بخشی از مقاله
سنگدانه ها
برای تعیین دانه‌بندی مناسب در ابتدا لازم است تا موارد ذیل بخوبی شناخته شوند:
الف- سطح مخصوص دانه‌ها: آنچنانکه پیشتر نیز ذکر شد، هر چه مقدار سنگدانه بیشتر باشد (یا به عبارت دیگر مقدار سیمان مصرفی در بتن کمتر شود)، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر است. اما از طرف دیگر در مخلوط بتن دوغاب سیمان باید به اندازه‌ای موجود باشد که بتواند سطح دانه‌ها را بپوشاند.
پس اگر سطح دانه‌ها کمتر شود، میزان سیمان مورد نیاز و آب مصرفی نیز کمتر خواهد بود. اما کم کردن سطح مخصوص (نسبت سطح یه حجم) به منظور کم کردن مصرف آب و سیمان، مستلزم تغییر شکل دانه‌ها و استفاده از ذرات درشت‌تر می‌باشد.
ب- حجم نسبی دانه‌ها: اگر چه افزایش حجم سنگدانه مصرفی در بتن مقرون به صرفه تر است، اما در صورت ایجاد بتنی با حداکثر حجم ذرات ممکن (و کمترین میزان سیمان لازم برای پر کردن بین ذرات) عملاً ترکیبی با کارآیی کم تولید شده است. بنابراین درصورتیکه سیمان بیش از حداقل مقدار لازم برای تر کردن دانه‌ها باشد، موجب افزایش کارایی بتن خواهد شد.
ج- تمایل به جدایی در دانه‌ها: اگر چه برای پر کردن فضای خالی بین ذرات درشت وجود ذرات ریزتر لازم است، اما نگهداری این ذرات در این فضاهای خالی کاری مشکل است که توسط سیمان ((ماده چسباننده) صورت می‌پذیرد.
د- میزان درصد ریزدانه‌ها: دیگر عامل مهم و اثرگذار بر عملکرد بتن وجود مصالح ریزتر از 300 میکرون است. این مصالح می‌توانند شامل سنگدانه‌ها، سیمان و دیگر پرکننده‌های مصرفی باشند.
يكي ديگر از عوامل مؤثر در دوام لوله‌هاي بتني خصوصيات سنگدانه‌ها است و بطور كلي استفاده از سنگدانه‌هاي با دوام و سالم كه بطور مناسبي انتخاب، آزمايش و كنترل كيفيت شده‌‌اند بايد بعنوان يك اصل مهم در دستور كار توليد بتن مورد مصرف در ساخت لوله قرار گيرد.سختي مخصوص (Specific hardness) يا مقاومت سايشي دانه‌ها از موارد مورد توجه در مطالعات مربوط به دوام مي‌باشند و بطور كلي با استفاده از دانه‌هاي سخت‌تر مي توان بتني با مقاومت سايشي بيشتر و در نتيجه دوام بالاتر توليد كرد.
از نكات مهم ديگر براي استفاده از سنگدانه‌ها، مقاومت سنگدانه‌ها در برابر حملات اسيدي مي‌باشد. سنگدانه‌هاي سيليسي مانند گرانيت، كوارتزيت در برابر حمله اسيدها مقاوم هستند، اما سنگدانه‌هاي كربناتي مانند سنگ آهك و دولوميت در بسياري موارد با اسيدها واكنش نشان مي‌دهند.نتايج حاصله از انجام بعضي تحقیقات كاربردي نشان داده شده است كه در شرايطي كه تهاجم ناشي از فاضلاب چندان شديد نباشد، حتي استفاده از سنگدانه‌هاي كربناتي ممكن است پايداري در برابر تهاجم را افزايش دهد. زيرا در اين شرايط اسيدهاي فاضلاب بطور يكنواخت به تمام سطح بتن حمله مي‌كنند و در اين صورت جداشدگي دانه‌ها به علت انحلال خمير سيمان اتفاق نمي‌افتد.
از سوي ديگر، تحقيقات نشان مي‌دهد كه هر چه نسبت سنگدانه به سيمان در بتن بيشتر باشد، مقاومت بتن در برابر اسيد افزايش مي‌يابد، چرا كه در حجم ثابتي از بتن با افزايش مقدار سنگدانه حجم كمتري براي خمير سيمان كه آسيب‌پذيرترين جزء بتن است، باقي مي‌ماند.
