دانه بندي بهينه بتن متراکم

 

محسن جوکار، حميد رحماني، محمد پروين نيا

1- دانشجوي کارشناسي ارشد عمران ، دانشگاه ياسوج، ياسوج، ايران

2- استاديار دانشکده فني و مهندسي، دانشگاه ياسوج، ياسوج، ايران

3- استاديار دانشکده فني و مهندسي، دانشگاه ياسوج، ياسوج، ايران

 

چکيده:

امروزه متراكم ساختن مصالح جهت دستيابي به بتن پرمقاومت، مورد توجه اكثر محققين مي­باشد. توزيع اندازه ذرات سنگدانه، نقش مهمي را در متراكم سازي مصالح چسبنده ايجاد مي‎كند.

سوالات تحقيق:

در اين تحقيق، توزيع ايده­ آل اندازهء ذرات مصالح چسبنده، با اضافه كردن پودر فوق­العاده ريز كوارتز به عنوان فيلر مورد بررسی قرار گرفت. همچنین مقدار بهینه سیمان بر اساس حداکثر مقاومت فشاری نمونه مکعبی بدست آمد.

روش تحقیق:

در این تحقیق، منحني دانه­ بندي بهينه سنگدانه­ ها، با بكارگيري منحني دانه ­بندي ايده آل فولر بدست آمد. همچنین با بکارگیری6 طرح اختلاط مختلف، مقدار بهينه كوارتز بر اساس حداكثر مقاومت فشاري نمونه­ هاي ملاتي بدست آمد. پودر کوارتز بصورت لجن، درآخرين مرحله اختلاط به مخلوط اضافه شد تا مخلوطي غليظ توليد شود. بمنظور دستیابی به مقدار بهینه سیمان نیز نمونه های مکعبی بتنی با عیارهای مختلف سیمان و بکارگیری سنگدانه هایی با منحنی دانه بندی بهینه، ساخته شده و مورد آزمایش فشاری قرار گرفتند.

نتیجه گیری:

در این تحقیق، مقدار بهینه پودر کوارتز بر اساس مقاومت فشاری نمونه های ملاتی و مقدار بهینه سیمان نیز بر اساس آزمایش مقاومت فشاری بر روی نمونه های بتنی، بدست آمد. در نهایت بر اساس مقدار بهینه سیمان، مقدار بهینه فیلر فوق العاده ریز و دانه بندی بهینه سنگدانه ها، منحني دانه بندي ايده­آلي براي بتن متراكم ارائه گرديد.

كلمات كليدي: كوارتز فيلر فوق العاده ريز، منحني دانه ‎بندي ايده ‎آل، بتن متراكم، عیار بهینه سیمان

 

1. مقدمه:

