نمودار دانه‌بندی شن و ماسه در بتن

دانه‌بندی یعنی چه؟

دو انبارِ شن که هر دو «شنِ ۲۵ میلی‌متری» نامیده می‌شوند می‌توانند رفتارِ کاملاً متفاوتی در بتن داشته باشند: یکی طیفِ پیوسته‌ای از درشت تا ریز دارد (دانه‌هایِ متوسط حفره‌هایِ بینِ دانه‌هایِ درشت را پر می‌کنند)، دیگری تقریباً فقط دانه‌هایِ نزدیک به ۲۵ میلی‌متر دارد (دانه‌بندیِ گپ‌دار یا ناپیوسته، Gap-Graded). هر دو ممکن است در آزمونِ «حداکثر اندازهٔ دانه» عددِ یکسانی بدهند، اما انبارِ دوم حفره‌هایِ بزرگ‌تری باقی می‌گذارد که باید با خمیرِ سیمانِ بیشتری پر شود. به همین دلیل دانه‌بندی همیشه به‌صورتِ منحنیِ کامل گزارش می‌شود، نه یک عددِ تنها.

این منحنی از آزمونِ الک (ASTM C136) به دست می‌آید: سنگدانه از میانِ مجموعه‌ای از الک‌هایِ استاندارد (از درشت به ریز) عبور داده می‌شود، وزنِ باقیمانده روی هر الک اندازه‌گیری می‌شود، و درصدِ تجمعیِ عبوری از هر الک محاسبه می‌شود.^[1] جزئیاتِ این روشِ آزمون در صفحهٔ آزمون‌های شن و ماسه چیست؟ آمده است.

محدودهٔ مجازِ دانه‌بندیِ ماسه (سنگدانهٔ ریز) طبقِ ASTM C33

مرجعِ رایجِ بین‌المللی برایِ تعیینِ محدودهٔ مجازِ دانه‌بندیِ سنگدانهٔ بتن، استاندارد ASTM C33 / C33M — Standard Specification for Concrete Aggregates است.^[2] این استاندارد در جدولِ دانه‌بندیِ سنگدانهٔ ریز (Table 1)، حداقل و حداکثرِ درصدِ عبوریِ مجاز از هر الک را به این شرح تعیین می‌کند:

علاوه بر این جدول، ASTM C33 دو شرطِ تکمیلی برایِ یکنواختیِ دانه‌بندی تعیین می‌کند: – سنگدانهٔ ریز نباید بیش از ۴۵ درصد از یک الک عبور کند و رویِ الکِ بعدیِ متوالی باقی بماند (یعنی نباید پرش ناگهانی بینِ دو الکِ متوالی وجود داشته باشد). – مدولِ نرمی (Fineness Modulus) — عددی که از جمعِ درصدهایِ تجمعیِ باقی‌مانده روی الک‌هایِ ۴.۷۵، ۲.۳۶، ۱.۱۸ میلی‌متر و ۶۰۰، ۳۰۰، ۱۵۰ میکرون و تقسیم بر ۱۰۰ به دست می‌آید — باید بینِ ۲.۳ تا ۳.۱ باشد.^[2] این عدد شاخصِ کلیِ «ریزی یا درشتیِ» کلیِ ماسه است: هرچه بزرگ‌تر، ماسه در مجموع درشت‌تر است.

محدودهٔ مجازِ دانه‌بندیِ شن (سنگدانهٔ درشت)

برخلافِ ماسه که یک جدولِ دانه‌بندیِ واحد دارد، ASTM C33 برایِ سنگدانهٔ درشت ۱۳ اندازهٔ اسمیِ متفاوت (Size Number) تعریف می‌کند — از دانه‌هایِ درشتِ ۹۰ میلی‌متری تا ریزِ ۱ میلی‌متری — چون کاربردهایِ مختلف (بتنِ حجیم، بتنِ سازه‌ای معمولی، بتنِ روسازیِ نازک) به حداکثرِ اندازهٔ دانهٔ متفاوتی نیاز دارند. رایج‌ترین اندازهٔ اسمی برایِ بتنِ سازه‌ایِ معمولی، Size Number ۵۷ (اندازهٔ اسمیِ ۲۵ تا ۴.۷۵ میلی‌متر، معادلِ ۱ اینچ تا الکِ شمارهٔ ۴) است که در جدولِ دانه‌بندیِ سنگدانهٔ درشتِ استاندارد (که با شمارهٔ اندازهٔ یکسان، هم در ASTM C33 و هم در استانداردِ نزدیکِ AASHTO M43 آورده شده) این‌گونه تعریف می‌شود:^[3]

