طرح اختلاط بتن با استفاده از اکسل

اشتراک گذاری در ...

1- آنچه در این آموزش خواهیم خواند…

پروژه‌ای که قصد داریم در این آموزش به آن بپردازیم، بررسی آموزش طرح اختلاط بتن با استفاده از اکسل می‌باشد. می‌خواهیم طرح اختلاطی با شرایط جدول زیر را به کمک اکسل به دست آوریم. روش‌های مختلف و آیین‌نامه‌های متعددی برای طرح اختلاط بتن وجود دارد. دو روش پرکاربرد یکی طرح اختلاط ملی و دیگری طرح ACI می‌باشد. این پروژه را با طرح اختلاط روش ACI پیش می‌بریم و در انتها روش طرح اختلاط ملی را نیز بررسی اجمالی می‌کنیم.

روش انتخاب اجزای تشکیل دهنده بتن و تعیین مقادیر نسبی با هدف تولید بتن اقتصادی که دارای حداقل خواص مشخص، کارایی، دوام و مقاومت قابل توجه است را طرح اختلاط بتن گویند. طرح ACI-211 به دو روش وزنی و حجمی قابل انجام است اما قبل از آن لازم است تا شرایط محیطی، نوع سیمان، شرایط آب و هوا، دانه بندی SSD و مقاومت متوسط لازم(مقاومت فشاری هدف) را بررسی کنیم.

1-1- آب و هوا

بر اساس آیین‌نامه آبا و نشریه 327 آب و هوا به سه دسته زیر تقسیم می‌شود.

آب و هوا بر اساس آیین‌نامه آبا و نشریه 327

بر اساس این نشریات با توجه به شرایط آب و هوا به طور مثال استفاده از افزودنی‌های بتن، استفاده از سیمان نوع III در هوای سرد، استفاده از یخ در آب اختلاط و… از جمله مواردی است که باید در طرح اختلاط به آن‌ها توجه شود. بنابراین مسائل حرارتی بتن بر مقاومت فشاری بتن و انتخاب نوع سیمان تاثیرگذار است.

2-1- نوع سیمان

براساس مبحث 5 مقررات ملی ساختمان سیمان پرتلند در پنج دسته زیر تقسیم بندی می‌شود. با توجه به شرایط هر پروژه باید نوع مناسب سیمان را انتخاب کنیم و در طرح اختلاط بتن نیز بر همین اساس عمل کنیم.

3-1- شرایط محیطی

در آیین نامه ACI-318-19 دو جدول مطابق زیر موجود است که بر اساس شرایط محیطی موجود به طور مثال وجود چرخه‌های ذوب و یخبندان و یا محیط سولفات و… یک ماکسیمم w/c (نسبت آب به سیمان) و یک مینیمم f ^′_c از جدول برداشت می‌شود و در طرح اختلاط مورد استفاده قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است که در پیوست 1 مبحث 9 مقررات ملی نیز جدولی مشابه با این جداول موجود است.

4-1- دانه بندی SSD

آیین نامه ACI-211 پیشنهاد می‌کند که دانه‌بندی سنگدانه بتن براساس استاندارد ASTM-C33 باشد. در این آیین نامه جدول زیر آورده شده است که براساس الک‌های استاندارد و مقدار عبوری از الک شرایط دانه‌بندی را مناسب را معین نموده است.

همچنین در جدول زیر نیز در شرایط مختلف بتن ریزی به طور مثال برای فونداسیون و… ماکسیمم رواداری‌هایی را آورده است که دانه‌بندی باید این شرایط را داشته باشد.