دستيابي به بتني با نفوذپذيري کم و مقاومت فشاري بالا، از جهات مختلف مورد توجه مي باشد. امروزه از اين نوع بتن در ساخت سدها، ديوارهاي آب بند و غيره استفاده مي شود. جهت دستيابي به بتني با تراکم بالا و نفوذپذيري کم، بايستي عوامل مختلف از جمله: دانه بندي سنگدانه ها، ميزان مصرف سيمان و ديگر افزودني ها و مصالح مورد استفاده به طور کامل مورد آزمايش قرار گيرند و مقدار بهينه استفاده از هر کدام مشخص گردد. با توجه به اينكه سنگدانه‌ها در حدود 60 تا 90 درصد حجم بتن را تشكيل مي‌دهند[1]، انتخاب مناسب نوع سنگدانه و دانه‌بندي آن، بر روي خواص اصلي بتن از قبيل: مقاومت، نفوذپذيري، دوام و كارآيي بتن تأثيرگذار خواهد بود. در اين راستا با توجه به تحقيقات انجام شده در سال 1907 توسط Thompson & Fuller [2]در خصوص دانه بندي مصالح سنگي، دانه ­بندي به گونه اي اصلاح گرديده که ضمن حفظ کارآيي ملات و يا بتن، دوام آن در مقابل عوامل شيميايي مهاجم افزايش مي­يابد. درصورتي­كه سنگدانه‌ها به نحوي دانه­ بندي شوند كه دانسيته بتن حداكثر گردد، مي‌توان ميزان خمير مصرفي در بتن را كاهش داد. با كاهش خمير سيمان مصرفي، انقباض و خزش نيز كاهش خواهد يافت. در خمير سيمان انواع منافذ به اندازه­هاي nm1 تا mm1 وجود دارد که هر چقدر ارتباط اين منافذ با يکديگر بيشتر باشد، نفوذپذيري افزايش يافته و عوامل مهاجم به راحتي وارد بتن مي شوند. به عبارتي اگر بتوان نفوذ­پذيري فاز ملات را به طريقي کاهش داد, در حقيقت عمر بتن در برابر عوامل مهاجم افزايش يافته است[3]. با توجه به اينكه نفوذ در داخل خمير سيمان صورت مي‌پذيرد، بايد دانه‌بندي مصالح سيماني نيز به نحوي صورت پذيرد كه مقدار تخلخل در داخل خمير سيمان كاهش يابد. در تحقيقي كه توسط Lange و همکاران در سال 1997 صورت گرفته است[4] ، نشان داده شده است كه براي دست يافتن به بتني متراكم بايد دانسيته خشك مخلوط به حداكثر برسد. در اين تحقيق جهت دستيابي به تراکم بالا در بتن، تأثير هرکدام از مصالح و افزودني ها و حتي سيمان و مقدار مصرف آنها مورد آزمايش قرار گرفت و نهايتاً براساس نتايج بدست آمده، منحني دانه بندي ايده آلي براي بتن متراکم ارائه گرديد.

2.  مصالح مصرفي:

با توجه به وجود سه نوع شن وماسه مورد نياز در کارخانجات سنگ شکن حومه شهر ياسوج، اين سه نوع مصالح که عبارت بودند از شن بادامي، شن نخودي و ماسه شسته مورد استفاده قرار گرفتند. با توجه به اين که دانه بندي ماسه شسته، فاقد ذرات ريز مي باشد، از ماسه اي به نام ماسه ريخته گري با حداکثر ابعاد180 ميکرون جهت ايجاد دانه بندي ايده آل استفاده گرديد. از سيمان ياسوج تيپ دو(2) به عنوان ماده چسبنده و از پودر کوارتز نيز به عنوان فيلر سيمان در اين تحقيق استفاده شد. منحني دانه بندي مصالح مذکور در شکلهاي 1 تا 5 آمده است. همچنین از فوق روان کننده Pema استفاده شد که بر پایه روان کننده بتن کربوکسیلاتی و دارای وزن مخصوص 1.15 g/cm3 بود.

شکل 1 : منحني دانه بندي شن بادامي

شکل 2  : منحني دانه بندي شن نخودي

شکل 3 : منحني دانه بندي ماسه شسته

شکل 4 : منحني دانه بندي ماسه ريخته گري

شکل 5 : منحني دانه بندي پودر کوارتز(DC)با آزمايش هيدرومتري

ساير مشخصات مصالح در جدول شماره (1) ارائه شده است :

 

نوع مصالح	شن بادامي	شن نخودي	ماسه شسته	ماسه    ريخته گري	سيمان	پودر کوارتز
وزن مخصوص(کيلوگرم برمترمکعب)	2674.8	2674	2669.7	2571.4	3100	2720.72
درصد جذب آب	1.054	1.46	2.69	4	-	-

جدول 1 : وزن مخصوص و درصد جذب آب مصالح مورد استفاده

 

3. ايجاد منحني دانه بندي بهينه سنگدانه ها :

با توجه به منحني دانه بندي هر کدام از سنگدانه ها و درصد عبوري مصالح از هر الک، بايستي ترکيب اين سنگدانه ها به نحوي انتخاب گردد تا ترکيب حاصل داراي کمترين خلل و فرج و بيشترين تراکم ممکن باشد. براي اين کار، از منحني دانه بندي ايده آل فولر(رابطه 1) استفاده شد. با در نظر گرفتن حداکثر بعد سنگدانه ها برابر 25 ميليمتر و حداقل بعد دانه ها برابر 0.075 ميليمتر و عدد n = 0.5 ، بر اساس رابطه فولر (رابطه ذيل)، درصد عبوري ايده آلي براي هر الک قابل دستيابي مي باشد که منحني دانه بندي ايده آل بدست آمده براي محدوده سنگدانه مذکور، در شکل شماره (6) نشان داده شده است.

