نقش سنگدانه ها در بتن

سنگدانه ها عموماً به عنوان پرکننده بی‌اثر در مخلوط بتن در نظر گرفته می‌شوند. اما با یک نگاه دقیق‌تر، نقش و تأثیر عمده سنگدانه ها را در خواص بتن تازه و سخت شده نشان می‌دهد. تغییرات در درجه بندی، حداکثر اندازه، وزن واحد و محتوای رطوبت همگی می‌توانند ویژگی و عملکرد مخلوط بتن شما را تغییر دهند. اقتصاد دلیل دیگری برای انتخاب سنگدانه هاست. اغلب می‌توانید با انتخاب حداکثر اندازه مجاز، در هزینه‌های خود صرفه جویی کنید.

استفاده از سنگدانه درشت معمولاً با کاهش نیاز به سیمان که پرهزینه‌ترین ماده است، هزینه مخلوط بتن را کاهش می‌دهد. اگر نسبت آب به سیمان (W/C) ثابت بماند، سیمان کمتر (در محدوده معقول دوام) به معنای آب کمتر خواهد بود. محتوای آب کمتر پتانسیل انقباض و ترک خوردگی مرتبط با تغییر حجم محدود را کاهش می‌دهد. در مقاله پارس زاگرس مروری بر مهم‌ترین عواملی که باید در هنگام انتخاب و تناسب سنگدانه های بتن در نظر گرفته شوند، آورده شده است.

اهمیت سنگدانه ها در بتن

سنگدانه ماده‌ای است که از مجموعه واحدها یا ذرات در یک جرم تشکیل می‌شود. سنگدانه ماده مهمی برای بتن و همچنین برای صنعت ساختمان است. بتن به طور گسترده‌ای برای ساخت ساختمان استفاده می‌شود. واقعیت مهم این است که حدود 70 تا 80 درصد حجم بتن توسط خود سنگدانه ها گرفته می‌شود. بنابراین به دست آوردن انواع و کیفیت مناسب سنگدانه ها در سایت بسیار مهم است.

تأثیر سنگدانه بر ویژگی‌ها و خواص مختلف بتن قطعاً بسیار زیاد است. از خواص بتن می‌توان به کارایی، دوام، استحکام، وزن و جمع شدگی اشاره کرد. سنگدانه ی حجم و جرم بتن را فراهم می‌کند، انقباض را کاهش می‌دهد و همچنین به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند. صنعت ساختمان در ابتدا سنگدانه ها را به عنوان پرکننده در سراسر خمیر سیمان عمدتاً به دلایل اقتصادی در نظر می‌گرفت.سنگدانه ارزانتر از سیمان است و بنابراین قرار دادن چنین حجم عظیمی از سنگدانه در بتن مقرون به صرفه می‌باشد.

اما اقتصاد تنها دلیل استفاده از سنگدانه ها نیست! نسبت به خمیر سیمان هیدراته به تنهایی از ثبات حجمی بالاتر و دوام بهتری برخوردار است و در سراسر جهان استفاده می‌شود. پیش از این، سنگدانه ها نیز به عنوان مواد شیمیایی بی‌اثری در نظر گرفته می‌شدند. اکنون مشخص شده است که برخی از سنگدانه ها از نظر شیمیایی فعال هستند و سنگدانه های خاصی پیوند شیمیایی را در سطح مشترک سنگدانه ها و خمیر نشان می‌دهند. با این حال، این تنها به سنگ مادر بستگی دارد. بدون مطالعه در مورد سنگدانه ها در عمق و محدوده خص خود، دانش بتن ناقص است.

مواد دیگری مانند آب و سنگدانه ها مواد طبیعی هستند و می‌توانند به هر میزانی برای بسیاری از خواص آنها متفاوت باشند. مواد طبیعی همیشه بسته به مکان متفاوت هستند. برای دانستن بیشتر در مورد بتن، بسیار ضروری است که در مورد سنگدانه هایی که حجم عمده بتن را تشکیل می‌دهند، اطلاعات بیشتری داشته باشیم. به عبارت دیگر، سنگدانه ها برای بهبود شرایط اقتصادی پروژه استفاده می‌شوند اما مهمتر از آن به خواص نهایی هر مخلوط بتن کمک می‌کنند.

