ACI
کمیته ی ۲۳۷ انجمن بتن ایالات متحده (ACI) در گزارش خود یک روند ۸ مرحله ای را برای طرح مخلوط بتن خودتراکم پیشنهاد کرده است. این کمیته مدعی است در صورت به کار گیری افزودنی های مناسب، انجام این مراحل منجر به انتخاب سنگدانه های مناسب برای تأمین قابلیت عبور مورد نیاز می شود؛ ضمن اینکه انتخاب نسبت آب به مواد سیمانی و حجم خمیر و ملات نیز به گونه ای است که میزان پخش شدگی (آزمایش جریان اسلامپ) و پایداری در مخلوطهای آزمون متناسب با نیازها حاصل خواهد شد. مراحل پیشنهاد شده توسط کمیته ی ۲۳۷ انجمن بتن ایالات متحده (ACI) به طور خلاصه عبارت اند از:
اول: انتخاب میزان پخش شدگی مورد نیاز در آزمایش جریان اسلامپ.
دوم: انتخاب اندازه و حجم سنگدانه های درشت مصرفی (بر اساس گزارش های کمیته های ۲۱۱ و ۳۰۱ انجمن بتن ایالات متحده).
سوم: تخمین عیار مواد سیمانی و آب مصرفی .
چهارم: محاسبه ی حجم خمیر و ملات.
پنجم: انتخاب افزودنی.
ششم: ساخت مخلوط آزمون.
هفتم: انجام آزمایش بر روی مخلوط آزمون (به منظور ارزیابی کارایی بتن خودتراکم. علاوه بر آزمایش جریان اسلامپ، آزمایشی برای ارزیابی پایداری و قابلیت عبور مخلوط نیز باید انجام گیرد) .
هشتم: اصلاح نسبتهای اختلاط بر اساس نتایج آزمایش ها و تکرار گام ششم تا رسیدن به نتایج مطلوب .
همان گونه که در قسمت قبل اشاره شد، توانایی بتن خود تراکم برای جریان یافتن و عبور از میان فضاهای خالی بین آرماتورها تابعی از حداکثر اندازه سنگدانه و نیز حجم سنگدانه های موجود در مخلوط بتن است. روش ارائه شده توسط انجمن بتن ایالات متحده موارد تأثیرگذار بر اندازه و حجم سنگدانه های درشت مورد نیاز را این گونه معرفی می کند.
فاصله ی آزاد بین آرماتورها.
بافت سطحی سنگدانه های مصرفی (سنگدانه های طبیعی گردگوشه با سطح صاف در مقابل سنگدانه های شکسته و تیزگوشه).
دانه بندی سنگدانه های درشت.
این روش همچنین مخلوطهای بتنی را بر اساس حداکثر اندازه اسمی سنگدانه به دو گروه تقسیم می کند. گروه اول که در آنها حداکثر اندازه اسمی سنگدانه ها برابر و با بزرگتر از ۱۲/۵ میلی متر می باشد و گروه دوم که حداکثر اندازه اسمی سنگدانه ها در آنها کوچکتر از ۱۲/۵ میلی متر است و برای مقاطع با آرماتور زیاد و یا شرایط بتن ریزی خاص کاربرد دارند.
بتن در نظر گرفته می شود، به عبارت دیگر حجم تودهای سنگدانه های درشت (در حالت خشک) باید نیمی از حجم بتن را به خود اختصاص دهد. برای گروه دوم نیز ۵۰ درصد ماسه و ۵۰ درصد سنگدانه (درصدهای حجمی) توسط این روش پیشنهاد شده است که البته این نسبت بعد از ارزیابی کارایی مخلوطهای آزمون قابل تغییر است.
برای مخلوط هایی با میزان پخش شدگی کمتر از ۵۵۰ میلی متر نیاز به اندکی لرزش برای تراکم بتن می باشد.
در بازه هایی برای میزان مواد پودری و بازه هایی برای پارامترهای مختلف مخلوط بتن خودتراکم توسط این روش پیشنهاد شده است. قابل ذکر است که از آنجایی که معمولا در طرح مخلوط بتن خودتراکم، مقاومت فشاری عاملی تعیین کننده نمی باشد، میزان مواد پودری با فرض تأمین مقاومت فشاری کافی پیشنهاد شده است.