(1)    Yt_i = 100 * [(x_i – x₀)/(x_max – x₀)]ⁿ

که در رابطه فوق:

Yt_i: درصد عبوري ايده آل متناظر با  X_i يا اندازه الک مورد نظر (ميليمتر)، X₀ : کوچکترين بعد دانه ها (ميليمتر)، X_max : بزرگترين بعد دانه ها (ميليمتر) و n : ضريب توزيع که در اين تحقيق برابر با 0.5 در نظر گرفته شده است .

شکل 6 : منحني دانه بندي ايده آل بر اساس رابطه فولر

در اين تحقيق جهت يافتن درصد بهينه ترکيب سنگدانه ها از روش سعي و خطا استفاده شد. در اين روش، مجموع درصدهاي سنگدانه هاي مصرفي(شن بادامي، شن نخودي، ماسه شسته و ماسه ريخته گري) برابر يک در نظر گرفته شده و سپس درصدهاي فرضي، در درصد عبوري مصالح متناظر با هر الک، ضرب شد بطوري که درصدهاي عبوري کل سنگدانه ها، از مجموع درصدهاي عبوري مصالح مصرفي حاصل شد. درصد ترکيب بهينه مصالح، زماني حاصل مي شود که دانه بندي ايجاد شده، به منحني ايده آل فولر نزديک باشد. جهت اين امر، تابع هدف(رابطه 2) بهينه شده است.

(2) f = ∑[ I_i – ( u.A_i + v.B_i + w.C_i + x.D_i)]²                for : i = 1... 11    

f : خطاي کلي براي درصد اختلاط پيشنهادي

I_i : درصد عبوري ايده آل طبق دانه بندي ايده آل (فولر) در الک شماره i

A_i : درصد عبوري شن بادامي در الک شماره i

B_i : درصد عبوري شن نخودي در الک شماره i

C_i : درصد عبوري ماسه شسته در الک شماره i

D_i : درصد عبوري ماسه ريخته گري در الک شماره i

u : درصد اختلاط پيشنهادي شن بادامي

v : درصد اختلاط پيشنهادي شن نخودي

w : درصد اختلاط پيشنهادي ماسه شسته

x : درصد اختلاط پيشنهادي ماسه ريخته گري

لازم بذكر است كه مجموع: u ، v ، w و x پيشنهادي در هر مرحله، بايد برابر يك باشد. مقدار درصدهاي اختلاط پيشنهادي با كمترين خطا به عنوان درصدهاي اختلاط انتخاب شدند. براي اين كار ابتدا در جدول شماره (2) درصدهاي عبوري منحني دانه بندي ايده آل و درصدهاي عبوري سنگدانه هاي مصرفي ثبت شده و سپس به روش سعي و خطا، مقدار درصدهاي اختلاط بهينه محاسبه شد.

 

شماره الک	سايز الک (mm)	شن بادامي	شن نخودي	ماسه شسته	ماسه    ريخته گري	درصد عبوري ايده آل
1"	25.4	100	100	100	100	100.00
3/4 "	19.05	80	100	100	100	86.58
1/2 "	12.5	16.2	100	100	100	70.09
3/8 "	9.5	2.8	62.6	100	100	61.08
3/16 "	4.75	0.47	2	100	100	43.10
#8	2.36	0	0	82.8	100	30.25
#16	1.18	0	0	55.37	100	21.20
#30	0.6	0	0	36.24	99.75	14.86
#50	0.3	0	0	21.1	96.53	10.13
#100	0.15	0	0	6.91	52.74	6.59
#200	0.075	0	0	0.69	3.38	3.72

