به نسبت وزنی ترکیب اجزای تشکیل‌دهنده بتن مثل سیمان، ریزدانه، درشت دانه، آب با یکدیگر که توسط مهندس طراح در قالب یک جدول، به منهندس مجری ارائه می‌شود طرح اختلاط بتن گفته می‌شود. باتوجه به این که امروزه بتن تبدیل به یک کالای تجاری شده و در طیف وسیعی از کاربردها ارائه می‌شود مشخصا نمی‌توان به یک طرح اختلاط بخصوص بسنده کرد.
بنابراین باتوجه به کاربری مورد انتظار از بتن، طرح اختلاط بتن نیز متفاوت خواهد بود. درواقع هر بتنی طرح اختلاط منحصر به فرد خود را دارد. از طرفی، صنعت بتن به سمتی پیش می‌رود که برای بهبود رفتار آن، مواد افزودنی مختلف با ترکیبات مختلف شیمیایی به بتن افزوده می‌شوند. بنابراین، باید توجه نمود که علاوه بر اجزای اصلی تشکیل دهنده بتن باید میزان مواد افزودنی بتن نیز در طرح اختلاط اعمال گردد. دو موردی که اشاره شد فقط بخشی از ملزومات طرح اختلاط بتن می‌باشد. اما موارد دیگری نیز در مسئله طرح اختلاط بتن دخیل است،که در ادامه مقاله به آن‌ها نیز اشاره خواهیم کرد.
موارد دیگری که باید در طرح اختلاط بتن به آن‌ها توجه شود به شرح زیر است :
- صرفه‌ی اقتصادی
- دوام بتن
- کارایی بتن
- مقاومت بتن
- نسبت آب به سیمان
- وضعیت سنگدانه‌ها
یکی از ارکان اصلی طرح اختلاط بتن، در نظر گرفتن حداقل مقدار سیمان برای حداکثر کیفیت بتن می‌باشد. سیمان گران‌ترین جزء تشکیل‌دهنده بتن محسوب می‌شود. بنابراین برای صرفه اقتصادی باید میزان سیمان را تا حدالامکان کاهش داده شود. البته این کار باید با حفظ کیفیت مطلوب و مورد انتظار از بتن صورت گیرد. مسئله دیگر، درصد آب به سیمان مورد نیاز بتن است. شاید بتوان گفت که مضرترین قسمت بتن، میزان آبی است که به بتن اضافه می‌شود. اما از طرفی شکل گیری خمیر سیمان و بتن، فرآیند گیرش و… بدون وجود آب امکان پذیر نیست. پس باید حداقل درصد آب به سیمان ممکن به مخلوط بتن افزوده شود تا فقط نقش چسبندگی مصالح و تامین روانی بتن را ایفا کند.
چرا وجود آب بیش از حد در مخلوط بتن مضر است؟ در واقع اضافه کردن آب بیش از حد لازم منجر به جداشدن و کاهش انسجام سنگدانه‌ها می‌شود. که این پدیده در ادامه منجر به کاهش استحکام و مقاومت بتن می‌شود.
چگونه به طرح اختلاط مناسب دست پیدا کنیم؟
به طور کلی مخلوط های بتن باید از دستورالعمل‌ها و استانداردهای بین‌المللی معتبر پیروی کنند. مخلوط بتن را می‌توان با استفاده از جداول و محاسبات ارائه شده در استاندارد طراحی نمود. انواع دستورالعمل‌های طراحی به شرح زیر است:
- آیین‌نامه بتن آمریکا (ACI)
- آیین‌نامه بتن انگلیس (BS)
- آیین‌نامه ملی بتن ایران (آبا)
- آیین نامه آلمانی
نکته : باید توجه داشت که این آییننامهها، فقط الگوریتم و روش طراحی را ارائه می‌دهند. بدست آوردن مقادیر نهایی مستقیما تحت تاثیر شرایط مطلوب پروژه می‌باشد. در واقع برای بدست آوردن یک طرح اختلاط مطلوب، باید از عملیات سعی و خطا استفاده نمود.
مراحل تعیین طرح اختلاط به روش مخلوط بتن ملی ایران
گام اول: تعیین مقاومت فشاری هدف و مقاومت فشاری متوسط
در این مرحله باید مقاومت فشاری مورد انتظار از بتن تعیین شود تا بتوان طرح اختلاط را برای دستیابی به مقاومت هدف، طراحی نمود.