سنگ دانه های طبیعی
سنگ دانه هایی که در بتن به کار می روند مواد معدنی ای هستند که کم و بیش خنثی ( بدون میل ترکیبی )، و دان دان می باشند و معمولاً از گروه سنگ ها و یا شبه سنگ ها هستند.نمونه هایی از آنها ماسه، شن، سنگ شکسته و روباره خرد شده می باشند. مصرف سنگ دانه در بتن از دو جنبه حایز اهمیت است.
یکی از نقطه نظر فنی و دیگری از جنبه اقتصادی، در هر دو جنبه مصرف کمتر سیمان مد نظر است.سنگ دانه ها را می توان به طرق مختلف گروه بندی نمود: از نظر طبیعی و یا مصنوعی بودن، از نقطه نظر سنگ شناسی، از نقطه نظر وزن مخصوص، از نظر اینکه آیا طبیعتاً خرد می باشند یا مصنوعاً خرد شده اند، آیا خنثی هستند و یا دارای میل ترکیبی می باشند و بالاخره از نقطه نظر اندازه و ابعاد ذرات متشکله. دسته بندی از جنبه اندازه و ابعاد دارای بیشترین کاربرد می باشد و از این نقطه نظر سنگ دانه ها به دانه های ریز و دانه های درشت تقسیم می شوند. در کشورهای مختلف مرز بین ریز و درشت متفاوت است و در
کشورهای نیم کره غربی الک نمره ۴ ( معادل ۷۵ر۴ میلیمتر یا سه شانزدهم اینچ ) مشخص کننده مزر بین این دو گروه سنگ دانه می باشد.
خواص سنگ دانه ها با انجام آزمایشات مناسب تعیین می گردد. اهمیت نمونه گیری صحیح همتراز انجام آزمایش صحیح و مناسب می باشد. نمونه گیری از سنگ دانه ممکن است در مقاطع مختلف تهیه و کاربرد آنها صورت گیرد. معمولاً دانه بندی سنگ دانه درشت دارای بیشترین تاثیر روی خواص عمومی سنگ دانه
می باشد. به عنوان یک قائده، برآورد دقیق دانه بندی واقعی سنگ دانه از طریق تعدد نمونه گیری با مقادیر کم مثلاً با خاک انداز ( کمچه ) بهتر است، تا با نمونه گیری مقادیر زیاد بوسیله بیل و امثالهم. تعداد نمونه های مورد نیاز بستگی به نامشخص بودن و نوسان دانه بندی و تنوع خواص مورد آزمایش دارد. عملاً مقدار نمونه کارگاهی باید مقدار بیشتری باشد .در بتن فشرده فضای خالی بین سنگ دانه ها بوسیله ملات سیمان پر می شود و توسط این خمیر به یکدیگر می
چسبند. بدینوسیله تار و پودی متشکل از ملات سخت شده سیمان و دانه های سنگ پدید می آید .سنگ دانه ها حدود سه چهارم حجم بتن را شامل می شوند و از نقطه نظر کیفی بیشترین تاثیر را روی کیفیت بتن دارند. کاربرد سنگ دانه در بتن به این خاطر است که به مقدار قابل توجهی نیاز به ملات سیمان در مخلوط بتن را کاهش می دهد و در نتیجه خزش و چروک شدن بتن را کم نموده و از جنبه اقتصادی بهای تمام شده را پایین می آورد.
گروه بندی سنگ دانه ها:
سنگ دانه ها به طرق مختلفه زیر گروه بندی می شوند. باید توجه داشت که برخی گروه بندی ها دارای وجه اشتراک می باشند.ممکن است تفاوت در طبیعی بودن یا مصنوعی ( ساخته شده ) بودن سنگ دانه باشد. در حین تولید سنگ دانه طبیعی و انجام اعمالی نظیر خرد کردن، شستن، سرند کردن و امثالهم، اینگونه ذرات تغییر ماهیت نمی دهند. غالباً سنگ دانه های مصنوعی، محصول فرعی یا ضایعات برخی فرایندهای حرارتی روی مواد معدنی طبیعی می باشند . از جمله این نوع سنگ دانه ها می توان از روباره خرد شده نام برد.غالباً، در ساخت بتن از شن و ماسه طبیعی به دلیل در دسترس بودن و اقتصادی بودنش
استفاده می شود. معذالک باید توجه داشت که ذخایر شن و ماسه غالباً دارای نوسان شدید در کیفیت، خصوصاً از نقطه نظر دانه بندی می باشند. بنابر این برای بدست آوردن سنگ دانه های دارای کیفیت یکنواخت از ذخایر طبیعی، انجام کارهای شستشو، سرند کردن و دانه بندی آنها قبل از مصرف توصیه می گردد.نوع دیگری از سنگ دانه های طبیعی که به مقیاس وسیعی مورد مصرف دارد، سنگ شکسته است که از خرد کردن سنگ های استخراج شده از معادن
سنگ حاصل می شود. سنگ شکسته به دنبال انجام یک سری اعمال در معدن سنگ نظیر چال زدن، آتشکاری و سپس خرد کردن تخته سنگها در سنگ شکن تا ابعاد مورد نیاز، دانه بندی سنگهای خرد شده بوسیله دستگاه دانه بندی بدست می آید.
