تکنولوژی بتن و آزمایشگاه قسمت دوم – سنگدانه ها

معمولا هفتاد و پنج درصد بتن از سنگدانه شکل میگیرد و برای همین علت میبایست برای ساخت یک بتن ایده آل از مصالح سنگی با کیفیت استفاده کرد

بر طبق مقررات ملی ساختمان مبحث 9 سنگدانه های بزرگتر از 75/4 میلیمتر را سنگدانه های درشت یا شن و ریزتر از آن را سنگدانه های ریز یا ماسه مینامند.

شن حدود 60 الی 70 درصد دانه های سنگی و ماسه حدود 30 الی 40 درصد دانه های سنگی را تشکیل می دهد.

سنگدانه ها علاوه بر تاثیر در مقاومت بتن ، بر دوام بتن،پایداری حجمی بتن، مدول الاستیسیته بتن، خزش ، وزن مخصوص، افت کارایی و … نیز بسیار اثرگذار است. خواص فیزیکی،حرارتی و گاهی شیمیایی سنگدانه ها در عملکرد بتن تاثیر می گذارد.

از لحاظ اقتصادی مصرف بیشتر سنگدانه ها در بتن با صرفه خواهد بود ،زیرا قیمت آن کمتر از قیمت خمیر سیمان می باشد. اما دلیل اصلی که چرا یک مخلوط پر سیمان مطلوب نمی باشد ، نظریه چکالی می باشد. بر طبق این نظریه هر چه مقدار ذرات جامدی که در داخل حجم معینی از بتن متراکم شده اند بیشتر باشد، چکالی بیشتر شده و مقاومت بتن زیاد می شود.

سنگدانه های مصرفی در بتن باید تمیز ، سخت، مقاوم، پایا، فاقد مواد شیمیایی جذب شده ، فاقد پوشش رسی و مواد ریز سطحی باشند.

سنگ ها را می توان بر اساس وزن مخصوص ،مواد تشکیل دهنده (کانیها)، دانه بندی ، روش تولید(طبیعی یا مصنوعی)، شکل دانه ها ، بافت سطحی ، مقاومت، پایایی ، … تقسیم بندی نمود.

کانیها : سنگ ها از تجمع کانیها حاصل می شوند. کانیها مواد جامد ، طبیعی ،معمولا متبلور، غیر آلی و همگن هستند که ترکیبات شیمیایی ثابتی دارند.کانیهای سنگساز بر حسب انواع سنگها به سه گروه تقسیم می شود:

• سنگهای ماگمایی
• سنگهای رسوبی
• سنگهای دگرگونی

کانیها برحسب سختی به 10 درجه تقسیم بندی شده اند که تالک و گرافیت و خاک چینی و کلوریت درجه 1 و کمترین سختی را دارند و الماس سخت ترین و درجه 10 می باشد.

سنگ های ماگمایی

سنگهای بلوری : ماگما به کندی سرد شده مانند گرانیت، دیوریت ، زینیت

سنگهای بلور دانه : درحال سرد بوده که به جای سردی منتقل شده .مثل پرفیرگرانیت، پرفیردیوریت ، پرفیرزینیت

سنگهای بلوری نشده : ماگما زود سرد می شود و بلوری نشده و کانیهای بلوری ریز هستند . مثل سنگ بازالتی

ماگما زمانی که بیرون ریخته می شود در اثر متصاعد شدن گازها به صورت کفسنگ پوکه سنگ طبیعی درآمده

سنگهای رسوبی (ته نشسته)

از ته نشین شدن جسم های محلول و شناور در آب بر روی هم و فشار لایه های بالایی و حرارت لایه های پائینی زمین ببدست می آید . سنگهای به کار رفته در بتن،آسفالت، نمای ساختمان ها اکثر از این دسته سنگها می باشند.

سنگهای دگرگونی

سنگهای آذرین و یا رسوبی که در زیر فشار زیاد یا گرما دگرگون شده اند . آذرین دگرگون شده را ارتو و رسوبی دگرگون شده را پارا می نامند.

