد استفاده در ساخت بتن ، حجم بتن حاصله تعيين می شود . حجم محاسباتی بتن نيز قبلا" مشخص شده است و لذا و اصلاح در مخلوط برای يکی شدن اين ها صورت می گيرد . مسلما" بايد اهداف مقاومتی و دوام نيز تأمين گردد . در اينجا نيز مشکل چگالی ذرات و جذب آب وجود دارد که معمولا" رطوبت و چگالی موجود مد نظر قرار می گيرد . لازم به ذکر است که اين روش برای بتن های نيمه سبکدانه و تمام سبکدانه کاربرد دارد. همچنين در اين روش از حجم سنگدانه ها بصورت شل استفاده می گردد .

3. روش وزنی يا فاکتور چگالی ( Weight Method or Specificgravity factor Method ) :

اين روش صرفا" برای سبکدانه درشت و ريز دانه معمولی کاربرد دارد يعنی صرفا" برای بتن نيمه سبکدانه مورد استفاده قرار می گيرد . در اين روش از فاکتور چگالی بجاب چگالی ذرات سبکدانه استفاده می شود . فاکتور چگالی تعريف خاصی است که فقط در ACI 211.2 ( در ضميمه A ) آمده است و با تعريف چگالی تفاوت دارد . S فاکتور چگالی بصورت زير می باشد. C وزن سبکدانه ( خشک يا مرطوب ) و B وزن پيکنومتر پر از آب و A وزن پيکنومتر پر از آب و سبکدانه می باشد.
بنابراين در اين تعريف وضعيت رطوبتی مشخص نيست و ميتواند از حالت خشک تا کاملا" اشباع انجام شود اما بايد وضعيت رطوبتی در هر مورد گزارش شود يعنی بگوئيم فاکتور چگالی برای سبکدانه ای با رطوبت معين برابر S می باشد . با توجه به روند معمولی طرح اختلاط امريکائی ، مقدار آب آزاد ، نسبت آب به سيمان ، مقدار سيمان ، وزن سبکدانه درشت خشک و مرطوب بدست می آيد که در اين رابطه مدول زيری ماسه و حداکثر اندازه سنگدانه ها و کارآئی مورد نياز کاربرد دارد . جذب آب سبکدانه می تواند طبق دستورهای استاندارد موجود و يا ضميمه B مربوط به ACI 211.2 مشخص شود که بر اين اساس آب کل بدست می آيد . در اين روش نيز باتوجه به وزن يک متر مکعب بتن مقدار ماسه بدست می آيد و بتن مورد نظر با اصلاحات رطوبتی ساخته شده و حک و اصلاح لازم بر روی مقادير بدست آمده صورت می گيرد تا بتن مطلوب حاصل شود .