این جدول مستقیماً از متنِ رسمیِ Table 2 استانداردِ ASTM C33-03 استخراج و با دو منبعِ مستقلِ ثانویه (مبتنی بر AASHTO M43، استانداردی هم‌راستا با ASTM C33) مقایسه شده و اعداد کاملاً هم‌خوان بودند.^[3] پروژه‌هایی که به اندازه‌هایِ اسمیِ دیگر (مثلِ ۴۶۷ یا ۶۷) نیاز دارند، باید شمارهٔ اندازهٔ دقیقِ خود را از جدولِ کاملِ ۱۶‌ردیفیِ Table 2 استعلام کنند.

استانداردِ ملیِ ایران

مرجعِ اصلیِ کنترلِ کیفیتِ دانه‌بندیِ سنگدانهٔ بتن در ایران، استانداردِ ملیِ ایران (ISIRI/INSO) شمارهٔ ۳۰۲ — سنگدانه‌هایِ بتن: ویژگی‌ها است؛ سندی که نخستین‌بار در سالِ ۱۳۴۵ تدوین شد و آخرین تجدیدنظرِ آن (تجدیدنظرِ چهارم) در سالِ ۱۳۹۹ ابلاغ شده است.^[4] این استاندارد در متنِ خود صراحتاً به ASTM C33/C33M ویرایشِ ۲۰۱۳ به‌عنوانِ یکی از مراجعِ فنیِ تدوینِ خود ارجاع می‌دهد، و همین موضوع در جدولِ دانه‌بندیِ سنگدانهٔ ریز آن هم دیده می‌شود: استانداردِ ۳۰۲ برایِ ماسه دو منحنیِ دانه‌بندیِ مجاز تعریف می‌کند — «دانه‌بندیِ ۱» که تقریباً عیناً با جدولِ ASTM C33 یکی است، و «دانه‌بندیِ ۲» که محدودهٔ کمی وسیع‌ترِ اختصاصیِ ایرانی است:

بازهٔ مدولِ نرمیِ ماسه در متنِ استانداردِ ۳۰۲ نیز اعدادِ ۲.۳ و ۳.۱ را دربردارد — هم‌راستا با بازهٔ ASTM C33.^[5] برایِ سنگدانهٔ درشت (شن)، استانداردِ ۳۰۲ جدولی با همان ساختار و همان شماره‌بندیِ اندازه‌هایِ اسمی (۱، ۲، ۳، ۳۵۷، ۴، ۴۶۷، ۵، ۵۶، ۵۷، ۶، ۶۷، ۷، ۸) دارد که مطابقِ Table 2 ASTM C33 است؛ با این‌حال، به‌دلیلِ کیفیتِ استخراجِ متنِ این جدولِ خاص از نسخهٔ فارسیِ در دسترس، اعدادِ آن به‌صورتِ ردیف‌به‌ردیف در این صفحه بازتولید نشده — فقط تطابقِ ساختاری با جدولِ ASTM بالا با اطمینان تأیید می‌شود. مبحثِ نهمِ مقرراتِ ملیِ ساختمان نیز در فصلِ موادِ تشکیل‌دهندهٔ بتن به همین ضوابط اشاره می‌کند و سندِ اجراییِ مکملِ ۳۰۲ محسوب می‌شود.

یادداشتِ شفافیت: اعدادِ جدولِ بالا مستقیماً از استخراجِ متنیِ نسخهٔ رسمیِ PDF استانداردِ ۳۰۲ (تجدیدنظرِ سوم) به دست آمده، اما به‌دلیلِ کدگذاریِ فونتِ فارسیِ آن سند، متنِ توضیحیِ اطرافِ اعداد (نه خودِ اعداد) به‌طورِ کامل قابلِ بازسازی نبود. پیش از استنادِ رسمی یا قراردادی، تأییدِ نهاییِ این اعداد از نسخهٔ چاپیِ رسمی یا سامانهٔ سازمانِ ملیِ استانداردِ ایران (inso.gov.ir) توصیه می‌شود.