چگالی اشباع با سطح خشک (S.S.D) سنگدانه های معمولی 2400-2800 کیلوگرم بر متر مکعب(استفاده در بتن های معمولی با چگالی 2000-2400)

با استفاده از سنگدانه های حاوی روباره،رس و شیل منبسط شده (لیکا) می توان بتن هایی با چگالی 250-1450 بدست آورد.

با استفاده از سنگدانه های سنگین مثل باریت و هماتیت با چگالی بیشتر از 3000 می توان بتن سنگین وزن را بدست آورد.

اندازه ظاهری سنگدانه ها :

اندازه دانه های سنگی که در بتن به کار می رود متفاوت است. در استاندارد آمریکا ASTM الک ش 4(75/4میلیمتر) حد فاصل شن و ماسه است. همچنین حد پایین ماسه الک ش 200(075/0 میلی متر)می باشد.عموما

$1o 5/37>شن>75/4 میلی متر

$1o 75/4>ماسه>075/0 میلی متر

$1o 075/0>لای>002/0 میلی متر

$1o 0002/0 >رس

در آیین نامه بتن ایران آبا اندازه شن محدود به موارد ذیل شده است: یک پنجم کوچکترین بعد داخلی بتن – یک سوم ضخامت دال – سه چهارم فاصله آزاد میلگرد ها – سه چهارم ضخامت پوشش روی میلگرد در کل حداکثر اندازه سنگدانه در بتن آرمه 38 میلی متر و در بتن غیر مسلح 63 میلی متر می باشد. این محدودیت اندازه در بتن آرمه بدین سبب است که بتن به صورت مطلوب میلگرد ها را در بر گیرد ، پیوستگی لازم را ایجاد نماید و احتمال کرمو شدن بتن به حداقل برسد.

هر چه اندازه سنگدانه بزرگتر باشد سطح ویژه کمتر شده و آب کمتری جهت مرطوب شدن سطح لازم است که این سبب افزایش مقاومت می شود. پس بهتر است دانه بندی سنگدانه ها به حداکثر اندازه دانه بندی بزرگ متمایل گردد. از دیدگاه مقاومت استفاده از سنگدانه های درشت در بتن های کم سیمان یک مزیت مهم است و در بتن های معمولی و پر سیمان مزیت مهمی نیست با توجه به اینکه خطر جداشدگی سنگ دانه ها در بتن ، یکی از مشکلات اساسی بتن با سنگدانه درشت است. ذکر این نکته لازم است که با ثابت بودن نسبت آب به سیمان در صورت استفاده از سنگدانه های درشت تر مقاومت فشاری بتن کاهش می یابد.و در صورت استفاده از سنگدانه های درشت تر و افزایش مقاومت باید از آب اختلاط کم کرد.

از مهمترین عوامل تعیین کننده سنگدانه های مطلوب در بتن:

مدول الاستیسیته سنگدانه ها: بسیاری از خواص بتن از قبیل کارایی ، مقاومت، مدول الاستیسیته، افت، خزش ، دوام و… متاثر از مشخصه های مصالح سنگی است . به طور کلی هر چه مدول الاستیسیته سنگدانه ها بیشتر باشد مدول بتن نیز بیشتر خواهد شد. مدول الاستیسیته سنگدانه ها همچنین بر میزان خزش و جمع شدگی بتن نیز تاثیر خواهد داشت. ناسازگاری بین مدول الاستیسیته سنگدانه ها و خمیر سیمان سیمان هیدراته شده به طور نامطلوبی سبب افزایش ترک های مویینه در فصل مشترک خمیر سیمان و سنگدانه ها می گردد. آن دسته از سنگدانه هایی که مدول الاستیسیته آنها متوسط یا کم است ، می توانند به لحاظ حفظ یکپارچگی بتن با ارزش باشند. تاکنون هیچ رابطه کلی بین مقاومت و مدول الاستیسیته سنگدانه ها وجود ندارد.