روش مرکز بین المللی تحقیقات سنگدانه ها در دانشگاه تگزاس (ICAR)
روش پیشنهادی مرکز بین المللی تحقیقات سنگدانه ها در دانشگاه تگزاس (ICAR) برای طرح مخلوط بتن خودتراکم به طور کلی شامل سه مرحله ی اصلی انتخاب سنگدانه های تعیین حجم خمیر سیمان و تعیین اجزای خمیر سیمان می شود. هر یک از این سه مرحله از مراحل قبلی تأثیر می پذیرند؛ بدین صورت که حجم مورد نیاز خمیر سیمان ارتباط مستقیمی با ویژگیهای سنگدانه های مصرفی دارد و همچنین اجزای تشکیل دهنده ی خمیر سیمان باید با توجه به سنگدانه ها و حجم خمیر مورد نیاز انتخاب شوند. نقش هر یک از این سه پارامتر بر ویژگی های بتن خودتراکم به طور خلاصه آورده شده است. روند طرح مخلوط بتن خود تراکم که توسط مرکز بین المللی تحقیقات سنگدانه ها در دانشگاه تگزاس (ICAR) ارائه شده است. به صورت زیر می باشد.
مرحله ی اول انتخاب سنگدانه ها
– گام اول: انتخاب منابع تأمین سنگدانه های درشت، متوسط و ریز به طور جداگانه – گام دوم: بررسی و ارزیابی ترکیب های مختلف سنگدانه ها (حداکثر انداز ہی سنگدانه، دانه – بندی، شکل و میزان تیزگوشه گی) – گام سوم: تعیین میزان حفرات خالی موجود در هر مخلوط سنگدانه.
مرحله ی دوم: تعیین حجم خمیر سیمان
– گام اول: تعیین حداقل حجم خمیر سیمان برای تأمین قابلیت عبور و قابلیت پر کنندگی (انتخاب مقدار بزرگ تر) – گام دوم: افزایش حجم خمیر سیمان برای اطمینان از ثبات رفتار مخلوط بتنی.
مرحله ی سوم: تعیین اجزای خمیر سیمان
اول: انتخاب سیمان، مواد مکمل سیمان و پرکننده های معدنی.
دوم: انتخاب حداکثر نسبت آب به سیمان و نسبت آب به مواد سیمانی، تعیین حداقل و حداکثر میزان مصرف مواد جایگزین سیمان با توجه به ویژگی های کوتاه مدت و دراز مدت مورد انتظار برای پرکننده های معدنی نیز در صورت تأثیر گذاری بر خواص بتن سخت شده باید حدود مصرف تعیین شود).
سوم: تعیین میزان هوای مورد نیاز در بتن با توجه به شرایط محیطی (فرض ۲ درصد در صورت عدم استفاده از افزودنی حباب هوازا).
چهارم: تعیین نسبت آب به خمیر سیمان و نیز مواد پودری با توجه به کارایی.
پنجم: محاسبه ی مقادیر هر یک از اجزای خمیر سیمان .
ششم: ساخت مخلوطهای آزمون و اصلاح مقادیر و نسبت ها تأثیر بروز تغییرات در این سه پارامتر بر جنبه هایی از کارایی بتن خودتراکم به صورت کیفی نشان داده شده است که برای اصلاح مخلوطهای آزمون می تواند مفید باشد.
همان گونه که اشاره شد، در این روش در گام نخست سنگدانه های مصرفی در بتن خودتراکم انتخاب می شود. برای این کار سه مشخصه ی حداکثر اندازهی سنگدانه، دانه بندی و مشخصات ظاهری (شکل، تیز گوشه گی و بافت سطحی ذرات) باید مدنظر قرار گیرد. این روش بیان می کند که افزایش حداکثر اندازهی سنگدانه تا جایی که منجر به گسترش تنوع اندازه ذرات و در نتیجه بهبود دانه بندی شود، تاثیر مثبتی بر کارایی دارد. البته برای افزایش قابلیت عبور و مقاومت در برابر جداشدگی بتن خودتراکم می توان حداکثر اندازه سنگدانه را کاهش داد. به هر حال از نظر ICAR حداکثر اندازه سنگدانه ی سه هشتم تا 1 اینچ برای کاربردهای معمول قابل قبول میباشد.
