عوامل موثر بر چگالی بتن

وزن مخصوص بتن چیست؟
وزن مخصوص یا چگالی بتن نسبت جرم به حجم آن است. چگالی بتن معمولی یا بتن C25 حدود 2400 کیلوگرم بر متر مکعب است. البته این مقدار به عوامل متعددی بستگی دارد و برای بتن های دیگر متفاوت است.

چگالی بتن چقدر است؟
چگالی بتن، کمیت ثابتی نیست و با توجه به عوامل مختلف، مقادیر متفاوتی دارد. جدول زیر، محدوده تقریبی چگالی بتن های مختلف را نمایش می دهد.

بتن چگالی (کیلوگرم بر متر مکعب):

• معمولی 2200 تا 2500.
• مسلح 2400 تا 2500.
• بتن الیافی (پلیمر و کربن) 1400 تا 1600.
• بتن الیافی (فولاد) 2300 تا 2400.
• بتن سبک کمتر از 2000.
• فوم بتن 300 تا 1800.
• بتن اتوکلاو 400 تا 800.
• بتن سنگین 3000 تا 4000.
• بتن غلتکی 2400 تا 2500.
• شاتکریت 500 تا 3500.
• بتن خود متراکم 1600 تا 2400.
• بتن پلیمری 1600 تا 2200.
• بتن آماده 2000 تا 2600.
• بتن نفوذپذیر 1600 تا 2000.
• بتن استامپی 3100.
• بتن آسفالتی 2200.
• بتن شیشه ای 2600.
• بتن پیش تنیده و پیش ساخته 1200 تا 2200.
• بتن پیش آکنده 1800 تا 1900.

جدول بالا، یک دید کلی از محدوده چگالی بتن های مختلف و تفاوت بین آن ها را فراهم می کند. در بخش بعدی، عوامل موثر بر چگالی و در واقع منشا این تفاوت ها را مورد بررسی قرار می دهیم.

عوامل موثر بر چگالی بتن چه هستند؟
چگالی، از ویژگی های فیزیکی مهم بتن است که به عوامل متعددی نظیر نوع مواد تشکیل دهنده، طرح اختلاط (نسبت مواد، توزیع دانه بندی)، تراکم، تخلخل، رطوبت و روش عمل آوری بستگی دارد. در ادامه به معرفی هر یک از این عوامل می پردازیم.

تأثیر مواد تشکیل دهنده بر چگالی بتن:
بتن از سه جز اصلی آب (چگالی 997 کیلوگرم بر متر مکعب)، سیمان پرتلند (چگالی 2800 کیلوگرم بر متر مکعب) و سنگدانه (چگالی 1200 تا 1750 کیلوگرم بر متر مکعب) تشکیل می شود. علاوه بر این موارد، احتمال استفاده از مواد زیر در ترکیب بتن نیز وجود دارد:

• خاکستر بادی: با چگالی 540 تا 860 کیلوگرم بر متر مکعب.
• سیلیکا فیوم: با چگالی 200 تا 600 کیلوگرم بر متر مکعب.
• سرباره: با چگالی 2800 تا 3100 کیلوگرم بر متر مکعب.
• متاکائولین: با چگالی 900 تا 1000 کیلوگرم بر متر مکعب.
• افزودنی ها: با چگالی حدود 1200 کیلوگرم بر متر مکعب.

همان طور که مشاهده می کنید، بتن می تواند از مواد مختلف با چگالی های متفاوت تشکیل شود. حضور هر یک از این مواد، چگالی بتن را به میزان کم یا زیاد تغییر می دهد.

به طور کلی، آب، مواد سیمانی و سنگدانه ها به طور مستقیم بر روی وزن مخصوص بتن تأثیر می گذارند. در صورتی که نسبت آن ها و مشخصات هر یک، چگالی بتن را به طور غیر مستقیم تحت تأثیر قرار می دهند.

تأثیر تخلخل بر چگالی بتن:
تخلخل، میزان فضای توخالی درون یک ماده را نمایش می دهد. بتن یک ماده متخلخل است و از حدود 6 درصد هوا تشکیل می شود.

میزان هوای درون مخلوط بتن تازه معمولا از پارامترهای طرح اختلاط به شمار نمی رود اما با روش های مختلف تراکم یا افزودنی ها قابل کنترل است. به دلیل چگالی بسیار پایین هوا (1.225 کیلوگرم بر متر مکعب)، افزایش آن در ترکیب بتن باعث کاهش چگالی بتن خواهد شد.

تراکم بتن:
تراکم، یکی از مراحل بتن ریزی است که باعث خروج حباب های هوا از درون ترکیب بتن تازه و نزدیک شدن سنگدانه ها می شود.

