بررسی تغییر دانه‌بندی و اثر آن بر اسلامپ و جداشدگی بتن

مقدمه

دانه‌بندی سنگدانه‌ها یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر رفتار بتن تازه و سخت‌شده است. بسیاری از ویژگی‌های بتن، از جمله کارایی، نیاز آبی، قابلیت پمپاژ، مقاومت در برابر جداشدگی، میزان آب‌انداختگی و حتی دوام نهایی، مستقیماً تحت تأثیر نحوه توزیع اندازه ذرات سنگدانه قرار دارند. به همین دلیل، در طراحی مخلوط بتن تنها انتخاب نسبت آب به سیمان یا مقدار سیمان کافی نیست و نحوه توزیع سنگدانه‌ها نیز باید با دقت مورد بررسی قرار گیرد.

یکی از تغییراتی که گاهی در طرح اختلاط بتن اتفاق می‌افتد، حذف بخشی از سنگدانه‌های میانی و جایگزینی جرم آن‌ها میان سنگدانه‌های ریز و درشت است. این تغییر، اگرچه در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد، اما می‌تواند رفتار رئولوژیکی بتن را به شکل محسوسی تغییر دهد.

در این مقاله، اثر حذف کامل سنگدانه‌های با اندازه ۵ تا ۹٫۵ میلی‌متر (نخودی) و انتقال جرم آن‌ها به ماسه و سنگدانه‌های درشت مورد بررسی قرار گرفته است. تمرکز اصلی بر تغییرات ایجادشده در چگالی بسته‌بندی ذرات، فضای خالی، نیاز آبی، اسلامپ و پتانسیل جداشدگی بتن است.

فرضیات مطالعه

نتایج ارائه‌شده در این مقاله بر اساس فرضیات زیر تفسیر شده‌اند:

• مصرف سیمان حدود ۳۵۰ کیلوگرم بر مترمکعب در نظر گرفته شده و اثر مواد افزودنی معدنی در محاسبات لحاظ نشده است.
• نسبت آب به سیمان حدود ۰٫۵ فرض شده و آب آزاد سنگدانه‌ها در نظر گرفته نشده است.
• چگالی مخصوص سنگدانه‌ها حدود ۲٫۶۵ و شرایط آن‌ها در حالت اشباع با سطح خشک (SSD) فرض شده است.
• شکل سنگدانه‌های درشت تقریباً زاویه‌دار و ماسه دارای دانه‌های نسبتاً نامنظم در نظر گرفته شده است.
• اختلاط در شرایط معمول کارگاهی انجام شده و انرژی اختلاط معادل فرآیندهای متداول تولید بتن فرض شده است.
• اثر رطوبت سطحی سنگدانه‌ها بر مقدار واقعی آب اختلاط نادیده گرفته شده است.

دانه‌بندی اولیه و دانه‌بندی اصلاح‌شده

در طرح اولیه، ترکیب سنگدانه‌ها از سه بخش تشکیل شده بود. ماسه با اندازه ۰ تا ۵ میلی‌متر، ۵۰ درصد جرم کل سنگدانه‌ها را تشکیل می‌داد. سنگدانه نخودی با اندازه ۵ تا ۹٫۵ میلی‌متر نیز ۲۵ درصد و سنگدانه بادامی با اندازه ۹٫۵ تا ۱۹ میلی‌متر ۲۵ درصد باقی‌مانده را شامل می‌شد.

در طرح اصلاح‌شده، سنگدانه‌های نخودی به‌طور کامل حذف شدند. سپس جرم این بخش به‌صورت مساوی میان ماسه و سنگدانه‌های درشت توزیع شد. در نتیجه، سهم ماسه از ۵۰ درصد به ۶۲٫۵ درصد افزایش یافت و سهم سنگدانه‌های درشت نیز از ۲۵ درصد به ۳۷٫۵ درصد رسید. مجموع سهم سنگدانه‌ها همچنان برابر با ۱۰۰ درصد باقی ماند، اما توزیع اندازه ذرات تغییر اساسی پیدا کرد.

حذف این بازه دانه‌بندی باعث ایجاد یک ناحیه فاقد ذره در محدوده ۵ تا ۹٫۵ میلی‌متر می‌شود. چنین دانه‌بندی‌ای در منابع علمی با عنوان دانه‌بندی شکافدار (Gap-Graded Aggregate) شناخته می‌شود. در منحنی دانه‌بندی، این وضعیت به‌صورت یک بخش تقریباً افقی یا تخت در بازه حذف‌شده مشاهده می‌شود که نشان‌دهنده نبود ذرات در آن محدوده است.