شاید معروفترین نوع سنگ دانه مصنوعی روباره خرد شده است. از اواخر قرن گذشته روباره خرد شده به عنوان سنگ دانه مصرفی در ساختن بتن مورد استفاده قرار گرفت. البته به دلیل خواص انبساطی و معیوب بودن برخی انواع روباره ها، از هر نوع روباره ای برای ساخت بتن نمی توان استفاده کرد. در ضمن ذوب کردن سنگ آهن در کوره ذوب آهن کف روی مذاب پس از سرد شدن به صورت سنگ نسبتاً یکپارچه و یا دانه های ریزی در می آید که بدان روباره می گویند.
گروه دیگر از سنگ دانه های ساخته شده یا مصنوعی شامل سنگ دانه های سبک می باشد. این سنگ دانه ها، بدلیل رشد مصرف بتن سبک محبوبیت خاصی پیدا کرده اند. از جمله این سنگ دانه های سبک می توان از روباره و ترکیبات منبسط شده نظیر پرلیت ها ، اسلیت ها، رس ها و شیل ها نام برد. نمونه ای از سنگ دانه های مصنوعی که از جمله ضایعات می باشند می توان خرده آجر و بتن خرد شده را ذکر کرد. بعنوان یک قاعده سنگ دانه های مصنوعی در مقایسه با سنگ دانه های طبیعی دارای کیفیت یکنواختی می باشند.نوع دیگر گروه بندی سنگ دانه ها، از نقطه نظر سنگ شناسی ذرات متشکله آنها می
باشد. بیشتر انواع مهم و عادی سنگ دانه های معدنی متشکل از مینرالهای سیلیس، فلداسپار، مینرالهای فرومنیزیم، مینرالهای میکا، کانی های رسی، زئولیتها، کانی های کربنات، کانی های سولفات، کانی های سولفیدآهن و کانی های اکسیدآهن می باشند در ASTM-C۲۹۴-۶۹ این کانی ها همراه با انواع سنگ ها شرح داده شده اند. سنگ دانه های ویژه، نظیر سنگ دانه های سنگین وزن ممکن است حاوی ترکیبات دیگری نیز باشند (ASTM-C۶۳۸-۷۳) .
با توجه به مبدا پیدایش سنگها، سه گروه اصلی وجود دارد: آذرین، رسوبی و دگرگونی.
سنگهای آذرین در اثر سرد شدن مواد مذاب خروجی از دهانه آتشفشان بوجود می آیند ( گرانیت، بازالت، دیابیس، گابرو، آندزیت، پومیس، و غیره ). سنگ های رسوبی شامل سنگهای آهکی که از رسوب کردن محلول کربنات کلسیم ( سنگ آهک ) حاصل می شود و یا با یکپارچه شدن اجزاء و قطعات سنگهای قدیمی که بوسیله آب، یخ ویا سنگینی جابجا شده اند و سپس ته نشین گردیده اند ( نظیر ماسه سنگ، شیل، کنگلومرا و غیره ) می باشند. سنگهای دگرگونی ممکن
است از سنگهای آذرین یا رسوبی باشند که در اثر فشار یا حرارت یا هر دو دگرگون شده اند ( نظیر اسلیت، مرمر، کوارتزیت و غیره ) . معمولاً سنگهای آذرین متشکل از دانه های ریزی هستند که بخوبی درهم رفته اند و یکپارچه شده اند و حاوی درصد کمی فلداسپار می باشند و دارای بهترین خواص جهت ساخت بتن هستند. در میان سنگهای رسوبی، سنگ آهکهای قطور و سخت بهترین نوع هستند. سنگهای دگرگونی حاصله در اعماق زیاد نیز دارای خواص عالی از نقطه نظر ساخت بتن می باشند.بهر صورت، درجه تغییرات در خواص و ترکیب گروه ها و زیر گروه های مختلف سنگها نا محدود است. یک نوع سنگ خاص ممکن است
فشرده یا متخلخل، قوی یا ضعیف، سخت یا نرم، تخریب شده یا تغییر نیافته، ماندگار یا معیوب، دانه ریز یا دانه درشت باشد. این بدان معنا است که نوع سنگ به تنهایی نمی تواند تعیین کننده این باشد که از جنبه کیفی مناسب برای تهیه سنگ دانه هست یا نه.معمولاً ترکیب مینرالوژی و پتروگرافی ماسه ها و شن های ته نشست شده بوسیله جریان آب، بدلیل اینکه سر منشاء و سنگهای ما در آنها متفاوت و گوناگون بوده است، بسیار متغیر می باشند. موادی که بوسیله باد جابجا شده اند عموماً متشکل از ذرات ماسه با دانه بندی محدود هستند و غالباً از جنس کوارتز می باشند.
