سنگدانه های بتن
اگر چه معمولاً سنگدانه های بتن به عنوان مواد پُرکننده بی اثر در بتن شناخته می شوند اما خواص مختلف آنها تأثیر زیادی بر مقاومت، دوام و کارایی بتن دارند. این خصوصیات مختلف سنگدانه‌ها به طراحان و پیمانکاران بیشترین انعطاف پذیری را برای تأمین نیازهای طراحی و ساخت می دهد. سنگدانه های بتن نقش مهمی در بخش ساخت و ساز دارند و می‌توانند برای پروژه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرند. برای شناخت انواع سنگندانه‌ها و خصوصیات هر کدام با ما همراه باشید.
انواع سنگدانه های بتن
سنگدانه‌ها از معادن سنگ و در حاشیه رودخانه تهیه می‌شوند که به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
سنگدانه های درشت (شن)
آن دسته از ذراتی که عمدتاً روی الک شماره 4 (4.75 میلی‌متری) می‌مانند، سنگدانه های درشت دانه نامیده می‌شوند. هرچه دانه درشت تر باشد از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه تر است. استفاده از حداکثر مجاز اندازه شن باعث می شود نیاز به سیمان و آب کاهش پیدا کند. استفاده از سنگدانه های بزرگتر از حداکثر اندازه سنگدانه‌های مجاز می‌تواند منجر به سقوط سنگدانه های درشت به انتهای مخلوط بتنی و افزایش ترک در بتن شود.
سنگدانه های ریز (ماسه)
نوع دیگر سنگدانه‌ها ذراتی هستند که به طور کامل از الک شماره 4 (4.75 میلی‌متری) عبور می‌کنند و عمدتاً روی الک شماره 200 (7 میکرومتر) می مانند. به این ذرات، ماسه گفته می شود. برای افزایش کارایی و صرفه اقتصادی که با استفاده از سیمان کمتر منعکس می‌شود، سنگدانه ریز باید دارای شکل گرد باشد. هدف از سنگدانه ریز پُر کردن جای خالی سنگدانه‌های درشت و افزایش کارایی مخلوط بتنی است. تغییر در اندازه، دانه بندی، بافت، شکل و مقاومت سنگدانه‌ها به معنی تغییر در خصوصیات بتن است.
طبقه بندی سنگدانه های بتن براساس شکل
سنگدانه‌ها را می‌توان بر اساس شکل به انواع زیر تقسیم کرد:
سنگدانه‌های گرد گوشه
سنگدانه‌های گرد گوشه در سواحل و رودخانه‌ها پیدا می‌شوند. این سنگدانه‌ها در طی حرکت آب دچار فرسایش می‌شوند و به دلیل گرد گوشه بودن به افزایش کارایی بتن کمک می‌کنند. این همچنین بدان معناست که نسبت آب به سیمان کمتری نیز برای بتن لازم است. از سویی دیگر، این سنگدانه‌ها نسبت به نوع تیزگوشه مقاومت فشاری بتن را کاهش می‌دهند.
سنگدانه های تیز گوشه
همانطور که از نامش پیدا است، این سنگدانه‌ها از لبه‌های تیز گوشه و زاویه ای تشکیل می شوند. این سنگدانه ها با خُرد شدن سنگ‌های طبیعی در معادن سنگ به دست می آیند. سنگدانه های تیز گوشه به دلیل پیوندهای محکم‌تر مقاومت فشاری بتن را افزایش می‌دهند و این امر در ساخت بتن با مقاومت بالا مفید است؛ اما باعث کاهش کارایی بتن می شود.
سنگدانه های نامنظم
سنگدانه های نامنظم به صورت شن و ماسه های گودال هستند. بخشی از آنها توسط فرسایش شکل گرفته اند. در نتیجه حدود 35 درصد از حفره‌ها ایجاد می شوند. این منجر به کارایی کمتری نسبت به سنگدانه‌های گرد خواهد شد. مقاومت آنها کمی بیشتر است.
تأثیر مشخصات سنگندانه‌ها در خصوصیات بتن
بتن مخلوطی از سیمان، آب و سنگدانه ها است. سنگدانه های بتن معمولاً به عنوان ماده پُرکننده بی اثر در نظر گرفته می‌شوند که 60 تا 80 درصد حجم و 70 تا 85 درصد وزن بتن را تشکیل می دهند. اگرچه سنگدانه ها به عنوان پُرکننده در نظر گرفته شده اما یک مؤلفه اصلی در تعیین خصوصیات بتن هستند.
سنگدانه ها به دو نوع مختلف درشت و ریز طبقه بندی می شوند. سنگدانه درشت که همان شن است معمولاً بیشتر از 4.75 میلی‌متر اندازه دارد، در حالی که سنگدانه ریز که ماسه است، کمتر از 4.75 میلی‌متر می باشد.
خصوصیات سنگدانه ها شامل شکل و بافت، اندازه، میزان رطوبت، وزن مخصوص، واکنش پذیری و وزن واحد هستند. این خصوصیات به همراه نسبت آب به سیمان، مقاومت، کارآیی و دوام بتن را تعیین می کنند. شکل و بافت سنگدانه بیشتر از بتن سخت بر خصوصیات بتن تازه تأثیر می گذارد.