وزن مخصوص ظاهری دانه‌ها به وسیله‌ی آزمایش تعیین می‌شود. به صورت تجربی می‌توان وزن مخصوص شن را برابر 2/68 و وزن مخصوص ماسه را برابر با 2/64 در نظر گرفت. وزن مخصوص نسبی (چگالی ویژه) مصالح دانه‌ای به صورت نسبت چگالی (حقیقی یا ظاهری) دانه به چگالی آب تعریف شده است. همچنین وزن مخصوص حقیقی سیمان به وسیله آزمایش تعیین می‌شود و به صورت تجربی برابر 3/15 در نظر گرفته می‌شود.

مدول نرمی ماسه با عبور دادن ماسه از الک‌های استاندارد در آزمایشگاه و محاسبه مجموع درصد‌های باقی‌مانده روی الک‌های استاندارد تقسیم بر ۱۰۰ قابل تعیین است. می‌توان مدول نرمی را به صورت تجربی به طور میانگین برابر با 2/8 فرض کرد. محدوده‌ی مجاز مدول نرمی ماسه مصرفی در بتن، بین 2/3 تا 3/1 است. وزن دانه‌ها در طرح اختلاط، بر اساس حالت اشباع با سطح خشک (SSD) تعیین می‌شود. در این حالت دانه‌ها نه آبی از مخلوط به خود جذب کنند و نه آبی به مخلوط اضافه می‌نمایند.

اگر رطوبت شن و ماسه در حالت SSD نباشد، باید تصحیحات لازم برای اصلاح وزن شن و ماسه و آب مصرفی صورت گیرد. رطوبت حالت SSD دانه‌ها با آزمایش تعیین می‌شود. به صورت تجربی می‌توان رطوبت SSD دانه‌های درشت را برابر 0/5 درصد و رطوبت SSD دانه‌های ریز را برابر 0/7 درصد در نظر گرفت.

5-1- مقاومت متوسط لازم (مقاومت فشاری هدف)

براساس آیین نامه آبا مقاومت فشاري هدف در طرح مخلوط بتن با توجه به مقاومت مشخصه آن و انحراف معيار مقاومت فشاري كارگاهي يا حاشيه ايمني مورد نظر، محاسبه مي‌شود. برای محاسبه انحراف معیار در آیین نامه سه حالت پیش‌بینی شده است.

حالت اول آزمايش‌هاي مقاومت فشاري بتن در كارگاه موجود باشد، حالت دوم، آزمايش‌هاي مقاومت فشاري بتن موجود نباشد و حالت سوم، از انحراف معيار پروژه يا كارگاه مشابه استفاده شود. در هر حالت می‌توان به آیین‌نامه مراجعه نمود و از روابط مربوطه استفاده کرد.

اگر بخواهیم انحراف معیار را تخمین بزنیم، با توجه به رتبه‌بندي كارگاه از نظر كيفيت توليد، نظارت و كنترل كيفي نیز می‌توان به جداول آیین‌نامه مراجعه نمود. اما به جز موارد شرح داده شده می‌توان از یک حاشیه ایمنی استفاده نمود. درواقع اگر هيچگونه اطلاعاتي در مورد كيفيت ساخت، كنترل و نظارت بتن وجود نداشته باشد مقدار 0/1f ^ʹ_c+5/0 مگاپاسکال به عنوان حاشیه ایمنی در نظر می‌گیریم.
بنابراین اگر محاسبه یا تخمین انحراف معیار انجام شده بود مقدار مقاومت فشاری هدف برابر بزرگترین مقدار دو رابطه زیر خواهد بود.

مقاومت متوسط لازم (مقاومت فشاری هدف) بتن

و اگر حاشیه ایمنی برای مقاومت در نظر گرفته شود، مقدار مقاومت فشاری هدف برابر رابطه زیر خواهد شد.

همچنین در آیین‌نامه آبا برای تخمین انحراف معیار بر اساس رتبه‌بندی کارگاهی از جدول زیر می‌توان استفاده نمود.