روباره کوره بلند اساساً متشکل از سیلیکت ها و آلومینوسیلیکات های آهک هستند و ترکیب آنها برای کوره های مختلف متفاوت می باشد.این بدان معنی است که ترکیب روباره ها با سنگ ها متفاوت است ولی از جنبه خواص فیزیکی با برخی سنگ های آذرین مشابه هستند. روباره های شیشه ای شده شکننده تر و سخت تر از روباره های کریستاله می باشند. در اغلب موارد تعیین هویت سنگ ها و مینرال ها بوسیله یک بلور شناس و سنگ شناس ماهر امکان پذیر
است. آزمایشات لازم برای این کار در کتب مربوطه و ASTM C۲۹۵ ذکر شده است. همچنین می توان سنگ دانه ها را بر اساس وزن مخصوص حجمی دسته بندی کرد. وزن نرمال سنگ دانه های مصرفی در تهیه بتن در حدود ۶ر۲ است. سنگ دانه های دارای وزن مخصوص کمتر از ۴ر۲ را سبک و بالاتر از ۸ر۲ را سنگین می گویند. وزن واحد حجم بتن و کنترل آن متاثر از وزن مخصوص سنگ دانه است.یک راه تشخیص اینکه سنگ دانه موجود از طریق خرد کردن بوجود آمده یا
حاصل فرآیندهای طبیعی نظیر هوازدگی و فرسایش است، اینست که سنگ دانه های حاصل از خرد شدن سنگ های مادر بوسیله دستگاه، خشن و دارای لبه های زاویه دار می باشند.اکثریت سنگ دانه ها در داخل بتن خنثی (Inert) و غیر فعال (Inactive)هستند، بدین معنی که با خمیر سخت شده ایجاد اتصال می نمایند ولی نقشی در فرآیند و نحوه گیرش و سخت شدن و یا انبساط بتن ندارند. البته سنگ دانه های فعال (Reactive) هم وجود دارند که با خمیر سیمان ایجاد
واکنش های قابل توجهی می کنند. اینگونه واکنش ها می توانند همانند واکنش کوارتز در تولید قطعات بتنی در اتوکلاو، مفید باشند و یا همانند واکنش های قلیائی - سنگ دانه مضر باشند.شاید رایج ترین دسته بندی سنگ دانه ها، مبتنی بر دانه بندی آنها باشد: سنگ دانه متشکل از دانه های درشت موسوم به درشت دانه (Coarse Aggregate) و سنگ دانه های متشکل از ذرات ریز موسوم به ریزدانه
(Fine Aggregate) هستند. مرز بین این دو در کشورهای مختلف متفاوت است. بر اساس ASTM۱۲۵-۶۸ این مرز الک شماره ۴ (۷۵ ر ۴ میلیمتر ) است. سنگ دانه هائی که از این الک عبور می کنند ریزدانه و سنگ دانه های باقیمانده روی الک درشت دانه هستند. سنگ دانه هائی که از الک شماره ۱۶ ( ۱۸ ر ۱ میلیمتر ) عبور می نمایند موسوم به ماسه نرم (fine sand) هستند. ذراتی که از الک شماره ۲۰۰ ( ۰۷۵ ر ۰ میلیمتر ) عبور می کنند، سیلت (Silt) و آنهائیکه
کوچکتر از ۲ میکرون هستند رس (Clay) نامیده می شوند. سنگ دانه هائی که متشکل از ذرات ریز و درشت هستند، مخلوط (Combined) نام دارند.اندازه و دانه بندی، دانه های سنگ بستگی به کیفیت بتن مورد نیاز و کاربرد بتن دارد. اصولاً دانه های زبر برای ساختن استخوان بندی بتن بکار می روند و معمولاً برای بالاتر بردن وزن مخصوص مخلوط حاصله، مخلوطی از دانه های زبر با ابعاد مختلف ( دو نوع یا بیشتر ) بکار برده می شوند. مهمترین خاصیت کاربردی دانه های ریز (
نرم )، کمک به یکنواخت تر شدن مخلوط بتن و کارپذیری بیشتر آنست. همچنین دانه های نرم به معلق بودن دانه های زبر کمک میکنند. این خاصیت، باعث افزایش خاصیت شکل پذیری بتن و همچنین مانع جدا شدن ذرات درشت از خمیر سیمان می گردد. این خاصیت وقتی مهمتر است که ضرورت جابجائی و حمل بتن به نقاط دورتر مطرح باشد.