اثر تغییر دانه‌بندی بر چگالی بسته‌بندی و فضای خالی

یکی از نخستین پیامدهای تغییر دانه‌بندی، تغییر در نحوه قرارگیری ذرات کنار یکدیگر است. این ویژگی با عنوان چگالی بسته‌بندی ذرات (Particle Packing Density) شناخته می‌شود و بیانگر نسبت حجم واقعی ذرات جامد به حجم کل اشغال‌شده توسط آن‌ها است.

بر اساس مدل‌های کلاسیک Furnas و Andreasen و همچنین توسعه‌های بعدی توسط De Larrard، تغییر نسبت اجزای سنگدانه می‌تواند بدون تغییر در مقدار کل مصالح، نحوه پر شدن فضاهای خالی را تغییر دهد.

در این مطالعه و با فرض چگالی یکسان برای تمامی گروه‌های سنگدانه، چگالی بسته‌بندی مخلوط اولیه حدود ۶۴ درصد برآورد می‌شود. به بیان دیگر، تقریباً ۳۶ درصد از حجم سیستم را فضای خالی میان ذرات تشکیل می‌دهد.

پس از حذف دانه‌های میانی و افزایش سهم ماسه و سنگدانه‌های درشت، چگالی بسته‌بندی به حدود ۶۶ درصد افزایش یافته و حجم فضای خالی به حدود ۳۴ درصد کاهش پیدا می‌کند.

هرچند این افزایش تنها حدود دو درصد است، اما از دیدگاه فناوری بتن مقدار قابل توجهی محسوب می‌شود، زیرا حتی تغییرات کوچک در حجم فضای خالی می‌توانند نیاز آبی بتن را تغییر دهند.

در واقع، هنگامی که فضای خالی میان ذرات کاهش پیدا می‌کند، بخش کمتری از آب اختلاط صرف پر کردن این فضاها می‌شود و در نتیجه مقدار بیشتری از آب به‌صورت آب آزاد در خمیر سیمان باقی می‌ماند. این آب آزاد مستقیماً در افزایش روانی بتن نقش دارد.

به همین دلیل، بتن دارای چگالی بسته‌بندی بالاتر معمولاً برای رسیدن به یک اسلامپ مشخص به آب کمتری نیاز خواهد داشت.

تأثیر بر نیاز آبی و اسلامپ بتن

یکی از نتایج مستقیم افزایش چگالی بسته‌بندی، کاهش نیاز آبی مخلوط است.

اگر هدف رسیدن به یک اسلامپ مشخص باشد، بتن دارای دانه‌بندی شکافدار معمولاً می‌تواند با نسبت آب به سیمان پایین‌تری به همان روانی دست پیدا کند. این موضوع در پژوهش‌های مختلف، به‌ویژه مطالعات انجام‌شده بر روی بتن‌های مقاوم و بتن‌های با بسته‌بندی بهینه ذرات، گزارش شده است.

از سوی دیگر، اگر مقدار آب اختلاط و نسبت آب به سیمان بدون تغییر باقی بماند، کاهش نیاز آبی خود را به‌صورت افزایش اسلامپ نشان خواهد داد.

برای مثال، اگر نسبت آب به سیمان برابر ۰٫۴۰ باشد، اسلامپ اولیه حدود ۸۰ میلی‌متر برآورد می‌شود. در طرح اصلاح‌شده، همین مخلوط می‌تواند اسلامپی در حدود ۹۵ میلی‌متر ایجاد کند که افزایش تقریبی ۱۵ میلی‌متری را نشان می‌دهد.

در نسبت آب به سیمان ۰٫۵۰، اسلامپ اولیه حدود ۱۰۰ میلی‌متر است و انتظار می‌رود در طرح اصلاح‌شده به حدود ۱۲۰ میلی‌متر برسد؛ یعنی افزایشی در حدود ۲۰ میلی‌متر.

همچنین اگر نسبت آب به سیمان برابر ۰٫۶۰ باشد، اسلامپ اولیه حدود ۱۲۰ میلی‌متر بوده و در مخلوط اصلاح‌شده می‌تواند تا حدود ۱۴۵ میلی‌متر افزایش یابد که بیانگر افزایش تقریبی ۲۵ میلی‌متری است.