بتن در صورت استفاده از سنگدانه های صاف و گرد به جای سنگ دانه‌های تیز گوشه کارایی بیشتری دارد. بیشتر شن و ماسه های طبیعی، یا در بستر رودخانه‌ها و سواحل دریاها، صاف و گرد هستند و سنگدانه های بسیار خوبی دارند. سنگدانه های تیزگوشه باعث افزایش مقاومت سیمان می شوند اما برای تولید یک مخلوط با کارپذیری بالا به خمیر سیمان بیشتری نیاز دارند.
بافت سطح سنگدانه می تواند صاف یا خشن باشد. یک سطح صاف می تواند کارایی را بهبود بخشد، با این وجود یک سطح خشن پیوند قوی تری بین خمیر و سنگدانه ایجاد کرده و مقاومت فشاری بتن را افزایش می دهد. اندازه سنگدانه ها نیز از ویژگی های مهمی هستند که خصوصیات بتن تازه را دستخوش تغییرات قرار می دهند.
مهم است که ضمن تأمین مقاومت و دوام لازم، کارایی بتن نیز مورد توجه قرار گیرد. مقدار مورد نیاز خمیر سیمانی به مقاومت بتن بستگی دارد. وقتی سنگدانه های بتن از اندازه یکنواختی برخوردار باشند، فاصله زیادی بین سنگدانه‌ها وجود دارد اما وقتی طیف وسیعی از اندازه‌ها در دسترس باشد، فضاهای خالی پُر شده و نیاز به خمیر سیمانی، کاهش پیدا می کند.
هرچه فضاهای خالی بیشتری پر شوند، بتن کارپذیری بیشتری خواهد داشت، بنابراین سازش بین کارایی و اقتصاد ضروری است. میزان رطوبت سنگدانه‌ها در هنگام ایجاد نسبت مناسب آب به سیمان مناسب، عامل مهمی است. تمام سنگدانه ها حاوی مقداری رطوبت بر اساس تخلخل ذرات و وضعیت رطوبت منطقه ذخیره سازی هستند (جایی که مصالح ساختمانی در کارگاه ذخیره می‌شوند).
میزان رطوبت می‌تواند از کمتر از یک درصد در ماسه و تا 40 درصد در شن بسیار متخلخل باشد. سنگدانه را می‌توان در چهار حالت مختلف رطوبتی یافت که این شامل خشک شدن در هاون (OD) ، خشک شدن هوا (AD) ، سطح اشباع شده خشک (SSD) و مرطوب است. از این چهار حالت، فقط OD و SSD مربوط به یک حالت رطوبت خاص هستند و می‌توانند به عنوان حالت‌های مرجع برای محاسبه میزان رطوبت استفاده شوند.
محاسبه مقدار رطوبت سنگدانه ها :
محاسبه مقدار رطوبت باید براساس سه کمیت زیر محاسبه شود:
- ظرفیت جذب
- جذب مؤثر
- رطوبت سطح
بیشتر سنگدانه‌های درشت در حالت AD با جذب کمتر از یک درصد است اما بیشتر سنگدانه ریز اغلب در حالت مرطوب، با رطوبت سطح تا پنج درصد می‌باشد. رطوبت ماسه باعث ایجاد یک لایه ضخیم روی سطح ذرات می‌شود که آنها را از هم دور کرده و حجم ظاهری بتن را افزایش می دهد. این مهم ممکن است باعث ایجاد خطاهای قابل توجهی در تناسب حجم شود.
مقدار چگالی سنگدانه های بتن در تناسب مخلوط برای ایجاد رابطه وزن و حجم مورد نیاز است. وزن مخصوص با تعیین تراکم در اثر جابجایی آب به راحتی محاسبه می‌شود. همۀ سنگدانه‌ها حاوی مقداری تخلخل هستند و مقدار وزن مخصوص، به اینكه این منافذ در اندازه گیری گنجانده شوند، بستگی دارد.
برای تشخیص این اندازه گیری دو اصطلاح از جمله وزن مخصوص مطلق و وزن مخصوص فله وجود خواهند داشت. وزن مخصوص مطلق (ASG) به ماده جامد به استثنای منافذ اشاره دارد و وزن مخصوص فله (BSG) که گاهی اوقات به آن وزن مخصوص ظاهری نیز می‌گویند، شامل حجم منافذ است. به منظور متناسب سازی مخلوط، دانستن فضای اشغال شده توسط ذرات سنگی از جمله منافذ درون ذرات مهم است.
وزن مخصوص فله یک سنگدانه ارتباط مستقیمی با عملکرد آن در بتن ندارد، اگرچه مشخصات BSG اغلب برای برآوردن حداقل چگالی مورد نیاز انجام می‌شود. برای متناسب سازی مخلوط، وزن واحد فله (تراکم فله) لازم است. تراکم حجمی، حجمی که سنگدانه درجه بندی شده را در بتن اشغال کرده از جمله ذرات جامد و حفره‌های بین آنها است.