انواع مختلف سنگدانه ها در بتن

انواع مختلفی از سنگدانه ها وجود دارند که عبارتند از:

شن (سنگدانه درشت)

سنگدانه های بزرگتر از 4.75 میلی‌متر (الک شماره 4۴) را سنگدانه درشت یا شن می‌گویند. شن سنگی است که به دو روش ساخته می‌شود. اولی به شکل طبیعی خود از برخورد صخره‌ها به هم در هنگام غلتیدن از بستر رودخانه‌هاست و دومی به طور عمدی سنگ‌های بزرگ‌تر را برای سنگ ‌ریزه ساختمانی خرد می‌کند. اگر پروژه شما شامل حاشیه، مسیرهای باغ، زهکشی یا سنگریزه است، باید شن را به عنوان ماده مورد نیاز خود در نظر بگیرید. شن اساساً در همه جا یافت می‌شود زیرا خود جاده‌ها نیز عمدتاً از شن تشکیل شده‌اند.

ماسه (سنگدانه ریز)

سنگدانه های ریزتر از 4.75 میلی‌متر را سنگدانه ریز یا ماسه می‌گویند. ماسه از دی اکسید سیلیکون به شکل کوارتز ساخته شده و به طور طبیعی روی زمین ساخته می‌شود. بیشتر ماسه‌های موجود ساخته دست بشر نیست. اگر به محوطه سازی، اجزای بتنی یا ساخت دیوارهای جداکننده نیاز دارید، ماسه می‌تواند برای شما مناسب باشد. ماسه در صنعت ساخت و ساز استفاده می‌شود زیرا دارای قدرت و حجم زیادی است که به عنوان بخشی از پروژه‌های ساختمانی عمل می‌کند. همچنین به خوبی با موادی مانند بتن و آسفالت ترکیب می‌شود.

بتن خرد شده

سنگدانه های بتن خرد شده عمدتاً با مواد بازیافتی ساخته شده‌اند و معمولاً از سایت‌ها و پروژه‌های ساختمانی تخریب شده گرفته می‌شوند. بتن خرد شده برای پر کردن بتن و برای مناطقی که عمق آنها بیشتر از 150 میلی‌متر است استفاده می‌شود. بنابراین، اگر این سنگدانه با نیازهای پروژه شما مطابقت دارد، پس برای شما مناسب است. اکثر سایت‌های ساختمانی دارای مقادیر زیادی مواد زائد از ساختمان‌ها هستند و صاحبان خانه دوست دارند مواد باقی مانده را برای ایجاد گذرگاه‌ها و مسیرهای باغ از جمله موارد دیگر خریداری کنند. انواع مختلفی از بتن خرد شده به عنوان سنگدانه استفاده می‌شود که شامل موارد زیر هستند:

گابیون پر گرانیت با اندازه 75 میلی‌متر تا 200 میلی‌متر
بتن خرد شده نوع 1 با اندازه 50 میلی‌متر معمولاً به عنوان زیرپایه برای جاده‌ها و لایه بندی زیر آسفالت و بتن استفاده می‌شود. بسیاری از پروژه‌های بزرگ از نوع 1 استفاده می‌کنند.
بتن خرد شده نوع 3 با اندازه صفر تا 63 میلی‌متر
بتن خرد شده تمیز بزرگ با اندازه 75 میلی‌متر تا 100 میلی‌متر

دانه بندی سنگدانه ها در بتن

دانه بندی بهینه بر اساس در دسترس بودن سنگدانه ها و الزامات پروژه منجر به یک بتن اقتصادی با کارایی و پایان پذیری خوب می‌شود. نسبت بین سنگدانه های درشت (شن) و ریز (ماسه) بر اساس ویژگی‌های منحصر به فرد هر سنگدانه، روش قرار دادن و پایان مورد نظر تغییر می‌کند. خط تقسیم بین سنگدانه ریز و درشت الک 3.8 اینچی است. مدول ظرافت (FM) شاخصی از ظرافت یک سنگدانه است که با افزودن درصدهای تجمعی بر حسب جرم باقی مانده در هر یک از یک سری الک مشخص و تقسیم مجموع بر 100 محاسبه می‌شود.