دانه بندی سنگدانه
در مورد دانه بندی سنگدانه ها در مخلوط بتن خودتراکم می توان گفت دانه بندی بهینه بستگی به مصالح مصرفی و کاربرد بتن خودتراکم دارد. به طور کلی مخلوط های سنگدانه با دانه بندی پیوسته که دارای کمبود و با مقادیر بسیار زیاد ذرات روی دو الگ متوالی نباشد و نیز مخلوط های دارای چگالی تراکمی زیاد برای استفاده در بتن خودتراکم مطلوب هستند. با اینکه دانه بندی گسسته گاهی سبب کاهش نیاز بدن به افزودنی فوق روان کننده می شود ولی به دلیل افزایش خطر جداشدگی بهتر است از آن اجتناب شود.
در اغلب موارد، منحنی توانی۰/۴۵ باعث ایجاد یک مخلوط سنگدانهی متراکم، کاهش لزجت خمپری بتن تازه و متعاقبا کاهش نیاز به فوق روان کننده می شود که امری مطلوب است. این منحنی را می توان روی یک نمودار درصد سنگدانه ی عبوری بر حسب اندازه ذرات (به توان۰/۴۵) رسم نمود. همان گونه که در شکل ۲-۶ مشاهده می شود، معمولا یک خط مستقیم از مبدأ تا حداکثر اندازه سنگدانه رسم می شود. این روش منجر به نیاز به حجم زیادی از مصالح عبوری از الک نمرهی ۲۰۰ میشود که بهتر است به عنوان مواد پودری جزئی از خمیر سیمان در نظر گرفته شوند.
بنابراین برای رسم منحنی توانی۰/۴۵ باید خط مستقیمی بین نقطه ی متناظر با الگ نمرهی ۲۰۰ و حداکثر اندازه سنگدانه رسم شود. در صورت عدم دستیابی، دانه بندی های ریزتر از منحنی توانی۰/۴۵ نسبت به دانه بندی های درشت تر ارجح هستند. در ابتدا به عنوان یک حدس اولیه برای ترکیب سنگدانه ها می توان نسبت ماسه به گل سنگدانه را عددی بین۰/۴ و ۰/۵ در نظر گرفت. مشخصات ظاهری، به ویژه شکل و تیز گوشه گی ذرات، مشخصه ی دیگری از سنگدانه است که از طریق تغییر میزان اصطکاک بین ذرات و حفرات موجود بین آنها، تأثیر زیادی بر کارایی بتن تازه دارد. سنگدانه های حجیم و گردگوشه بهترین عملکرد را برای استفاده در بتن خود تراکم دارند.
سنگدانه تیزگوشه
با این وجود سنگدانه هایی با هر میزان تیزگوشه گی و با هر شکلی را می توان با افزایش حجم خمیر سیمان در بتن خود تراکم بکار گرفت. هنگامی که حجم خمیر سیمان برای سنگدانه های مصرفی کافی باشد، کارایی را می توان با تغییر اجزای خمیر سیمان بهبود بخشید. برای تعیین شکل و نیز گوشه گی ذرات در روش پیشنهادی ICAR، ارزیابی دیداری انجام می گیرد. در این سیستم ارزیابی عددی بین ۱ تا ۵ به سنگدانه نسبت داده می شود که عدد ۱ نشان دهنده ی سنگدانه ی حجیم گرد گوشه و عدد ۵ نشان دهنده ی سنگدانه ی مسطح یا طویل و کاملا تیز گوشه است.
در مورد خمیر سیمان نیز نگرش روش ICAR، تأمین حداقل حجم خمیر سیمان برای ایجاد قابلیت پر کنندگی و قابلیت عبور مورد نیاز در بتن خودتراکم است؛ زیرا صرف نظر از اجزای تشکیل دهنده خمیر سیمان، دستیابی به کارایی مورد نظر در بتن خودتراکم در صورت عدم وجود این حداقل حجم خمیر ممکن نیست. این میزان حداقل با در نظر داشتن دو ویژگی پر کنندگی و قابلیت عبور، به طور مستقل تعیین می شود.