جدول 2 : درصد عبوري سنگدانه ها و درصد عبوري ايده آل

 

پس از انجام پروسه مذکور جهت دستيابي به حداقل ميزان خطاي تابع هدف، درصدهاي اختلاط بهينه مقابل حاصل شد:

    U = 0.341               V = 0.258              W = 0.384            X = 0.017

لازم بذكر است كه به دليل متفاوت بودن وزن مخصوص سنگدانه ها جهت اين امر از روش حجمي استفاده گرديد. بر اساس درصدهاي بهينه بدست آمده، درصد عبوري تركيب 4 مصالح، محاسبه شده و نمودار حاصل در شکل (7) در کنار نمودار ايده آل فولر ترسيم شده است كه شکل مذکور بيانگر دستيابي به دانه بندي نسبتاً ايده آل مي باشد.

شکل 7 : مقايسه "درصد عبوري ايده آل" و "درصد عبوري ترکيبي 4 نوع سنگدانه(درصدهاي اختلاط بهينه)"

 

4. درصد بهينه فيلر سيمان(پودر كوارتز):

با توجه به اينکه دانه­بندي سيمان به نحوي است که ذرات ريزتر را دارا نمي­باشد، استفاده از فيلر با قطر کوچکتر از ميانگين قطر دانه هاي سيمان جهت بالا بردن دانسيته خشک لازم به نظر­ مي­رسد، چرا که اولاً ذرات ريز، اثر پراکندگي داشته و تخلخل را کاهش مي­دهند، ثانياً توزيع حفرات مناسبتر خواهد شد[5 و 6]. لذا در اين تحقيق به منظور پر كردن فضاهاي خالي موجود ميان ذرات سيمان از پودر كوارتز بعنوان فيلر استفاده شد. براي يافتن بهترين درصد اختلاط پودر كوارتز با سيمان از نمونه هاي ملاتي با ابعاد 5 سانتيمتر استفاده شد. در طرح اختلاطها، درصد فيلر(پودر كوارتز) به عنوان متغير فرض شده و در طرح اختلاطها جايگزين ماسه گرديد. ميزان فيلر مصرفي به نسبت وزن سيمان در اين تحقيق برابر صفر، 15، 20، 25، 30 و 35 درصد در نظر گرفته شد. پودر كوارتز نيز با مقداري از آب اختلاط بصورت لجن آماده شد و در آخرين مرحله اختلاط، به مخلوط اضافه شد كه علت اين امر، پخش هرچه بهتر دانه هاي فيلر در مخلوط سيمان بود. پس ساخت و عمل آوري نمونه ها مطابق استاندارد، مقاومت فشاري آنها در سنين 7 و 28 روزه مورد آزمايش قرار گرفت و بر اساس حداكثر مقاومت فشاري نمونه ها مقدار بهينه فيلر سيمان(پودركوارتز) مشخص شد. نتايج درجدول شماره (3) و شکل شماره (8) نشان داده شده است.

 

شماره طرح	درصد پودر کوارتز	متوسط مقاومت 7 روزه (Kg/Cm2)	متوسط مقاومت 28 روزه (Kg/Cm2)
1	0	357.3	535.25
2	15	374.95	531.95
3	20	386.87	546.47
4	25	412.5	561
5	30	413.8	550.23
6	35	393.7	531

 جدول 3 : متوسط مقاومتهاي 7 و 28 روزه نمونه هاي ملاتي با پودر کوارتز

 

شکل 8 : نمودار متوسط مقاومتهاي 7 و 28 روزه نمونه ملاتي با پودر کوارتز

 

بر اساس جدول و منحني هاي فوق مقدار بهينه فيلر برابر با 25 درصد انتخاب گرديد.