مدول ظرافت برای سنگدانه های ریز باید در محدوده 2.3 تا 3.1 قرار گیرد. مدول ظرافت نباید بیش از 0.2 تغییر کند. در غیر این صورت، تنظیمات مخلوط ممکن است تغییر کند. مواد بسیار ریز تقاضای آب بیشتری دارند و معمولاً باعث ایجاد یک مخلوط چسبنده می‌شوند. مواد بیش از حد درشت، مخلوط‌های سختی تولید می‌کنند که قرار دادن، تثبیت و تکمیل آن دشوارتر است.

سنگدانه ریز باید در محدوده دانه بندی ارائه شده در ASTM C 33قرار گیرد. اگر کمبودی در یک سنگدانه ریز موجود در محل وجود داشته باشد، بتن ممکن است از افزودن حباب هوا، سیمان اضافی یا یک ماده سیمانی تکمیلی (SCM) بهره‌مند شود. محدوده‌های دانه بندی درشت دانه‌های گسترده در ASTM C 33فهرست شده‌اند. هنگامی که یک دانه بندی برای یک پروژه انتخاب می‌شود، حفظ دانه بندی در محدوده‌های مورد نظر به سازگاری بیشتر منجر می‌شود.

این مهم معمولاً با انباشت صحیح مصالح و پردازش مجدد انبارها برای مقابله با تفکیک بیش از حد انجام می‌شود. حداکثر اندازه سنگدانه درشتی که می‌تواند در یک مخلوط استفاده شود به اندازه، شکل و میزان تراکم میلگردها در عضو بتنی بستگی دارد. معیارهای مربوط به سنگدانه درشت به شرح زیر است:

4 فاصله خالی بین میلگرد یا بین میلگرد و قالب‌ها (فاصله پوششی)
3 عمق دال
5 باریکترین بعد یک عضو

اغلب سنگدانه ها با استفاده از دانه بندی ترکیبی مواد ریز و درشت متناسب با طرح اختلاط تجزیه و تحلیل می‌شوند. این موضوع یک تخمین از نحوه عملکرد مخلوط در بتن را ارائه می‌دهد. هر منطقه کمبودهای خاص خود را در سنگدانه ها دارد اما هنگامی که یک دانه بندی ترکیبی (درصد حفظ شده در برابر اندازه غربال) ترسیم شد، این کمبودها به راحتی قابل شناسایی و اصلاح هستند. سپس می‌توان منابع جایگزین سنگدانه را برای نزدیک شدن به دانه بندی ایده آل در نظر گرفت که بهترین کارایی، قابلیت پمپاژ، کاهش انقباض و صرفه جویی را فراهم می‌کند. توجه داشته باشید که حذف ماسه از مخلوط، بتن معمولی را به بدون ریزدانه تبدیل می‌کند و قوام بتن را کاهش می‌دهد.

کنترل رطوبت سنگدانه ها در بتن

جذب و رطوبت سطحی سنگدانه ها جنبه‌های ساده و در عین حال بسیار مهم تولید بتن هستند که به طور مداوم به مقاومت مشخص یا هدف می‌رسند. رابطه اساسی بین نسبت آب به سیمان و استحکام با تصحیح سهم یا جذب رطوبت توسط سنگدانه ها شروع می‌شود. سنگدانه ها تا حدودی شبیه اسفنج‌های کوچک و سخت هستند. محاسبات طراحی مخلوط با این فرض انجام می‌شود که سنگدانه ها در شرایط خشک سطح اشباع (SSD) قرار دارند، به این معنی که جذب آنها برآورده می‌شود و هیچ آبی از مخلوط گرفته نشده یا به آن اضافه نمی شود.