از آنجا که وزن سنگدانه به مقدار رطوبت آن بستگی دارد، یک رطوبت ثابت لازم است. این رطوبت با استفاده از مجموع OD حاصل می‌شود. علاوه بر این، چگالی فله برای روش حجم دهی، به تناسب مخلوط مورد نیاز بستگی دارد. متداول‌ترین طبقه بندی سنگدانه های بتن بر اساس وزن مخصوص فله، سنگدانه‌های سبک وزن، وزن نرم و سنگین هستند.
در بتن معمولی وزن کل سنگدانه‌ها 1520 تا 1680 کیلوگرم در متر مکعب است اما گاهی اوقات برای طراحی‌ها به بتن سبک یا سنگینی نیاز است. بتن سبک شامل سنگدانه‌هایی طبیعی یا مصنوعی است که وزن آن کمتر از 1100 کیلوگرم در متر مکعب بوده و بتن سنگین شامل سنگدانه‌هایی طبیعی یا مصنوعی می‌باشد که وزن آنها بیش از 2080 کیلوگرم در متر مکعب است.
نحوه انتخاب مناسب‌ترین سنگدانه های بتن
از آنجا که سنگدانه‌ها بیشتر حجم بتن را اشغال می‌کنند، بنابراین باید مطمئن شد که کدام نوع از آنها برای بهبود خصوصیات بتن مناسب‌تر هستند. در زیر چند فاکتور اصلی وجود دارند که باید آنها را در نظر بگیرید :
1- اندازه
درجه بندی و اندازه دو مورد از مهم ترین عواملی هستند که باید در نظر بگیرید. سنگدانه‌ها می‌توانند کوچک یا بزرگ باشند. معمولاً مخلوط سنگدانه‌های ریز با سنگدانه‌های درشت برای پر کردن فضاهای خالی در مخلوط بتنی پیشنهاد می‌شوند. استفاده بیشتر از سنگدانه‌های درشت، باعث افزایش ترک و سقوط آنها به انتهای بتن تازه می شود و همچنین وجود سنگدانه‌های ریز بیشتر نیز، باعث کاهش مقاومت بتن می‌شود. اندازه سنگدانه‌ها برحسب نوع بتن و خصوصیات پروژه تعیین می‌شود.
2- شکل
همانطور که در بالا بیان شد، سنگدانه‌های تیز گوشه از یک سو به افزایش مقاومت فشاری شده و از سویی دیگر منجر به کاهش کارایی بتن می شودند. این دو ویژگی در سنگدانه‌های گرد گوشه کاملاً متفاوت است. به همین دلیل، انتخاب نوع سنگدانه به خصوصیات بتن و رده بتن بستگی دارد. در هر صورت، مخلوطی از ترکیب هر دو اندازه سنگدانه های بتن می‌تواند ایده آل باشد.
4- دانه بندی
سنگدانه‌های درشت حدود 10 برابر بزرگتر از سنگدانه‌های ریزتر هستند اما متنوع بودن دامنه اندازه آنها مهم است. به طور کلی، سه سطح دانه بندی به شرح زیر وجود دارند:
- سنگدانه با دانه بندی خوب دارای ذراتی است که به طور مساوی از ریزترین به درشت‌ترین می‌رسد. خوب دانه بندی شدن سنگدانه‌ها به این معناست آنها دارای اندازه‌های مختلف ذرات هستند و هیچ فضای خالی بین سنگدانه‌ها وجود ندارد. سنگدانه خوب دانه بندی شده برای بتن عالی می باشد.
- سنگدانه با دانه بندی ضعیف عملاً هیچ تغییری در اندازه ندارد. بین هر ذره، فضاهای خالی زیادی وجود دارد. به منظور پُرکردن فضاهای خالی بزرگ، سنگدانه‌ها با دانه بندی ضعیف به مقدار زیادی خمیر سیمانی نیاز دارند. این بدان معناست که مخلوط بتنی خیلی اقتصادی نیست و عملکرد خوبی هم ندارد.
- سنگدانه با دانه بندی گسسته حاوی مخلوطی از سنگدانه‌های درشت و سنگدانه‌های ریز می باشد. تنوع کمتری در اختلاف اندازه بین هر سنگدانه وجود دارد، بنابراین چند بخش از اندازه‌های این سنگدانه خالی است که این می‌تواند کارایی مخلوط بتنی را کاهش دهد.
جمع بندی نهایی :
سنگدانه های بتن به عنوان پر کننده عمل می‌کنند اما می‌توانند تأثیر ناچیزی بر روی خصوصیات مختلف بتن مانند مقاومت فشاری و کارایی نیز داشته باشند. هر چه بازه دانه بندی سنگدانه‌ها بیشتر باشد و مخلوط بتنی طیف گسترده‌ای از انواع اندازه‌ها را در خود داشته باشد، بتن از کیفیت بهتری برخوردار خواهد بود. در هر صورت، طرح اختلاط بتن کاری مهندسی است که باید توسط توسط افراد واجد شرایط نظارت شود.
منابع :