بافت سطحی سنگدانه ها: شکل و بافت سطحی سنگدانه ها به میزان قابل ملاحظه ای بر مقاومت بتن اثر می گذارد. مقاومت خمشی بیش از مقاومت فشاری تحت تاثیر بافت سطحی سنگدانه ها واقع می شود. یک بافت سطحی خشن منجر به نیروی پیوستگی بیشتری بین دانه ها و خمیر سیمان خواهد شد. به همین صورت ، مساحت بیشتر سطح سنگدانه های تیز گوشه به این معنی است که نیروی پیوستگی بیشتری می تواند ایجاد شود. دانه های زبر ، گوشه ای و سوزنی در مقایسه با دانه های صاف ، گرد، متراکم، آب بیشتری برای تولید بتن با کارایی یکسان نیاز دارد.

چسبندگی بین خمیر سیمان و سنگدانه ها: یکی از مهمترین عوامل در چسبندگی خمیر سیمان و سنگدانه ها اینست که سطح سنگدانه ها تمیز و عاری از ذرات خاک رس چسبیده به آن باشد. عموما با تغییر سنگدانه ها از نرم و گرد ، به زبر و گوشه ای ، میزان چسبندگی بین خمیر سیمان و سنگدانه ها افزایش می یابد. این افزایش در چسبندگی در انتخاب سنگدانه های بتنی که مقاومت خمشی آن مهم بوده و یا مقاومت فشاری بالایی نیاز باشد ، اهمیت ویژه ای دارد.بافت سنگدانه ها باید طوری باشد که دوغاب سیمان بتواند از سطح به داخل آنها نفوذ کند و پیوستگی مطلوب حاصل شود. در مورد تاثیر سنگدانه های بسیار ریز در بتن : وقتیکه ذرات کاملا گرد گوشه و صاف باشند کارایی بهبود یافته و این در رابطه با کاهش آب مورد نیاز بتن مزیت دارد . هرچه دانه بندی این سنگدانه های ریزدر بتن ریزتر باشد ، نسبت بیشتری از سنگدانه های درشت به ریز باید به کار برده شود. از نظر شکل ظاهری سنگدانه ها به 5 گروه تقسیم می شوند:

• دانه های گرد
• دانه های نامنظم
• دانه های گوشه دار
• دانه های پولکی شکل : ضخامت آنها کمتر از 6/0 اندازه متوسط دانه ها است
• دانه های سوزنی شکل : طول آنها بیشتر از 8/1 اندازه متوسط دانه ها باشد

وجود دانه های سوزنی و پولکی در سنگدانه های بتن می تواند مضراتی مانند افزایش آب اختلاط ، کاهش کارایی و تراکم پذیری بتن ، کاهش مقاومت و پایایی در بتن سخت شده را برای بتن به همراه داشته باشد.

از لحاظ موقعیت استخراج سنگدانه ها به دو گروه طبیعی و مصنوعی تقسیم می شود:

سنگدانه های طبیعی :

سنگدانه های رودخانه ای: تفریبا از سیلیس تشکیل شده

سنگدانه های دریا : یکنواخت و تمیز هستند اما حاوی نمک هستند . نمک سبب کاهش مقاومت بتن نمی گردد ولی سبب زنگ زدگی و خوردگی آرماتور در بتن آرمه می گردد.

سنگدانه های دشت : تقریبا همگی دارای ابعاد مساوی و ریز هستند.

سنگدانه های مصنوعی : این سنگدانه ها از خرد کردن سنگدانه های طبیعی و دانه بندی کردن آنها بدست می آید. خصوصیات این نوع ، تیز گوشه بودن آنها و سطح خشن می باشد . شن و ماسه شکسته جهت بتن سازی مناسب تر است(به دلیل گوشه های تیز ) ولی مخارج آن یشتر از شن وماسه رودخانه ایست. مقاومت فشاری بتن با شن و ماسه شکسته بیشتر از رودخانه ایست ولی کارایی کمتری دارد.

سلامت سنگدانه ها: قابلیت تحمل تغییرات حجمی زیاد سنگدانه ها که از تغییرات شرایط فیزیکی ناشی شده باشد. عوامل فیزیکی عبارتند از یخ زدن و آب شدن، تغییرات حرارتی در برودت بالای نقطه انجماد و تر و خشک شدن متناوب. به سنگدانه هایی ناسالم گفته می شود که تغییرات حجمی القا شده توسط عوامل فوق سبب گسیختگی بتن گردد.