گام دوم : تعیین نسبت آب به سیمان
این نسبت در مقاومت نهایی بتن بسیار تاثیر گذار است. نسبت آب به سیمان بالا می‌تواند منجر به پدید آمدن بتنی با مقاومت پایین شود. زیرا آب زیاد باعث جداشدگی سنگدانه‌ها از هم می‌شود. و بر عکس بتنی با نسبت آب به سیمان پایین، ممکن است از کارایی و روانی مورد نیاز پروژه بهره‌مند نباشد. پس در هر حالت تعیین یک نسبت آب به سیمان مناسب، برای دستیابی به بتنی مطلوب بسیار حائز اهمیت است.
گام سوم : انتخاب محدوده منحنی مخلوط سنگدانه‌ی بتن
محدوده دانه‌بندی سنگدانه‌ها، در کیفیت نهایی بتن بسیار مهم است. یک مخلوط بتن مناسب باید از نسبت‌هایی مشخصی از ریزدانه و درشتدانه تشکیل شده باشد. در این مرحله می‌توان با استفاده از جداول و منحنی‌های ارائه شده در استانداردهای بین‌المللی و استاندارد طرح اختلاط به روش مخلوط بتن ملی ایران به یک منحنی دانه‌بندی مناسب، دست یافت.
گام چهارم :تعیین مقدار آب آزاد بتن
آب موجود در بتن نقش به سزایی در مقاومت،کارایی و کیفیت بتن دارد. بدین منظور مقدار آب آزاد بتن را می‌توان با استفاده از مشخصاتی چون مدول نرمی سنگدانه‌ها و معادل درصد شکستگی متوسط سنگدانه‌های بتن محاسبه نمود.
گام پنجم: تعیین مقدار سیمان بتن
مقدار پایین سیمان، باعث بهم نچسبیدن همگن سنگدانه‌ها می‌شود. و مقدار زیاد آن در مخلوط بتنی، منجربه کاهش کارایی، افزایش تقاضای آب بتن و… می‌شود. در این مرحله با استفاده از فرمول‌ها و جداول مندرج در آیین‌نامه، می‌توان به مقدار سیمان مناسب برای طراحی مخلوط بتنی خوب، دست یافت.
معمولا برای تولید بتن با مقاومت فشاری بالای 20 مگاپاسکال، مهندسان اقدام به محاسبه ی مقدار اجزای متفاوت بتن با توجه به دستورالعمل‌هایی می‌کنند که زیر نظر کارشناسان و پژوهشگران صنعت بتن تدوین شده است. شایان ذکر است که این دستورالعمل‌های متفاوت بوده و اکثر کشورها از دستورالعمل‌های مختص به منطقه جغرافیایی خود استفاده می‌کنند. آیین نامه‌های رایج برای ساخت بتن شامل آیین نامه ی بتن آمریکا (ACI)، آیین نامه ی انگلستان (BS)، روش‌های طرح مخلوط ملی ایران و … اشاره کرد.
طرح اختلاط کارآمد
همانطور که اشاره شد طرح اختلاط بتن شامل دستورالعمل‌هایی است که منجر به محاسبه ی مقادیر مورد نیاز برای ساخت بتن می‌شود. معیار‌هایی که یک طرخ اختلاط بتن را کارآمد می‌کنند عبارتند از:
- مقاومت فشاری مناسب
- روانی و کارایی مناسب
- دوام بالا
- هزینه معقول
مقاومت فشاری مناسب
این فاکتور با توجه به نوع پروژه تعریف می‌شود. به عبارت دیگر، با توجه به اسناد فنی و درخواست کارفرما، میزان مقاومت فشاری بتن می‌تواند برای هر پروژه ای متفاوت باشد.
روانی و کارایی مناسب
یکی از مشخصات اصلی یک طرح اختلاط کارآمد، میزان روانی و کارایی (Workability) بتن ساخته می‌باشد. این فاکتور به نحوی غلظت بتن را تعیین می‌کنند. بتن ساخته شده نه باید بسیار رقیق بوده که قسمت سنگدانه‌ها از قسمت ملات جدا شود و نه انقدر سفت باشد که به طور مناسب بین آرماتور‌ها و خاموت‌ها پخش نشود. میزان مناسب روانی بتن میزانی است که بتن به راحتی در مقطع جریان پیدا کرده و با در نظداشتن اینکه بتن بین بین تمامی آرماتور‌ها به صورت یکنواخت پخش شده است، اجزای مختلف آن از هم جدا نشده باشند.
دوام بالا
بتن ساخته شده باید قابلیت این را داشته باشد که در شرایط محیطی که طبق آن ساخته شده شده است، در برابر بار‌های متفاوت و شرایط جوی استقامت کافی را داشته باشد. برای مثال بتن ساخته شده برای نواحی سردسیر، باید دوام لازم برای مقاومت در برابر شرایط سرد آب و هوایی را داشته باشد. گفتنی است که در دستورالعمل‌های طرح اختلال بتن، این فاکتور (شرایط آب و هوایی) در نظر گرفته شده است.