اگر جذب سنگدانه ها برآورده نشود، آنها آب را از مقدار تعیین شده آب مخلوط می‌ربایند و اسلامپ بتن را کاهش می‌دهند. اگر بیش از حد مرطوب باشند (فراتر از این مقدار برای ارضای جذب)، آب اضافی باید از مقدار آب مخلوط کم شود. در غیر این صورت، نسبتW/C هدف فراتر رفته و نقاط قوت کاهش می‌یابند.

خصوصیات سنگدانه ها در بتن

سنگدانه ها فقط به عنوان پرکننده عمل می‌کنند و با سیمان و آب واکنشی نشان نمی‌دهند. اما خواص یا ویژگی‌هایی از سنگدانه وجود دارند که بر خواص مخلوط بتن حاصل تأثیر می‌گذارند. این خوص به شرح زیر هستند:

1- ترکیب سنگدانه ها

اگر سنگدانه ها موادی داشته باشند که بتوانند با قلیایی‌های موجود در سیمان واکنش دهند، باعث انبساط بیش از حد، ترک خوردن و خراب شدن مخلوط بتن می‌شوند. چنین سنگدانه هایی هرگز نباید استفاده شوند. بنابراین لازم است که سنگدانه ها را آزمایش کنیم تا بدانیم آیا چنین ترکیباتی در آنها وجود دارند یا خیر.

2- اندازه و شکل

اندازه و شکل ذرات سنگدانه تا حد زیادی بر مقدار سیمان مورد نیاز در مخلوط بتن و در نتیجه صرفه جویی در بتن تأثیر می‌گذارند. برای تهیه مخلوط بتن اقتصادی باید از بزرگترین سنگدانه های درشت قابل اجرا برای سازه استفاده شود. IS-456 توصیه می‌کند برای تصمیم‌ گیری حداکثر اندازه سنگدانه درشت مورد استفاده در مخلوط بتن مصلح توصیه‌های زیر را دنبال کنید:

حداکثر اندازه سنگدانه باید کمتر از موارد زیر باشند:

یک چهارم حداقل ابعاد عضو بتنی
یک پنجم حداقل ابعاد عضو بتن آرمه
حداقل فاصله خالی بین میلگردهای مسلح یا پنج میلی‌متر کمتر از حداقل پوشش بین میلگردهای تقویت شده و قالب، هر کدام که برای اعضای بتنی بسیار مسلح مانند دنده‌های میلگردهای اصلی کوچکتر باشند.

به یاد داشته باشید که اندازه و شکل ذرات سنگدانه در مقایسه با بتن سخت شده، بر خواص بتن تازه مخلوط شده بیشتر تأثیر می‌گذارند.

3- بافت سطحی

ایجاد استحکام پیوند سخت بین ذرات سنگدانه و خمیر سیمان به بافت سطح، زبری سطح و تخلخل سطح ذرات سنگدانه بستگی دارد. اگر سطح ناهموار اما متخلخل باشد، حداکثر استحکام پیوند ایجاد می‌شود. در سنگدانه های سطحی متخلخل، به دلیل گیرش خمیر سیمان در منافذ، استحکام باند افزایش می‌یابد.

4- گرانش مخصوص

نسبت وزن سنگدانه های خشک شده در کوره که به مدت 24 ساعت در دمای 100 تا 1100 درجه سانتیگراد حفظ می‌شوند، به وزن حجم مساوی آب جابجا شده توسط سنگدانه های سطح خشک اشباع شده به عنوان وزن مخصوص سنگدانه ها شناخته می‌شود.

وزن مخصوص دو نوع زیر است:

وزن مخصوص ظاهری
وزن مخصوص توده ای

وزن مخصوص وسیله‌ای برای تصمیم گیری در مورد مناسب بودن سنگدانه است. وزن مخصوص پایین عموماً نشان دهنده مواد متخلخل، ضعیف و جاذب است، در حالی که وزن مخصوص بالا نشان دهنده مواد با کیفیت خوب می‌باشد. وزن مخصوص سنگدانه های اصلی در محدوده 2.6 تا 2.9 قرار دارد. هنگام طراحی مخلوط بتن از مقادیر وزن مخصوص نیز استفاده می‌شود.