مقاومت سنگدانه ها: مسلما مقاومت فشاری بتن نمی تواند به میزان قابل توجهی از مقاومت عمده سنگدانه هایی که در بتن قرار دارد ، بیشتر باشد. مقاومت بسیاری از سنگدانه های بتن های معمولی حدود 800 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشد.

تخلخل و نفوذپذیری و جذب آب سنگدانه ها: تخلخل و نفوذپذیری و جذب آب سنگدانه ها بر خصوصیات متعددی از بتن اثر می گذارد مانند پیوستگی سنگدانه ها با خمیر سیمان ، مقاومت بتن در برابر یخ زدن و آب شدن، مقاومت در برابر سایش ، دوام و ثبات شیمیایی و … . هیچ رابطه ی واضحی بین مقاومت فشاری بتن و جذب آب سنگدانه های مصرفی وجود ندارد ولی به تجربه ثابت شده است که منافذ موجود در سطح سنگدانه ها بر پیوستگی سنگدانه ها با خمیر سیمان اثر مطلوبی خواهد اشت و در نتیجه باعث افزایش مقاومت فشاری بتن خواهد شد. به طور کلی پیوستگی خوب زمانی است که علاوه بر دانه های جدا شده از خمیر سیمان ، در نمونه بتنی شکسته شده در آزمایش مقاومت فشاری بتن های معمولی، تعدادی دانه های سنگی نیز از میان شکسته شده باشند. اگر دانه های شکسته شده زیاد باشند ، ممکن است نشان دهنده وجود سنگدانه های ضعیف در بتن باشد. سنگدانه های با مقاومت و مدول الاستیسیته متوسط یا پائین ، از نقطه نظر سلامت بتن ، ممکن است با ارزش باشند(به علت تراکم پذیری در نتیجه ایجاد تنش های کمتر در خمیر سیمان). وجود منافذ داخلی سنگدانه ها به هنگام بحث در مورد وزن مخصوص آنها بیشتر مدنظر قرار می گیرند.

الک های دانه بندی سنگدانه ها: محیط الک کننده بر اساس اندازه اسمی چشمه ها (وسط اضلاع متقابل یا قطر) شناسه گذاری می شود. الک ها دارای سوراخ های گرد و یا چهارگوش می باشند. ابعاد سوراخ های غربال هایی با سوراخ گرد با یک تصاعد هندسی با قدر نسبت 25/1 بالا می روند. آزمایشهای متعدد نشان داده اند که الک کردن با غربال چهارگوش به ضلع a و الک کردن با غربال گرد به قطر d وقتی معادل همدیگر می باشند که d=1/25a باشد.

دانه بندی : دانه بندی مصالح سنگی یعنی انتخاب مناسب از شن و ماسه به قطر های مختلف به طوریکه از مخلوط و تراکم آنها یک استخوان بندی با کمترین فضای خالی حاصل شود و یا بیشترین وزن فضایی را بدست آورد. دانه بندی به جهت تاثیر در کارایی بتن اهمیت زیادی دارد. مقاومت بالا زمانی حاصل می شود که به ازای یک میزان کار معقول ، حداکثر تراکم در مخلوط بدست آید، که این تنها با ساختن یک مخلوط با کارایی کافی میسر است. اگر دانه بندی مناسب نباشد مقاومت این بتن خوب نخواهد بود. به طور کلی مصالح سنگی به دو نوع دانه بندی تقسیم می شوند. 1- پیوسته 2- غیر پیوسته

دانه بندی پیوسته : دانه های همه اندازه ریز و درشت وجود دارد. با استفاده از سنگدانه ها با دانه بندی پیوسته ، حفره های میان سنگدانه ها به حداقل خود می رسد ، چون ریز دانه ها در بین درشت دانه ها قرار می گیرند ، درنتیجه بتنی توپر و متراکم و با وزن مخصوص بیشتر و همگن تر بدست می آید.در این بتن هم سیمان کمتری مصرف می شود و هم مقاومت بیشتری بدست می آید.