ماسه، به مقدار زیادی تعیین کننده کارائی ( کارپذیری ) بتن است. همچنین مقدار و دانه بندی ریزدانه ها باعث میگردند که بتن بسادگی در قالبها ریخته شود. از عوامل موثر دیگر روی سهولت کار بتن ریزی، اندازه، شکل و همچنین مشخصات سطوح دانه های نرم است. عموماً ذرات لبه تیز و تخت، بتن زبرتری بوجود می آورند. در این نوع بتن ها مقدار بیشتری آب لازم است تا بتوان آنرا در قالبها ریخت و پرداخت نهائی نمود. بعکس، در ساختن بتن با سنگ گرد گوشه به کار
کمتر، آب کمتر و ماسه کمتر نیاز است.تاب بتن با سنگ شکسته بیشتر است، زیرا که دوغاب سیمان به سطوح و لبه های تیزدانه ها بهتر می چسبد. بمنظور متراکم تر شدن استخوان بندی بتن از چند گروه دانه های سنگ ( شن و ماسه ) استفاده می شود سنگهای دانه ریزی که در ساخت بتن مصرف می شوند، نمی بایستی آنقدر ریز باشند که جای ذرات سیمان را بگیرند. معمولاً نباید ماسه ریزتر از ۲ ر ۰ میلیمتر، مصرف شود و مقدار آن در بتن نباید از ۱ درصد وزن سنگ دانه بیشتر باشد.
از آنجائیکه بیش از ۷۵ درصد وزن بتن را سنگ دانه تشکیل می دهد، لذا سنگ دانه مصرفی باید تا حد امکان خواص مورد انتظار از بتن را دارا باشد. از جمله این خواص: وزن مخصوص، مقاومت، نسبت برجهندگی، خزش، ضریب انبساط حرارتی، ثبات حجم، مقاومت در مقابل آتش، مقاومت در مقابل سایش و پاره شدن هستند.همچنین، بایستی سنگ دانه تمیز باشد و عاری از ترکیبات آلوده کننده ای نظیر: خاک رس، لجن، ذغال سنگ، ذرات میکا، موادآلی، املاح شیمیائی و
پوشش سطحی باشد. وجود اینگونه مواد آلوده کننده در سنگ دانه باعث عدم ثبات حجم و معیوب بودن بتن می گردند. مضافاً اینکه باعث افزایش نسبت آب، بمنظور رسیدن به کارپذیری مطلوب می شوند. وجود نمک های شیمیائی و پوششهای سطحی ممکن است اثرات سوء دیگری را، بخاطر ترکیب آنها با سیمان و جلوگیری از هیدراته شدن سیمان، نیز بوجود آورند. لجن، خاک رس، گرد و غبار و مواد آلی را می توان با شستن، از دانه های سنگ جدا کرد.
برخی سنگها و کانیها، با قلیائیهای آزاد شده به هنگام گیرش سیمان، ترکیب می شوند. متعاقب این ترکیب شدن، انبساط و گسیختگی دربندها پدیدار می گردد. بررسیهای انجام شده روی سنگهای مختلف نشان داده است که تمام مینرالهای سیلیکاتی و سیلیسی با قلیائی سیمان ترکیب میشوند. ولی در مورد اغلب آنها میزان تاثیر روی خواص بتن قابل اهمیت نیست.