5- چگالی حجیم

به عنوان وزن سنگدانه مورد نیاز برای پر کردن ظرفی با حجم واحد تعریف می‌شود. به طور کلی بر حسب کیلوگرم در لیتر بیان می‌شود. جرم ظاهری سنگدانه ها به 3 عامل زیر بستگی دارد:

درجه تراکم
درجه بندی سنگدانه ها
شکل ذرات سنگدانه

6- فضای خالی

فضاهای خالی بین ذرات سنگدانه به عنوان فضای خالی شناخته می‌شوند. حجم فضای خالی برابر است با اختلاف بین حجم ناخالص جرم کل و حجم اشغال شده توسط ذرات به تنهایی.

7- تخلخل و جذب

حفره‌های کوچکی که در سنگ‌ها در هنگام انجماد ماگمای مذاب به دلیل حباب‌های هوا ایجاد می‌شوند، به عنوان منافذ شناخته می‌شوند. سنگ‌های حاوی منافذ را سنگ‌های متخلخل می‌نامند. جذب آب ممکن است به عنوان تفاوت بین وزن سنگدانه های بسیار خشک و وزن سنگدانه های اشباع با شرایط خشک سطحی تعریف شود. بسته به میزان رطوبت در سنگدانه ها، این می‌تواند در هر یک از 4 شرایط زیر موجود باشد:

سنگدانه بسیار خشک (بدون رطوبت)
سنگدانه خشک (حاوی مقداری رطوبت در منافذ آن)
سنگدانه خشک سطح اشباع (منافذ کاملاً پر از رطوبت اما بدون رطوبت در سطح)
سنگدانه های مرطوب (منافذ با رطوبت پر شده و همچنین دارای رطوبت در سطح هستند)

8- حجیم شدن شن و ماسه

می‌توان آن را به عنوان افزایش حجم مقدار ماسه (یعنی دانه‌های ریز) در شرایط مرطوب نسبت به حجم همان مقدار ماسه خشک یا کاملا اشباع تعریف کرد. نسبت حجم ماسه مرطوب ناشی از حجم ماسه در هنگام خشک شدن را ضریب حجیم می‌نامند.

هنگامی که آب به ماسه خشک و شل اضافه می‌شود، یک لایه نازک از آب در اطراف ذرات ماسه تشکیل می‌شود. در هم تنیدگی هوا در بین ذرات ماسه و لایه آب به دلیل کشش سطحی ذرات را از هم جدا می‌کند و در نتیجه حجم را افزایش می‌دهد. اما در مورد ماسه کاملاً اشباع، لایه‌های آب شکسته شده و حجم آن برابر با ماسه خشک می‌شود.

9- مدول ظرافت

مدول ظرافت یک عامل تجربی است که با افزودن درصد تجمعی سنگدانه های باقی مانده در هر یک از الک‌های استاندارد از 80 میلی متر تا 150 میکرون و تقسیم این مجموع بر 100 به دست می‌آید. مدول ظرافت عموماً برای به دست آوردن ایده ای از درشت یا ریز بودن سنگدانه استفاده می‌شود. مقدار مدول ظرافت بیشتر نشان می‌دهد که سنگدانه درشت‌تر است و مقدار کوچک مدول ظرافت نشان دهنده ریزتر بودن سنگدانه می‌باشد.

10- سطح خاص سنگدانه

مساحت سطح در واحد وزن ماده را سطح ویژه می‌نامند. این یک اندازه گیری غیر مستقیم از درجه بندی کل است. سطح ویژه با کاهش اندازه ذرات سنگدانه افزایش می‌یابد. سطح ویژه سنگدانه ریز بسیار بیشتر از سطح سنگدانه درشت است.