2- طرح اختلاط بتن در ACI-211 به دو روش وزنی و حجمی

مرحله1) انتخاب اسلامپ

انتخاب اسلامپ مناسب بر اساس تجربه است. مهندس با توجه به تجربیات قبلی و بر اساس نوع عضو سازه‌ای که بتن‌ریزی خواهد شد، اسلامپ لازم را انتخاب می‌کند. آیین‌نامه ACI نیز جدول زیر را ارائه داده است. براساس این جدول با توجه به محل بتن‌ریزی مقدار مینیمم و ماکسیممی را برای اسلامپ پیشنهاد داده‌است.

مرحله2) انتخاب حداکثر اندازه سنگدانه

بزرگ‌ترین بعد دانه بر اساس تجربه مهندس طراح و نیز امکانات و شرایط موجود محلی تعیین می‌شود. بر اساس مبحث 9 بند 9-22-4-6 اندازه اسمی بزرگ‌ترین سنگدانه با توجه به شرایط زیر تعیین می‌شود.

مرحله3) تخمین مقدار آب و هوای لازم (W و A)

برای تخمین مقدار آب لازم و هوای بتن براساس مقدار اسلامپ و حداکثر اندازه سنگدانه از جدول زیر استفاده می‌شود.

در صورت استفاده از مواد افزودنی کاهنده آب مقادیر جدول به میزان زیر کاهش داده شود.

مرحله4) انتخاب نسبت آب به سیمان (W/C)

نسبت آب به سیمان بر اساس مقاومت مورد نیاز و شرایط محیطی بتن (بر اساس دوام مورد نظر) تعیین می‌شود. این نسبت باید براساس مقاومت فشاری هدف و شرایط محیطی و جدول زیر انتخاب شود.

مرحله5) محاسبه مقدار سیمان (C)

با تقسیم کردن وزن آب بر حسب کیلوگرم در واحد حجم (از مرحله سوم) بر نسبت آب به سیمان (از مرحله چهارم)، مقدار سیمان بر حسب کیلوگرم در واحد حجم دست می‌آید.

مرحله6) تخمین مقدار درشت دانه (CA)

حجم دانه‌های درشت به صورت خشک در واحد حجم بتن را می‌توان با استفاده از جدول زیر و بر اساس بزرگ‌ترین اندازه‌ی اسمی دانه‌ها و مدول نرمی ماسه تعیین کرد. با ضرب این ضریب در جرم حجمی سنگدانه خشک نیمه متراکم، مقدار شن در واحد حجم بتن حاصل می‌گردد. جرم حجمی شن به صورت خشک معمولاً در محدوده ۱۶۰۰ تا ۱۸۰۰ کیلو‌گرم بر متر مکعب است.

در مواردی که به کارایی کمتری نیاز باشد (بتن‌ریزی در رویه‌های بتنی)، می‌توان اعداد جدول را ۱۰% افزایش داد تا مقدار شن افزایش یافته و مقدار ماسه کاهش یابد و بتن توپر‌تر و با کارایی کمتری حاصل شود. در مواردی که کارایی بیشتری مورد نیاز باشد ( مواردی که بتن‌ریزی با پمپ بتن صورت می‌گیرد یا مواردی که آرماتور‌بندی انبوه و متراکم باشد) می‌توان اعداد جدول را ۱۰% کاهش داد تا مخلوط روان‌تری حاصل شود.

مرحله7) تخمین مقدار ریزدانه (FA)

در روش وزنی جمع وزن کلیه‌ی اجزای بتن در یک متر مکعب، باید برابر با وزن مخصوص بتن تازه شود.

حال برای محاسبه چگالی بتن تازه مهندس طراح براساس تجربیات قبلی آزمایشگاهی که با مصالح و شرایط مشابه کسب کرده است، می‌تواند چگالی بتن تازه را پیش‌بینی کند. در آیین نامه نیز جدل زیر موجود است که براساس ماکسیمم سایز دانه چگالی بتن داده شده است.

روش دیگر برای تخمین چگالی استفاده از رابطه زیر است.