5. ميزان سيمان بهينه:

براي تعيين ميزان بهينه سيمان، از نمونه هاي مكعبي بتني با ابعاد 15 سانتيمتر(مطابق استاندارد BS 1881: part 108 1983) با ميزان سيمان هاي متفاوت استفاده شد. بدين ترتيب كه در 4 طرح اختلاط مختلف، مقادير 275، 325، 375 و 425 کيلوگرم در متر مکعب بعنوان عيار سيمان در نظر گرفته شد. از دانه بندي بهينه بدست آمده در بخش قبل جهت سنگدانه ها استفاده گرديد و نسبت آب به سيمان بر اساس تحقيقاتHillemeier  و رحماني، برابر 0.42 انتخاب گرديد. سپس نمونه هاي مکعبي در سنين 7، 14 و 28 روز مورد آزمايش مقاومت فشاري قرار گرفتند و بر اساس حداكثر مقاومت فشاري حاصله، ميزان بهينه سيمان نيز مشخص شد. نتايج اين بخش در جدول شماره (4) و شکل شماره (9) نشان داده شده است.

 

شماره طرح	عيار سيمان (Kg/m3)	متوسط مقاومت فشاري 7 روزه (Kg/Cm2)	متوسط مقاومت فشاري 14 روزه (Kg/Cm2)	متوسط مقاومت فشاري 28 روزه (Kg/Cm2)
A	275	357.3	421.8	461.3
B	325	390.5	463.15	501.95
C	375	389.7	446.45	469.7
D	425	328.6	395.9	430.2

 جدول 4 : نتايج مقاومت فشاري آزمايش تعيين درصد بهينه سيمان

 

شکل 9 : نمودار متوسط مقاومتهاي 7، 14 و 28 روزه نمونه بتني نسبت به عيار سيمان

بر اساس مقاومتهاي فشاري بدست آمده و جدول و منحنيهاي فوق، مقدار بهينه سيمان برابر 325 كيلوگرم در متر مكعب انتخاب شد.

 

6. دانه بندي ايده آل بتن متراكم:

با تركيب دانه بندي سنگدانه و سيمان مي توان به دانه بندي ايده آل مصالح بتن دست يافت كه بصورت حجمي مي باشد. در اين تحقيق با توجه به نتايج آزمايشات، ميزان 325 كيلوگرم سيمان، 81.25 كيلوگرم پودر كوارتز (معادل 25 درصد وزن سيمان) و 136.5 كيلوگرم آب (42 درصد وزن سيمان) با دانه بندي ايده آل سنگدانه ها جهت ساخت بتن متراکم استفاده گرديد. با توجه به وزن مخصوص مصالح، حذف آب و ميزان درصد مصالح  مصرفي که براي سنگدانه ها به شرح ذيل ميباشد ميتوان دانه بندي ذرات بتن را ارائه نمود.

663.8 كيلوگرم شن بادامي(معادل 0.341 حجم سنگدانه)،

502.1 كيلوگرم شن نخودي(معادل0.258  حجم سنگدانه)،

746 كيلوگرم ماسه شسته(معادل 0.384 حجم سنگدانه)،

31.8 كيلوگرم ماسه ريخته گري(معادل 0.017 حجم سنگدانه)

بتن مذکور با دانه بندي بهينه سنگدانه ها مطابق شکل شماره (7) با نسبت آب به مواد سيماني برابر 0.42 ساخته و مورد آزمايش قرار گرفت. نتايج که در جدول شماره (5) نشان داده شده است حاکي از اين مي باشد که بتن مذکور با توجه به ميزان سيمان مصرفي داراي مقاومت فشاري بالا و جذب آب پايين نسبت به بتن هاي معمولي مي باشد.

 

متوسط وزن (اشباع با سطح خشک) Kg	متوسط مقاومت فشاري 7 روزه (Kg/Cm2)	متوسط مقاومت فشاري 28 روزه (Kg/Cm2)	متوسط درصد جذب آب، 0.5 ساعته (%)	متوسط درصد جذب آب، 24 ساعته (%)
8.458	335.25	572.35	0.447	0.682

جدول 5 : متوسط مقاومت فشاري و درصد جذب آب نمونه هاي ساخته شده با دانه بندي ايده آل فوق

7. .نتيجه گيري:

بر اساس آزمايشهاي انجام شده و بحث هاي صورت گرفته نتايج زير قابل ذکر مي باشد:

دانه بندي  فولر جهت سنگدانه هاي موجود در حومه شهر ياسوج مي تواند تراکم نسبتا قابل قبولي را ايجاد نمايد.