 دانه بندی ناپیوسته (گسسته): در دانه بندی غیر پیوسته ، یک یا چند اندازه از سنگدانه ها موجود نمی باشد و ریزدانه ها و یا درشت دانه ها هر یک جداگانه دانه بندی می شوند. آزمایشها نشان داده است که برای نسبت های معین از سنگدانه به سیمان و آب به سیمان در حالت دانه بندی گسسته بیشترین کارایی را می توان با مقدار ماسه کمتری از حالت دانه بندی پیوسته بدست آورد. اما در مخلوط هایی با کارایی بالا (بتن شل) سنگدانه ها با دانه بندی ناپیوسته برای جداشدگی استعداد بیشتری دارند. به علت وجود خطر جدا شدگی در اینگونه بتن ها پمپ نمودن اینگونه بتن ها مشکل است بدین منظور دانه بندی گسسته اکثرا برای مخلوط هایی با کارایی نسبتا کم (بتن سفت) توصیه میگردد. این گونه بتن ها(بتن های سفت) در برابر ویبره کردن عکس العمل خیلی خوبی نشان می هند.

بهتر است مصالح سنگی گردگوشه با دانه بندی پیوسته مصرف شود و در دانه بندی سنگ های شکسته از دانه بندی غیر پیوسته استفاده شود. سنگهای مورد مصرف در بتن باید دارای مقاومت فشاری بیشتری نسبت به مقاومت فشاری بتن موردنظر باشد. حداقل سختی سنگدانه های مورد مصرف در بتن باید برابر 3 باشد.

سایش سنگدانه ها: یکی از مواردی که در راهسازی حائز اهمیت می باشد ، میزان سایش سنگدانه ها می باشد.آزمایش آمریکایی لس آنجلس اصطکاک و سایش را در هم ادغام کرده و میزان سایش واقعی را نشان می دهد و با مقاومت های فشاری و خمشی بتن ساخته شده با سنگدانه های معین نیز ارتباط دارد.

مواد زیان آور در سنگدانه ها: سنگدانه هایی زیان آورند که

یجاد تغییرات حجمی زیاد در حجم خمیر سیمان و یا سنگدانه ها و یا هر دو مورد

• مزاحمت در روند گیرش سیمان
•  ایجاد فرآورده های زیان آور در بتن
• کاهش مقاومت در بتن
• کاهش پایایی بتن

سه گروه مواد زیان ممکن است در سنگدانه ها باشند:

• ناخالصی هایی که در فرآیند هیدراتاسیون سیمان اخلال به وجود می آورند( مثل سنگ گچ، وجود نمک)
• ناخالصی هایی که موجب ایجاد قشرهای پوششی بر روی سنگدانه ها می شود (مثل خاک رس ،لای،گرد و خاک بر روی سنگدانه ها)
• بعضی از دانه ها که به علت شکل ظاهری و یا بافت آنها جز دانه های ضعیف و یا ناسالم می باشند (مثل دانه های سوزنی و پولکی)

طبق مقررات ملی ساختمان مبحث شماره 9 – وجود دانه های نرم در سنگدانه های درشت بر پایایی و مقاومت بتن در برابر سایش اثر منفی می گذارد و موجب بیرون پریدگی قسمت هایی از بتن می گردد.اگر ذرات سست باشند ممکن است در حین اختلاط خرد شوند و در نتیجه مقدار آب لازم برای کسب روانی ثابت افزایش یابد. سنگدانه هایی که دارای مواد معدنی باشند با قلیایی های سیمان (Na2O,K2O) واکنش می دهند زمانی که بتن در معرض گرما و رطوبت باشد این واکنش شدیدتر صورت می پذیرد. اینگونه واکنش ها می تواند موجب انبساط غیر عادی و ترک خوردگی ریز سطحی در بتن شوند. در مصرف سنگدانه های واکنش زا با محدود کردن قلیایی های سیمان در حدود 6/0 درصد خرابی به حداقل می رسد. افزودن برخی مواد پوزولانی مفید خواهد بود.

وجود سنگدانه های پولکی و سوزنی می تواند به افزایش آب اختلاط و کاهش کارائی و کاهش تراکم پذیری بتن تازه منجر شود. این دانه ها در بتن سخت شده می توانند باعث کاهش مقاومت و پایایی گردند.