اجرای صحیح این فرآیند، چگالی بتن را افزایش می دهد. در صورت ثابت بودن مواد اولیه و نسبت آن ها، تراکم بهترین روش برای افزایش چگالی است. تراکم در اکثر بتن ها توسط ویبراتور و در بتن غلتکی توسط غلتک راه سازی انجام می شود.

تأثیر طرح اختلاط بر چگالی بتن:
طرح اختلاط بتن های مختلف با یکدیگر متفاوت است. در برخی از موارد ممکن است نسبت مواد سیمانی به سنگدانه ها و آب یکسان باشد اما نوع مواد سیمانی مورد استفاده به احتمال زیاد یکسان نخواهد بود. بتن معمولی از 11 درصد سیمان، 16 درصد آب، 67 درصد سنگدانه و 6 درصد هوا تشکیل می شود.

تأثیر توزیع دانه بندی سنگدانه بر چگالی بتن:
شاید اینگونه به نظر برسد که به دلیل درصد بالای سنگدانه ها در ترکیب بتن، این مواد تعیین کننده اصلی چگالی بتن هستند.

با توجه تأثیر نزدیکی ذرات و تخلخل، چفت شدگی سنگدانه ها نیز از اهمیت بالایی در کنترل وزن مخصوص بتن خواهد داشت. چفت شدگی به خصوصیات فیزیکی سنگدانه ها نظیر ابعاد، شکل و توزیع دانه بندی بستگی دارد.

ترکیب بتن معمولی دارای 26 درصد سنگدانه ریز و 41 درصد سنگدانه درشت است. هر چه توزیع دانه بندی سنگدانه ها بهتر باشد، ذرات ریز فضای خالی بین ذرات درشت را بهتر پر می کنند. به علاوه، هر چه شکل ذرات سنگدانه گردتر باشد، فضاهای خالی بهتر پر می شود. به این ترتیب، چگالی بتن افزایش می یابد.

تأثیر نسبت آب به سیمان بر چگالی بتن:
«نسبت آب به سیمان» (Water-Cement Ratio) یا W/C، از تقسیم وزن آب (چگالی آب ضرب در نسبت آب) بر وزن سیمان (چگالی سیمان ضرب در نسبت سیمان) در ترکیب بتن به دست می آید. این کمیت برای بتن معمولی برابر 0.4 تا 0.6 است. با افزایش W/C، چگالی بتن کاهش می یابد. در واقع، افزایش محتوای آب، تراکم پذیری بتن را کاهش می دهد.

توجه داشته باشید که برای ارزیابی تأثیر نسبت آب سیمان بر روی چگالی باید میزان سنگدانه، مواد مکمل سیمانی و افزودنی ها را ثابت در نظر گرفت.

در غیر اینصورت، نسبت های آب به سیمان برابر می توانند چگالی های متفاوتی را برای بتن به همراه داشته باشند. به عنوان مثال، چگالی بتنی با 150 کیلوگرم بر متر مکعب آب و 300 کیلوگرم بر متر مکعب سیمان (W/C=0.5) کمتر از چگالی بتنی با 200 کیلوگرم بر متر مکعب آب و 400 کیلوگرم بر متر مکعب سیمان (W/C=0.5) است.

تأثیر رطوبت بر چگالی بتن:
رطوبت با افزایش W/C و فاصله بین سنگدانه ها، تراکم را کاهش می دهد. از این رو، هر چه رطوبت ناخواسته در ترکیب بتن بیشتر شود، چگالی آن کمتر خواهد شد.

تأثیر عمل آوری بر چگالی بتن:
کیورینگ یا عمل آوری، فرآیندی برای کنترل رطوبت و دمای هیدراتاسیون به منظور دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر است.

روش های مختلفی مانند روش های آب رسانی و عایقی برای اجرای عمل آوری وجود دارند. این روش ها بر اساس نوع بتن و شرایط محیطی انتخاب می شوند. در صورت عدم انتخاب صحیح روش عمل آوری، چگالی بتن به میزان مورد نظر نمی رسد.

تأثیر ضریب انبساط حرارتی بر چگالی بتن:
انبساط حرارتی باعث تغییر فاصله بین ذرات می شود. این مسئله حجم ماده را تغییر می دهد اما تأثیر چندانی بر روی جرم آن ندارد.

به ترتیب وزن مخصوص بتن کاهش می باید. ضریب انبساط حرارتی بتن حدود 6-10*10 بر درجه سانتی گراد (بین 6-10*7 تا 6-10*12 بر سانتی گراد) است.

اگر یک دال بتنی 30 متری در معرض تغییر دمای 38 درجه ای (تغییرات دمای تقریبی زمستان تا تابستان) قرار گیرد، طول آن حدود 1.5 تا 1.8 سانتی متر تغییر می کند.