11- مواد زیان آور

سنگدانه ها نباید حاوی مواد مضر به اندازه ای باشند که بر مقاومت و دوام بتن تأثیر بگذارند. به این گونه مواد، مواد مضر می‌گویند. مواد مضر ممکن است یکی از اثرات زیر را ایجاد کنند:

برای ایجاد اختلال در هیدراتاسیون سیمان
برای جلوگیری از ایجاد پیوند مناسب
برای کاهش استحکام و دوام
برای تغییر زمان‌های تنظیم

مواد مضری که عموماً در سنگدانه ها یافت می‌شوند، ممکن است به صورت زیر دسته بندی شوند:

ناخالصی‌های آلی
خاک رس، سیلت و گرد و غبار
آلودگی نمکی

12- ارزش خرد کننده

مقدار خرد شدن سنگدانه ها معیاری نسبی از مقاومت سنگدانه در برابر خرد شدن زیر بار فشار اعمال شده تدریجی را نشان می‌دهد. مقدار مقاومت خرد شدن سنگدانه یک عامل مفید برای دانستن رفتار سنگدانه ها هنگام قرار گرفتن در معرض بارهای فشاری است.

13- ارزش تأثیر

مقدار ضربه سنگدانه اندازه گیری نسبی مقاومت سنگدانه در برابر ضربه یا ضربه ناگهانی را نشان می‌دهد. ارزش ضربه یک سنگدانه گاهی اوقات به عنوان جایگزینی برای ارزش خردایش استفاده می‌شود.

14- ارزش سایش سنگدانه ها

مقدار سایش، مقدار نسبی مقاومت یک سنگدانه در برابر سایش را هنگامی که در یک سیلندر همراه با مقداری بار ساینده می‌چرخد، نشان می‌دهد.

ملاحظات ویژه برای بتن اکسپوز

پیمانکارانی که بتن اکسپوز تزیینی را در جایی که ظاهر نما یکی از دغدغه‌های اصلی است استفاده می‌کنند. در این مهم باید به شکل، بافت، رنگ و ظاهر کلی سنگدانه توجه ویژه‌ای داشته باشید تا بهترین ظاهر محصول نهایی را به دست آورند. هنگام ریختن بتن معماری، باید مخلوط‌های آزمایشی را تست کنید.

هم شن و هم ماسه عموماً برای ساخت بتن اکسپوز باکیفیت قابل قبول هستند، اگرچه معمولاً شن برای سنگدانه های اکسپوز ترجیح داده می‌شود. استفاده از بتن بازیافتی یا بتن خرد شده با اندازه مناسب در بتن اکسپوز محبوب است. بتن بازیافتی نسبت به سنگدانه های معمولی جذب بالاتر و وزن مخصوص کمتری خواهد داشت. برای تولید بتن باکیفیت و بادوام که حاوی بخشی از سنگدانه بتن بازیافتی است، اغلب نیاز به مخلوط بتن آزمایشی و نظارت دقیق بر خواص بتن بازیافتی قدیمی، با انجام تنظیمات مخلوط است.

بایدها و نبایدهای مربوط به سنگدانه ها در بتن

از سنگدانه هایی استفاده کنید که مطابق با ASTM C 33، مشخصات استاندارد برای سنگدانه های بتنی باشد. سنگدانه ها باید سالم، تمیز، سخت، بادوام و عاری از ریزدانه‌ها یا آلودگی‌ها باشند که می‌توانند بر هیدراتاسیون سیمان تأثیر بگذارند یا پیوند خمیر و سنگدانه را مختل کنند. از محدودیت برای محتوای مواد مضر در دانه‌های ریز و درشت تجاوز نکنید. این محدودیت‌ها به ترتیب در جدول ASTM C 33 ارائه شده‌اند. برخی از مشخصات ممکن است به محدودیت‌های دقیق‌تری نیاز داشته باشند. به طور منظم باید بر میزان رطوبت سنگدانه های درشت و ریز نظارت کنید تا قوام و یکنواختی را افزایش دهید.