۱- 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.
| اطلاعات اولیه طرح اختلاط | |
| آب و هوا | عادی |
| محل استفاده بتن | ستون |
| شرایط محیطی | حمله متوسط سولفات |
| مقاومت مشخصه ۸۲ روزه (apM) | ۳۰ |
| دانه بندی | براساس33C-MTSA |
| حداکثر اندازه سنگدانه (mm) | ۲۵ |
| مدول نرمی | ۲.۶ |
| هوازایی | بتن بدون هوازایی |
| چگالی خشک درشت دانه (3m/gk) | ۱۶۰۰ |
| رطوبت مصالح درشت دانه% | ۲.۵ |
| ظرفیت جذب آب درشت دانه% | ۳.۵ |
| رطوبت مصالح ریزدانه دانه% | ۶ |
| ظرفیت جذب آب ریز دانه% | ۵.۲ |
| چگالی ویژه سیمان | ۳.۱۵ |
| aϒ میانگین وزنی چگالی ویژه DSS انبوهی شن و ماسه | ۲.۶۷ |
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، دانهبندی SSD و مقاومت متوسط لازم(مقاومت فشاری هدف) را بررسی کنیم.
۱-۱- آب و هوا
بر اساس آییننامه آبا و نشریه ۳۲۷ آب و هوا به سه دسته زیر تقسیم میشود.
| دمای هوا کمتر از ۵ درجه سانتی گراد | آب و هوای سرد |
| دمای هوا بین ۵ تا ۳۲ درجه سانتی گراد | آب و هوای عادی |
| دمای هوا بیشتر ۳۲ درجه سانتی گراد | آب و هوای گرم |
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.
۲-۱- نوع سیمان
براساس مبحث ۵ مقررات ملی ساختمان سیمان پرتلند در پنج دسته زیر تقسیمبندی 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.
| سیمان پرتلند معمولی برای مصارف عمومی | سیمان پرتلند نوع I |
| سیمان پرتلند اصلاح شده در برابر حمله سولفاتها، در مواردی که آبهای زیرزمینی یا خاک حاوی مقدار کمی سولفات باشد مصرف میگردد و به علت گرمازایی کمتر در بتنریزیهای نسبتاً حجیم نیز مصرف میشود. | سیمان پرتلند نوع II |
| سیمان پرتلند با مقاومت اولیه زیاد و حرارت هیدراتاسیون زیاد | سیمان پرتلند نوع III |
| سیمان پرتلند با حرارت هیدراتاسیون کم | سیمان پرتلند نوع VI |
| سیمان پرتلند ضد سولفات | سیمان پرتلند نوع V |
۳-۱- شرایط محیطی
در آییننامه 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.

۴-۱- دانه بندی SSD
آییننامه ACI-211 پیشنهاد میکند که دانهبندی سنگدانه بتن براساس استاندارد ASTM-C33 باشد. در این آییننامه 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 بتنریزی بهطور مثال برای فونداسیون و… ماکسیمم رواداریهایی را آورده است که دانهبندی باید این شرایط را داشته باشد.

وزن مخصوص ظاهری دانهها بهوسیلهی آزمایش تعیین میشود. بهصورت تجربی میتوان وزن مخصوص شن را برابر ۲/۶۸ و وزن مخصوص ماسه را برابر با ۲/۶۴ در نظر گرفت. وزن مخصوص نسبی (چگالی ویژه) مصالح دانهای بهصورت نسبت چگالی (حقیقی یا ظاهری) دانه به چگالی آب تعریف شده است. همچنین وزن مخصوص حقیقی سیمان بهوسیله آزمایش تعیین میشود و بهصورت تجربی برابر ۳/۱۵ 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 بهصورت تجربی بهطور میانگین برابر با ۲/۸ فرض کرد. محدودهی مجاز مدول نرمی ماسه مصرفی در بتن، بین ۲/۳ تا ۳/۱ 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 ۰/۵ درصد و رطوبت SSD دانههای ریز را برابر ۰/۷ درصد در نظر گرفت.
۵-۱- مقاومت متوسط لازم (مقاومت فشاری هدف)
براساس آییننامه آبا مقاومت فشاری هدف در طرح مخلوط بتن با توجه به مقاومت مشخصه آن و انحراف معیار مقاومت فشاری كارگاهی یا حاشیه ایمنی مورد نظر، محاسبه میشود. برای محاسبه انحراف معیار در آییننامه سه حالت پیشبینی شده است.
حالت اول آزمایشهای مقاومت فشاری بتن در كارگاه موجود باشد، حالت دوم، آزمایشهای مقاومت فشاری بتن موجود نباشد و حالت سوم، از انحراف معیار پروژه یا 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 رتبهبندی كارگاه از نظر كیفیت تولید، نظارت و كنترل كیفی نیز میتوان به جداول آییننامه مراجعه نمود. اما به جز موارد شرح داده شده میتوان از یک حاشیه ایمنی استفاده نمود. درواقع اگر هیچگونه اطلاعاتی در مورد كیفیت ساخت، كنترل و نظارت بتن وجود نداشته باشد مقدار 0/1f ʹc+5/0 مگاپاسکال بهعنوان 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.
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.