این اعداد، مقادیر تقریبی حاصل از مدل‌های تئوری و نتایج پژوهش‌های منتشرشده هستند و در عمل ممکن است تحت تأثیر عواملی مانند شکل سنگدانه‌ها، زبری سطح، مدول نرمی ماسه، مقدار خمیر سیمان، نوع سیمان، استفاده از مواد پوزولانی و افزودنی‌های شیمیایی تغییر کنند.

نکته مهم آن است که افزایش اسلامپ در این شرایط، ناشی از افزایش آب اختلاط نیست، بلکه نتیجه کاهش نیاز آبی سیستم سنگدانه و بهبود نسبی بسته‌بندی ذرات است.

البته باید توجه داشت که افزایش درصد ماسه در بسیاری از طرح‌های اختلاط، به‌تنهایی می‌تواند موجب افزایش سطح ویژه سنگدانه‌ها و در نتیجه افزایش نیاز آبی شود. بنابراین رفتار واقعی بتن حاصل برآیند دو اثر هم‌زمان است؛ از یک سو بهبود بسته‌بندی ذرات و از سوی دیگر افزایش سطح ویژه ناشی از افزایش مقدار ماسه. نتیجه نهایی به ویژگی‌های واقعی مصالح مصرفی وابسته خواهد بود و به همین دلیل انجام آزمایش‌های کارگاهی همواره ضروری است.

برای اطمینان از عملکرد واقعی مخلوط، توصیه می‌شود پس از اصلاح دانه‌بندی، آزمایش اسلامپ مجدداً انجام شود و در صورت نیاز از فوق‌روان‌کننده مناسب برای حفظ کارایی استفاده گردد.

خطر جداشدگی

اگرچه افزایش اسلامپ در بسیاری از پروژه‌ها مطلوب تلقی می‌شود، اما همواره به معنای بهبود کیفیت بتن نیست.

یکی از مهم‌ترین پیامدهای حذف سنگدانه‌های میانی، افزایش احتمال جداشدگی (Segregation) است.

در دانه‌بندی پیوسته، اندازه‌های مختلف سنگدانه مانند یک شبکه به هم پیوسته عمل کرده و حرکت سنگدانه‌های درشت را محدود می‌کنند. اما در دانه‌بندی شکافدار، نبود ذرات میانی باعث کاهش این قفل‌شدگی مکانیکی می‌شود و در نتیجه سنگدانه‌های درشت آزادی حرکت بیشتری پیدا می‌کنند.

در هنگام حمل بتن، تخلیه، پمپاژ یا ویبره، این موضوع می‌تواند باعث ته‌نشینی سنگدانه‌های درشت و جدا شدن آن‌ها از ملات سیمانی شود.

مطالعات آزمایشگاهی انجام‌شده بر روی بتن‌های دارای دانه‌بندی شکافدار (NWG) نشان داده‌اند که این نوع مخلوط‌ها نسبت به بتن‌های با دانه‌بندی پیوسته (WG) تمایل بیشتری به جداشدگی دارند، به‌ویژه زمانی که مقدار ذرات بسیار ریز کافی نباشد.

بررسی‌های انجام‌شده بر اساس نمودارهای Coarseness Factor نیز نشان می‌دهد که با افزایش درشتی مخلوط و حذف دانه‌های میانی، شاخص پتانسیل جداشدگی افزایش پیدا می‌کند. در برخی مطالعات، دانه‌بندی شکافدار بیشترین پتانسیل جدایش را با شاخصی نزدیک به ۱٫۰۰ نشان داده است، در حالی که دانه‌بندی پیوسته رفتار پایدارتر و یکنواخت‌تری داشته است.

بنابراین، هرچند حذف سنگدانه‌های میانی می‌تواند موجب افزایش اسلامپ شود، اما در صورت عدم اصلاح سایر اجزای طرح اختلاط، احتمال جداشدگی نیز افزایش خواهد یافت.

راهکارهای کاهش جداشدگی

برای کنترل این پدیده، اصلاح هم‌زمان طرح اختلاط ضروری است.

یکی از مؤثرترین راهکارها، افزایش مقدار ذرات بسیار ریز مانند فیلر سنگی، پودر سنگ، میکروسیلیس، خاکستر بادی یا سایر مواد معدنی ریزدانه است. این مواد موجب افزایش ویسکوزیته خمیر سیمان شده و حرکت آزاد سنگدانه‌های درشت را محدود می‌کنند.