البته برای اطمینان از عملکرد مخلوط حاصل شده از این روش، مقدار به دست آمده با توجه به مسائلی چون روند کنترل کیفیت و نوسانات مورد انتظار در مصالح، به میزان معینی افزایش داده می شود. حجم کل خمیر مورد نیاز برای تأمین قابلیت پرکنندگی (Voustic-iling ability) برابر است با مجموع خمیر مورد نیاز برای پر کردن حفرات (Vpaste-voids) و در بر گرفتن سنگدانه ها .Vpaste) (spacing به منظور کاهش اصطکاک بین آنها) مهم ترین عامل تعیین کننده ی حجم خمیر لازم برای در بر گرفتن سنگدانه ها، شکل و میزان تیز گوشه گی سنگدانه های مصرفی می باشد؛ به گونه ای که برای سنگدانه های حجیم و کاملا گرد گوشه (عدد ۱ در سیستم ارزیابی دیداری) این مقدار برابر ۸ درصد حجم بتن و برای سنگدانه های تیز گوشه و نامناسب (عدد ۵ در سیستم ارزیابی دیداری) این مقدار برابر ۱۶ درصد توصیه می شود. حجم کل خمیر مورد نیاز برای تأمین قابلیت پرکنندگی، پس از تعیین درصد حجم حفرات موجود در مخلوط سنگدانهی متراکم (voids compacted agg%) توسط تعیین می گردد.
روش ICAR
مقدار خمیر مورد نیاز برای در بر گرفتن سنگدانه ها نیز بر اساس نتیجه ی ارزیابی دیداری (RA) توسط رابطهی ۴۲ تخمین زده می شود. روش ICAR به منظور افزایش اطمینان و تأیید نتایج حاصل از روابط ساخت حداقل دو مخلوط آزمون دیگر با حجم خمیر سیمان کمتر و بیشتر از مقدار محاسبه شده را توصیه می کند. در مورد حداقل حجم خمیر مورد نیاز برای تأمین قابلیت عبور نیز، این روش در مواردی که بتن خود تراکم برای استفاده در مقاطع کم آرماتور و یا فاقد آرمانور طراحی می شود، تعیین آن را الزامی نمی داند.
در سایر موارد نیز ساخت مخلوط هایی با حجم خمیر سیمان برابر و بیشتر از مقدار به دست آمده در مرحله ی قبل (در حالی که اجزای خمیر سیمان ثابت نگه داشته شوند) و انجام آزمایش حلقهی ابر روی این مخلوطهای آزمون توصیه شده است، در صورتی که میزان حداقل خمیر مورد نیاز برای تأمین قابلیت عبور، از حجم خمیر مورد نیاز برای تأمین ویژگی پر کنندگی بیشتر باشد، اصلاح دانه بندی سنگدانه ها می تواند مدنظر قرار گیرد.
راهکارهایی چون کاهش حداکثر اندازه سنگدانه و کاهش مدول نرمی مخلوط سنگدانه می تواند در این زمینه راهگشا باشد، در نهایت نیز با انتخاب مقدار بزرگتر به دست آمده از الزامات قابلیت های پرکنندگی و عبور، مقدار اولیه ی حجم خمیر مورد نیاز تعیین می شود. سپس این مقدار برای اطمینان از عملکرد مخلوط بتنی نهایی و کاهش حساسیت به تغییرات (افزایش ثبات)، با توجه به مسائلی چون روند کنترل کیفیت و نوسانات مورد انتظار در مصالح، به میزان معینی افزایش داده میشود. در مرحله ی سوم و نهایی طرح مخلوط بتن خود تراکم به روش مرکز بین المللی تحقیقات سنگدانه ها در دانشگاه تگزاس (ICAR)، اجزا و پارامترهای مختلف خمیر سیمان تعیین می شود.
در این مرحله با توجه به اهداف و میزان اهمیت خواص مختلف بتن خود تراکم، در خصوص مسائلی چون استفاده از مواد مکمل سیمان، نسبت آب به سیمان و میزان هوای مورد نیاز در بتن خودتراکم تصمیم گیری می شود. در جدول ۲-۷ پارامترهای تأثیرگذار بر خواص مختلف بتن خودتراکم در حالت تازه و سخت شده معرفی شده اند. متناسب با اهمیت هر ویژگی بتن، پارامتر متناظر با آن مورد توجه قرار می گیرد. علاوه بر این، در روش ICAR مقدار مواد پودری در صورت عدم استفاده از افزودنی اصلاح کنندهی لزجت بین ۳۸۵ تا ۵۳۴ کیلوگرم بر مترمکعب (مقادیر کمتر در صورت استفاده از افزودنی اصلاحکنندهی لزجت) و نسبت آب به مواد پودری بین ۳/ ۰ تا۰/۴۵ (نسبتهای بزرگتر در صورت استفاده از افزودنی اصلاح کنندهی لزجت) پیشنهاد شده است.