۲- طرح اختلاط بتن در ACI-211 به دو روش وزنی و حجمی
مرحله ۱) 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 داده است.

مرحله ۲) انتخاب حداکثر اندازه سنگدانه
بزرگترین بعد دانه بر اساس تجربه مهندس طراح و نیز امکانات و شرایط موجود محلی تعیین میشود. بر اساس مبحث ۹ بند ۹-۲۲-۴-۶ اندازه اسمی بزرگترین سنگدانه با توجه به شرایط زیر تعیین میشود.
((“۴- اندازهی اسمی بزرگترین سنگدانه نباید از حداقل موارد زیر بزرگتر باشد:
- یک پنجم کوچک ترین بعد داخلی قالب،
- یک سوم ضخامت دال،
- سه چهارم حداقل فاصلهی آزاد میان آرماتورهای تکی یا گروهی،
- سه چهارم حداقل ضخامت پوشش بتنی روی آرماتورها.”))
مرحله ۳) 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.

درصورت استفاده از مواد افزودنی کاهنده آب مقادیر جدول به میزان زیر کاهش داده شود.
| ۱۰-۱۵% | روان کننده |
| ۲۵-۳۰% | فوق روان کننده |
| ۳۰-۳۵% | فوق روان کننده بسیار قوی |
مرحله ۴) 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.

مرحله ۵) 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.
مرحله ۶) تخمین مقدار درشتدانه (CA)
حجم دانههای درشت بهصورت 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 مترمکعب 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.

مرحله ۷) تخمین مقدار ریزدانه (FA)
در روش وزنی جمع وزن کلیهی اجزای بتن در یک مترمکعب، باید برابر با وزن مخصوص بتن تازه شود.
در این رابطه:
- FA: وزن ماسه در یک متر مکعب بتن
- ρ: چگالی بتن تازه
- W: وزن آب در یک متر مکعب بتن
- C: وزن سیمان در یک متر مکعب بتن
- CA: وزن شن در یک متر مکعب بتن
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 آییننامه 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.
در این رابطه:
- γa: میانگین (وزنی) چگالی ویژه انبوهی (SSD) ترکیبی از ریزدانه و درشتدانه از طریق آزمایش تعیین میشود.
- ρ: چگالی بتن تازه
- W: وزن آب در یک متر مکعب بتن
- C: وزن سیمان در یک متر مکعب بتن
- ϒ: چگالی ویژه سیمان (به صورت کلی ۳.۱۵)
- مقدار حباب هوا (معمولا ۲ فرض میشود)
برای تخمین مقدار ریزدانه (FA) در روش حجمی نیز میتوان از رابطه زیر استفاده نمود.
در این رابطه:
- FA: جرم ریزدانه
- γf: چگالی ویژه انبوهی (SSD) ریزدانه
- γc: چگالی ویژه انبوهی (SSD) درشتدانه
- Ac: وزن درشت دانه در یک متر مکعب بتن
مرحله ۸) 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 ۳۲۷ برای تصحیح وزن شن و ماسه میتوان از روابط زیر استفاده نمود.
(درصد تغییرات رطوبت +1 ) × وزن سنگدانه در حالت SSD = وزن سنگدانه در حالت موجود
100/(ظرفیت جذب آب مصالح%- رطوبت موجود مصالح در کارگاه%)= درصد تغییرات رطوبت
همچنین برای تصحیح مقدار آب نیز میتوان از رابطه زیر استفاده کرد.
(وزن سنگدانهها در حالت موجود – وزن سنگدانهها در حالت SSD ) + آب آزاد = آب مصرفی
مرحله ۹) 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 ۲۵ 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 ۱ 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.
۳- 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 آییننامه ACI-211 میباشد. با توجه به اطلاعات جدول و اینکه بتن برای ستون میباشد مقدار اسلامپ را برابر ۸۰ میلیمتر در نظر گرفتیم.

حداکثر اندازه سنگدانه نیز در اطلاعات پروژه ۲۵ 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 آییننامه 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 ۰/۰۲ متر مکعب بتن یک فرآیند آزمایش انجام دادهایم. یک آزمایش اسلامپ انجام شده است که مقدار ۲۵ 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.

بنابراین با توجه به اصلاح مقادیر، طرح اختلاط نهایی به شرح زیر خواهد بود.

۴- طرح اختلاط ملی
طرح اختلاط ملی براساس آییننامه بتن آبا نوشته شده است. این طرح اختلاط یک نرمافزار دارد که به کمک آن میتوانید طرح مورد نیاز خود را محاسبه کنید.

۵- مراجع
- استاندارد ASTM-C33
- آییننامه ACI-211
- آییننامه بتن ایران (آبا) (نشریه شماره ۱۲۰) ویرایش ۱۴۰۰
- آییننامه بتن آمریکا ACI 318-19 واحد متریک
- دستورالعمل ساخت و اجرای بتن در کارگاه (نشریه شماره ۳۲۷) ویرایش ۱۳۸۵
- مبحث پنجم مقررات ملی ساختمان (مصالح و فرآوردههای ساختمانی) ویرایش ۱۳۹۶
- مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمانهای بتن آرمه) ویرایش ۱۳۹۹