راهکار دیگر، استفاده از فوق‌روان‌کننده‌های نسل جدید پلی‌کربوکسیلاتی است. این افزودنی‌ها امکان حفظ اسلامپ را بدون افزایش آب اختلاط فراهم می‌کنند و در صورت انتخاب صحیح، می‌توانند همزمان کارایی و انسجام بتن را بهبود دهند.

همچنین توصیه می‌شود ضریب درشتی (Coarseness Factor) در محدوده میانی، حدود ۶۰ درصد، نگه داشته شود. مطالعات ACI و پژوهش‌های انجام‌شده بر اساس نمودارهای CF-WF نشان داده‌اند که این محدوده معمولاً بهترین تعادل میان کارایی، قابلیت تراکم و مقاومت در برابر جداشدگی را ایجاد می‌کند.

در کنار اصلاح طرح اختلاط، کنترل مناسب عملیات اجرایی نیز اهمیت زیادی دارد. ویبره بیش از حد، سقوط آزاد زیاد بتن، زمان حمل طولانی و تخلیه نامناسب همگی می‌توانند خطر جداشدگی را تشدید کنند.

روند علّی تغییرات

ارتباط میان این پدیده‌ها را می‌توان به‌صورت یک زنجیره علت و معلولی بیان کرد:

حذف سنگدانه‌های ۵ تا ۹٫۵ میلی‌متر ← تغییر دانه‌بندی به حالت شکافدار ← افزایش نسبی چگالی بسته‌بندی ← کاهش فضای خالی ← کاهش نیاز آبی برای رسیدن به یک اسلامپ مشخص ← افزایش اسلامپ در صورت ثابت ماندن مقدار آب ← افزایش احتمال جداشدگی در صورت عدم اصلاح سایر اجزای طرح اختلاط.

جمع‌بندی

حذف کامل سنگدانه‌های ۵ تا ۹٫۵ میلی‌متر و انتقال جرم آن‌ها به ماسه و سنگدانه‌های درشت، دانه‌بندی مخلوط را از حالت پیوسته به دانه‌بندی شکافدار تبدیل می‌کند. این تغییر می‌تواند چگالی بسته‌بندی ذرات را اندکی افزایش داده، حجم فضای خالی را کاهش دهد و در نتیجه نیاز آبی مخلوط را برای رسیدن به یک اسلامپ مشخص کاهش دهد.

اگر مقدار آب اختلاط ثابت باقی بماند، انتظار می‌رود اسلامپ بتن در حدود ۱۵ تا ۲۵ میلی‌متر افزایش پیدا کند. با این حال، این مزیت معمولاً با افزایش احتمال جداشدگی همراه است، زیرا حذف ذرات میانی موجب کاهش قفل‌شدگی مکانیکی سنگدانه‌ها و افزایش تحرک سنگدانه‌های درشت می‌شود.

از این‌رو، استفاده از دانه‌بندی شکافدار تنها زمانی توصیه می‌شود که هم‌زمان اصلاحات لازم در طرح اختلاط، از جمله استفاده از ذرات بسیار ریز، فوق‌روان‌کننده مناسب و کنترل ضریب درشتی انجام شود. در نهایت، هرگونه تغییر در دانه‌بندی باید با انجام آزمایش‌های اسلامپ، مقاومت، جداشدگی، آب‌انداختگی و سایر آزمون‌های بتن تازه و سخت‌شده در شرایط واقعی پروژه اعتبارسنجی شود.

منابع

• ACI 211.1-91 (American Concrete Institute) – دستورالعمل طرح مخلوط بتن و نکات درجه‌بندی دانه‌ها.
• Eurocode 2 (EN 206) – الزامات عمومی بتن و دانه‌بندی مجاز.
• ASTM C33/C33M – استاندارد مشخصات سنگدانه‌های بتن.
• Yalley P. P. Sam (2018). Effect of Sand Fines and Water/Cement Ratio on Concrete Properties.
• Heiser F. et al. (1973). Gap-Graded Aggregates for High-Strength Concrete.
• Abhyuday Titiksh (2017). Gap Grading of Aggregates and Its Effect on Concrete Properties.
• Fennis, S. & Walraven, J. (2012). Using Particle Packing Technology for Sustainable Concrete Design.
• NRMCA (2019). Effect of Continuous vs. Gap-Graded Aggregates on Concrete Performance.
• De Larrard, F. (1999). Concrete Mixture Proportioning.
• Furnas, C.C. (1929). Grading Aggregates.
• Andreasen, A. & Andersen, J. (1930). Particle Size Distribution Theory.
• ACI 304R (2001). Guide for Measuring, Mixing, Transporting and Placing Concrete.