برای تخمین مقدار ریزدانه (FA) در روش حجمی نیز می‌توان از رابطه زیر استفاده نمود.

مرحله8) تصحیح رطوبت دانه‌ها

در مراحل قبل دانه‌ها در حالت اشباع با سطح خشک (SSD) بودند معمولاً در شرایط کارگاهی، سنگدانه‌ها یا رطوبتی کمتر از حالت SSD داشته (دانه‌های خشک) و یا رطوبتی بیش از آن دارند (دانه‌های خیس). بنابراین لازم است میزان وزن شن و ماسه و نیز مقدار آب تصحیح شود. بر اساس نشریه 327 برای تصحیح وزن شن و ماسه می‌توان از روابط زیر استفاده نمود.

همچنین برای تصحیح مقدار آب نیز می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد.

مرحله9) مخلوط‌های آزمایشی

جدول ارائه شده در روش ACI-211 بر اساس تجربیات آزمایشگاهی است. بنابراین برای رسیدن به یک طرح مناسب، لازم است با ساخت نمونه‌های آزمایشی، اختلاف احتمالی شرایط و مصالح محلی با شرایط و مصالح استاندارد در محاسبه وارد شود. کارایی، چسبندگی، پرداخت کاری، حباب هوا، بازدهی و چگالی از جمله مواردی است که باید آزمایش شوند.

در صورت عدم حصول اسلامپ صحیح به ازای هر 25 میلیمتر افزایش (یا کاهش) اسلامپ مقدار آب تخمین زده شده را به اندازه 6kg/m³ افزایش (یا کاهش) دهید. همچنین اگر مواد افزودنی استفاده شود مقادیر آن را تغییر می‌دهیم. در صورت عدم حصول مقدار حباب هوای مطلوب میزان مصرف ماده افزودنی حباب هوازا اصلاح شود. آنگاه مقدار آب به ازای 1 درصد کاهش (یا افزایش) مقدار حباب هوا باید به اندازه 3kg/m³ افزایش (یا کاهش) داده شود. چون در طرح بعدی درصد هوا تغییر می‌کند، در یک حجم ثابت از بتن تازه وزن آن تغییر می‌کند. بنابراین لازم است در طرح بعدی، اصلاحی در وزن واحد حجم بتن انجام گیرد.

در صورت عدم حصول چگالی تخمین زده شده برای بتن تازه بر اساس روش جرمی باید با استفاده از نمودارهای کنترل کیفیت نسبت اجزای تشکیل دهنده مخلوط برای ایجاد تغییر در مقدار حباب هوا اصلاح شود.

3- طرح اختلاط بتن با روش ACI-211 با استفاده از اکسل

حال که موارد فوق شرح داده شد با توجه به جدول اطلاعات اولیه پروژه برای محاسبه طرح اختلاط وارد نرم‌افزار اکسل می‌شویم.

اولین جدول در اکسل، جدول شرایط محیطی بتن براساس ACI-318 است که در اینجا تنها بخشی از آن که برای این پروژه لازم بوده است ترسیم شده. شما با توجه به نیاز خود می‌توانید آن را کامل رسم کنید. با توجه به پرژوه که شرایط محیطی حمله متوسط سولفات است حالت S1 جدول خواهد بود. بنابراین ماکسیمم W/C و مینیمم مقاومت مشخصه و نوع سیمان معین می‌شود.

برای ایجاد چک باکس مطابق تصویر زیر از منوی Developer می‌توان اقدام نمود.

حال برای هر چک باکس باید یک سلول را به آن اختصاص دهیم. برای این کار روی چک باکس راست کلیک کرده و از گزینه Format Control پنجره آن باز شده و سلول مورد نظر به آن اختصاص داده می‌شود.