بر اساس آزمايشات انجام گرفته بر روي نمونه هاي ملاتي، مقدار بهينه فيلر سيمان ياسوج (پودر کوارتز) برابر 25 درصد (نسبت به وزن سيمان) بدست آمد.

بر طبق آزمايشات صورت گرفته بر روي نمونه هاي مکعبي، مقدار بهينه سيمان برابر 325 کيلوگرم بر مترمکعب براي دانه بندي ايده آل سنگدانه ها پيشنهاد ميگردد.

نهايتاً با استفاده از مقادير بهينه حاصله و منحني دانه بندي بهينه ترکيبي، مي توان به بتني با مقاومت بالا و نفوذپذيري کم، دست يافت.

 

8. مراجع :

1- رحماني, حميد (1387). ًارائه طرح اختلاط بتن­هاي مقاوم در برابر تهاجم اسيدسولفوريک.ً پايان­نامه دکتري، دانشگاه صنعتي اميرکبير، دانشکده مهندسي عمران و محيط زيست، تهران: ايران.

2- Fuller, W. B. and Thompson, S. E., " The Laws of Proportioning Concrete." ASCE J. Transport, 59, pp. 67-143.

3- رمضانيانپور, علي اکبر, قدوسي, پرويز و گنجيان, اسماعيل (1383). "ريز ساختار, خواص و اجزاي بتن", انتشارات دانشگاه صنعتي اميرکبير.

4- Lange, F., Morel H. and Rudert V. ( 1997 ). "Dense Packing of Cement paste and Resulting Consequences on Mortar properties." Cement and Concrete Research., Vol. 27, No. 10, pp 1481-1488.

5- Rahmani, H., Ramazanianpour, A. A., ”Effect of Binary Cement Replacement Materials on Sulfuric Acid Resistance of Dense Concretes”, Magazine of concrete research, Vol. 60, No. 2, March 2008, pp. 145-155.

6- Q.Niu , " Effect of Superfine Slag Powder on Cement Properties ", Cement and Concrete Research ,Vol32, 2002,pp 615-621

7- Hillemeier, B. H. A. (2001)." High Performance Concrete Specialized for Acid Resistance." First International Conference on Concrete & Development., 30April-2May, Tehran, Iran.

Ideal Grading of Dense Packed Concrete

1. Jokar¹, H. Rahmani², M. Parvinnia³
2. University Student(M.Sc.), Department of Engineering, Yasuj University, Yasuj, I.R. Iran.

2. Assistant Professor, Department of Engineering, Yasuj University, Yasuj, I.R. Iran. 
3. Assistant Professor, Department of Engineering, Yasuj University, Yasuj, I.R. Iran. 

ABSTRACT

Dense packing of  materials is used by most researchers to obtain high strength concretes. Particle size distribution (P.S.D.) of aggregates plays an important role in the densest packing of cemetitious materials.

RESEARCH INQUERIES

In the present study, ideal particle size distribution (IPSD) of cementitious materials was researched by adding ultra fine Quartz powder as filler. Also, the optimum content of cement was obtained based on the maximum of compressive strength.

RESEARCH METHOD

Ideal grading curve of aggregates was obtained by using the most well known Fuller ideal curve. Also, optimum content of Quartz powder was measured based on higher compressive strength of mortar samples. Quartz powder added in the mixture as slurry at the end of mixing process to create a honey mixture. To find the optimum content of cement, concrete samples with different cement content including dense packed aggregates were moulded and their compressive strengths were investigated.

CONCLUSION

Finally based on optimum cement content, optimum ultra fine filler content and ideal grading of aggregates, ideal grading of dense packed concrete is presented.

Key Words

Ultra fine filler, dense packing, ideal grading curve