کاربردهای بتن سبک همانطور که می دانيم بتن سبک می تواند به صورت های مختلفی طبقه بندی شود ، مثلا" سازه ای و غير سازه ای . از اين نوع طبقه بندی می توان کاربردها را حدس زد . اما گاه از طبقه بندی ديگری استفاده می نمائيم مثل بتن سبکدانه ، بتن اسفنجی و بتن فاقد ريز دانه . در اين نوع طبقه بندی ظاهرا" نمی توان کاربردها را حدس زد .
• ساخت قطعاتی است که صرفا" جنبه پر کننده دارند . در نوع سازه ای نيز دو نوع بتن داريم : مسلح و غير مسلح . مثلا" اجزاء سازه ای غير مسلح مثل بلوکهای ساختمانی را بايد از اين جمله موارد دانست . بتن سبکدانه ای سازه ای مسلح کاربردهائی شبيه بتن معمولی مسلح دارد و حتی ممکن است پيش تنيده هم باشد . جالب است بدانيم بتن های سبکدانه سازه ای مسلح در ابتدا عمدتا" در ساخت کشتی های تجاری و جنگی در جنگ جهانی اول از سال 1918 تا 1922 بکار رفته است . کشتی Atlantus به وزن 3000 تن در سال 1918 و کشتی Selmaبه وزن 7500 تن و طول 132متر در سال 1919 به آب افتادند . همچنين در جنگ جهانی دوم ( تا اواسط جنگ) بدليل محدوديت هائی در توليد ورق فولادی ( مانند جنگ جهانی اول ) کشتی ها و بارج های زيادی ساخته شدند که در همه آنها از بتن سبکدانه ( و معمولا" سبکدانه رسی منبسط شده ) استفاده شده بود . 24 کشتی اقيانوس پيما و 80 بارج دريائی تا پايان جنگ جهانی دوم در امريکا ساخته شد که ظرفيت آنها از 3 تا 000/ 140 تن بود .
جالب است بدانيم تا اين اواخر يک کشتی بنام Peralta که در جنگ جهانی اول ساخته شده بود ، شناور بود و آزمايشهای ارزشمندی نيز بر روی آن انجام شده است که نشان دوام عالی بتن آن از نظر خوردگی ميلگردها و کربناسيون می باشد .
مخازن شناور آب و مواد نفتی از جمله موارد استفاده بتن سبکدانه ای مسلح در طول دوران جنگ جهانی اول و دوم بوده است که ظاهرا" بعدها نيز بر خلاف ساخت کشتی ها ، توليد و ساخت آنها ادامه يافته است اما بدليل اقتصادی در زمان صلح بواسطه وفور ورق فولادی ، توليد کشتی مقرون به صرفه نمی باشد .
در سالهای 1950 و 1960 پل ها و ساختمانهای زيادی با بتن سبکدانه مسلح سازه ای در دنيا ساخته شد . بطور مثال در ايالات متحده و کانادا بيش از 150 پل و ساختمان از اين نوع مورد بهره برداری قرار گرفت . بطور مثال ساختمان هتل پارک پلازا در سنت لوئيز امريکا ، ساختمان 14 طبقه اداره تلفن بل جنوب غربی در کانزاس سيتی در سال 1929 از ساختمانهائی هستند که در دهه 20 و 30 ميلادی ساخته شده اند .
ساختمان 42 طبقه در شيکاگو ، ترمينال TWA در فرودگاه نيويورک ( 1960 ) ، فرودگاه Dulles واشنگتن در 1962 ، کليسائی در نروژ در 1965 ، پلی در وايسبادن آلمان در 1966 و پل آب بر در روتردام هلند در 1968 از جمله اين موارد هستند . در هلند ، انگلستان ، ايتاليا و اسکاتلند در دهه 70 و 80 ميلادی پلهائی از نوع ساخته شده اند .
مخازن عظيم گاز طبيعی ، اسکله شناور ، مخزن نفت در زير آب و ساختمانهای فرا ساحلی مانند سکوهای استخراج نفت و گاز با بتن سبکدانه مسلح سازه ای ساخته شده اند که اغلب بصورت نيمه سبکدانه و گاه تمام سبکدانه بوده اند . سکوی بزرگ پرش اسکی ، جايگاه تماشاچی در برخی استاديومها و همچنين سقف اين استاديومها گاه از بتن سبکدانه ساخته شده است .
بزرگترين بنای بتن سبکدانه ، يک ساختمان اداری 52 طبقه در تکزاس با ارتفاع 215 متر می باشد. در هلند در سالهای 60 تا 73 ميلادی 15 پل با دهانه بزرگ با بتن سبکدانه ساخته شده است. در سالهای دهه 70 ميلادی ساخت بتن های سبکدانه پر مقاومت آغاز شد و در دهه 80 بدليل نياز برخی شرکتهای نفتی در امريکا ، نروژ و مکزيک ، ساخت سازه ها و مخازن ساحلی و فرا ساحلی مانند سکوهای نفتی با بتن سبکدانه پر مقاومت آغاز شد که در اواخر دهه 80 و اوائل دهه 90 به بهره برداری رسيد و نتايج آن منتشر شده است .
FIP ( fib ) برخی پروژه های مهم ساخته شده با بتن سبکدانه را منتشر نموده است که کاربرد آن را نجومی نشان می دهد .



• بتن اسفنجی
معمولا" بع دو نوع گازی و کفی تقسيم ميشود . اين نوع بتن هارا بتن پوک و متخلخل نيز می نامند و در برخی منابع بتن Cellular نام دارد . اغلببتن های گازی و کفی غير سازه ای هستند اما برخی بتن های گازی از قابليت سازه ای شدنو حتی مسلح شدن برخوردار می باشند .
بتن های اسفنجی عمدتا" پر کننده هستند . ساخت برخی پانل های جداکننده ، ايجاد کف سازی و شيب بندی ، عايق های حرارتی و جاذبصوت از جمله موارد مورد استفاده بتن اسفنج غير سازه ای است . توليد قطعات و بلوکهایساختمانی برای بنائی از جمله کاربردهای بتن گازی است . نوعی بتن گازی بنام سيپورکسدر سوئد ساخته شد که می توانست مسلح گردد و در ايران نيز مدتی قطعات بتنی مسلحسيپورکسی بکار رفت از جمله دالهای بتن مسلح پيش ساخته برای پوشش سقف از جنس سيپورکسدر برخی پروژه های کشور ما مصرف گشته است . قطعات نما از جنس بتن کفی و گازی ياسبکدانه غير سازه ای نيز توليد و مصرف شده است .
کاربردهای بتن فاقد ريزدانهنيز در مبحث جداگانه ای نيز ارائه شده است