حال با استفاده از رابطه‌ای که در یک سلول دلخواه می‌نویسیم تعیین می‌کنیم که مقادیر انتخابی را نمایش دهد. برای فهم بیشتر این موارد به ویدیو و فایل اکسل این آموزش مراجعه کنید.
جدول بعد اسلامپ توصیه شده با توجه به محل استفاده بتن براساس آیین نامه ACI-211 می‌باشد. با توجه به اطلاعات جدول و اینکه بتن برای ستون می‌باشد مقدار اسلامپ را برابر 80 میلیمتر در نظر گرفتیم.

حداکثر اندازه سنگدانه نیز در اطلاعات پروژه 25 میلیمتر داده شده است.
برای الزامات تقریبی آب اختلاط و مقدار حباب هوا براساس ACI-211 نیز جدولی مطابق زیر براساس روشی که در قبل شرح دادیم رسم می‌کنیم. مقدار آب و هوای بتن تعیین می‌شود.

برای تعیین مقاومت فشاری هدف ابتدا باید انحراف معیار S براساس رتبه بندی آیین نامه آبا را تعیین کنیم. برای اینکار جدول زیر را رسم می‌کنیم. براساس رتبه کارگاه و مقاومت مشخصه، انحراف معیار تعیین می‌شود. البته می‌توان از روابطی که قبلا نیز شرح داده شد انحراف معیار را حساب کرد.

حال به کمک روابط زیر که قبلا هم شرح دادیم مقاومت فشاری هدف تعیین می‌شود. مقاومت فشاری ماکسیمم مقادیر این دو رابطه است. برای محاسبه در دو سلول دو رابطه را می‌نویسم و سپس در یک سلول با استفاده از تابع MAX مقدار ماکسیمم حاصل می‌شود.

حال به کمک جدول زیر و براساس مقدار مقاومت محاسبه شده، مقدار W/C حاصل می‌شود.

حال براساس جدول شرایط محیطی بتن یک ماکسیمم مقدار برای w/c داشتیم که مقدار انتخابی از این جدول کمتر از آن است و مشکلی از این نظر نداریم. حال مقدار آب را نیز از جدول الزامات تقریبی آب اختلاط و هوا از قبل حساب کرده بودیم. بنابراین مقدار سیمان به‌دست می‌آید.

حال جدول حجم انبوهی خشک مصالح درشت دانه بر واحد حجم بتن در ACI 211 مطابق زیر تشکیل می‌دهیم. در اطلاعات اولیه پروژه مقدار ماکسیمم سایز ریزدانه و مدول نرمی ماسه را داریم و بنابراین حجم انبوهی خشک مصالح درشت دانه حاصل می‌شود.

با تقسیم حجم انبوهی خشک مصالح درشت دانه بر مقدار چگالی خشک درشت دانه که در اطلاعات اولیه پروژه بود مقدار درشت دانه حاصل می‌شود.

برای تعیین مقدار ریزدانه ابتدا چگالی بتن تازه از روش وزنی تعیین می‌شود. بر اساس روابطی که قبلا شرح دادیم جداول زیر حاصل می‌شوند.

حال رطوبت دانه‌ها را تصحیح می‌کنیم. مراحل به سادگی و با اطلاعات اولیه که از رطوبت مصالح در جدول پروژه داریم و مقادیر مصالح ریزدانه و درشت دانه در حالت SSD که حساب شد، انجام می‌شود.

در نهایت اجزا طرح مخلوط بتن ما آماده است.

حال برای 0/02 متر مکعب بتن یک فرآیند آزمایش انجام داده‌ایم. یک آزمایش اسلامپ انجام شده است که مقدار 25 میلیمتر نمونه آزمایشگاهی با مقدار مد نظر در محاسبات اختلاف دارد که همانطور که قبلا شرح دادیم مقدارآب اختلاط و نسبت آب به سیمان اصلاح شده است. یک آزمایش تعیین چگالی بتن نیز انجام شده است. بر این اساس مقادیر درشت دانه و ریز دانه نیز اصلاح می‌شوند.