هزینه معقول
یکی از مهم ترین فاکتور‌هایی که یک طرح اختلاط را کارآمد می‌کند، اقتصادی بودن طرح می‌باشد. مهندسان در صنعت بتن باید توجه داشته باشند که اقتصادی بودن طرح اختلاط در کنار داشتن مقاومت کافی بتن و دیگر ارضا کردن دیگر فاکتور‌ها است که آن را تبدیل به یک طرح اختلاط کارآمد می‌نماید. در نتیجه، طرح اختلاط زمانی کارآمد است که علاوه بر برطرف کردن نیاز‌های مختلف پروژه، به لحاظ اقتصادی نیز توجیه پذیر باشد.
مراحل انجام طرح اختلاط بتن بر اساس آیین نامه ی بتن آمریکا (ACI211)
-
انتخاب اسلامپ (Slump)
در مرحله ی آغازین طرح اختلاط بتن، باید اسلامپ مورد نظر انتخاب شود. انتخاب اسلامپ به انواع سازه مورد نظر بستگی دارد، مانند تیر، ستون، بتن حجیم و … .
-
انتخاب بزرگترین سایز سنگدانه (D max)
با توجه به محدودیت‌ها برای تعیین بزرگترین اندازه سنگدانه در روند انجام طرح اختلاط بتن، بزرگترین سایز سنگدانه انتخابی باید کوچکترین مقدار موارد زیر باشد:
- یک پنجم کوچکترین بعد قالب
- یک سوم ضخامت دال‌ها
- سه چهارم کمترین فاصله خالص بین تک میلگردها (یا دسته میلگردها)
-
تعیین آب مورد نیاز و مقدار هوای محبوس در بتن (Air and Water)
در این مرحله با توجه به میزان اسلامپ و نوع بتن (هوادار یا بدون هوا)، می‌توان مقدار آب مورد نیاز در ساخت بتن را محاسبه نمود.
-
تعیین نسبت آب به سیمان (W/C)
در این مرحله، با در نظر گرفتن مقاومت فشاری انتخابی برای بتن و با توجه بدین نکته آیا از مواد هوازا در طرح اختلاط بتن استفاده شده است یا خیر، میزان نسبت آب به سیمان (W/C) را تعیین می‌کنیم. لازم به ذکر است که در این مرحله چنانچه نیاز به درونیابی باشد لازم است که انجام شود. همچنین شایان ذکر است که برای انواع خاصی از سازه‌ها که در شرایط محیطی ویژه ساخته می‌شوند لازم است تا از جدول خاص اشاره شده در این قسمت استفاده شود.
-
تعیین مقدار سیمان (Cement)
با توجه به اینکه میزان آب مورد نیاز مشخص می‌باشد، میزان سیمان مورد نیاز را بدست می‌آوریم.
-
تعیین مقدار سنگدانه سایز بزرگ یا شن (coarse aggregates)
در این مرحله از طرح اختلاط بتن، با توجه به مقدار بزرگترین اندازه سنگدانه بزرگ و مدول نرمی ماسه، مقدار سنگدانه درشت تعیین می‌شود.
-
تعیین مقدار سنگدانه سایز ریز یا ماسه
برای تعیین مقدار سنگدانه با اندازه ریز، دو روش وجود دارد:
- روش وزنی
- روش حجم مطلق
تا این مرحله، مقادیر تمام اجزای بتن نظیر سیمان، آب و مقدار سنگدانه درشت تعیین شده اند. حال برای تعیین مقدار سنگدانه ریز می‌توان حجم تمام اجزای بدست آمده از از حجم واحد بتن مورد نظر کم کرد. بدین ترتیب حجم قسمت سنگدانه ریز نیز بدست می‌آید که با ضرب این مقدار در وزن مخصوص ماسه مورد نظر، جرم ماسه نیز بدست می‌آید.
-
تصحیح میزان رطوبت سنگدانه‌ها با توجه به نتیجه طرح اختلاط بتن
در مرحله آخر، با توجه به این مهم که ممکن است سنگدانه‌ها خشک بوده باشند و مقداری از آب اختصاص داده شده به طرح اختلاط را جهت جذب رطوبت، جذب کرده باشند، از روابط زیر میزان ضریب اصلاحی را خارج می‌نماییم.
(رطوبت موجود – جذب آب ssd) = رطوبت سطحی
( 1- (100/ رطوبت سطحی) ) = ضریب تصحیح