اگر دانه‌بندی نامناسب باشد چه اتفاقی می‌افتد؟

منحنیِ دانه‌بندی وقتی از محدودهٔ استاندارد خارج می‌شود، دو حالتِ اصلی دارد — و هرکدام مشکلاتِ متفاوتی برایِ بتن ایجاد می‌کند:

دانه‌بندیِ خیلی ریز (مدولِ نرمیِ پایین‌تر از ۲.۳)

وقتی ماسه بیش‌ازحد ریز باشد (سطحِ کلِ دانه‌ها نسبت به حجم بالا می‌رود)، بتن به آبِ اختلاطِ بیشتری برایِ پوشاندنِ همان سطح نیاز پیدا می‌کند. اگر مقدارِ سیمان ثابت بماند، این یعنی نسبتِ آب‌به‌سیمان بالا می‌رود — و طبقِ رابطهٔ شناخته‌شدهٔ آبرامز، افزایشِ این نسبت مستقیماً مقاومتِ فشاریِ نهاییِ بتن را کاهش می‌دهد؛ همان رابطه‌ای که در صفحهٔ مقاومتِ بتن یعنی چه؟ به‌طورِ مفصل توضیح داده شده. اگر برایِ جبرانِ این افزایشِ نیازِ آب، سیمانِ بیشتری هم اضافه شود، هزینهٔ طرحِ اختلاط بالا می‌رود و جمع‌شدگیِ خشک‌شدنی (Drying Shrinkage) بتن هم افزایش می‌یابد، چون خمیرِ سیمانِ بیشتری در مخلوط وجود دارد. ماسهٔ خیلی ریز همچنین می‌تواند بتن را «چسبناک» و سخت برایِ پمپاژ و تراکم کند.

دانه‌بندیِ خیلی درشت یا ناپیوسته (مدولِ نرمیِ بالاتر از ۳.۱ یا دانه‌بندیِ گپ‌دار)

وقتی سنگدانه بیش‌ازحد درشت باشد یا دانه‌هایِ اندازهٔ متوسط کم باشند (Gap-Graded)، حفره‌هایِ بینِ دانه‌هایِ درشت به‌اندازهٔ کافی پر نمی‌شود و چند مشکلِ هم‌زمان پیش می‌آید:

– جداشدگی (Segregation): بدونِ دانه‌هایِ ریزِ کافی برایِ نگه‌داشتنِ دانه‌هایِ درشت در حالتِ معلق، سنگدانهٔ درشت در حینِ حمل و ویبره‌کاری ته‌نشین می‌شود و از بدنهٔ یکنواختِ بتن جدا می‌گردد. – آب‌انداختگی (Bleeding): هم‌زمان با ته‌نشینیِ دانه‌هایِ درشت، آبِ اضافی به‌سمتِ سطح بالا می‌آید و کیفیتِ سطحیِ بتن و چسبندگیِ آن به آرماتور را ضعیف می‌کند. – افزایشِ حفره و کاهشِ مقاومت: حفره‌هایِ پرنشده به‌صورتِ خلل‌وفرج (Voids) در بتنِ سخت‌شده باقی می‌مانند و مقاومتِ فشاری و دوامِ بتن را کاهش می‌دهند — نتیجه می‌تواند «کرم‌وشدگی» (Honeycombing) در نواحیِ متراکمِ آرماتور باشد. کاهشِ دوام و افزایشِ نفوذپذیری در این حالت، دقیقاً همان چیزی است که در صفحهٔ بتنِ آب‌بند به‌عنوانِ نقطهٔ ضعفِ بتنِ کم‌دوام معرفی شده. – کاهشِ کارپذیری: برخلافِ تصورِ رایج، دانه‌بندیِ ناپیوسته کارپذیریِ کلیِ بتن را کاهش می‌دهد، چون توزیعِ نامتوازنِ اندازه‌ها اصطکاکِ داخلیِ بینِ دانه‌ها را بالا می‌برد.

چرا «دانه‌بندیِ پیوسته» راه‌حل است

بتنِ با دانه‌بندیِ پیوسته و در محدودهٔ استاندارد (Well-Graded) کمترین حجمِ حفره را بینِ دانه‌ها ایجاد می‌کند. حفرهٔ کمتر یعنی خمیرِ سیمانِ کمتر، آبِ اختلاطِ کمتر، نسبتِ آب‌به‌سیمانِ پایین‌تر، جمع‌شدگیِ کمتر، و در نهایت مقاومتِ فشاری و دوامِ بالاترِ بتنِ سخت‌شده — بدونِ هزینهٔ سیمانِ اضافی. به همین دلیل، کنترلِ منحنیِ دانه‌بندی پیش از هر بچ، یکی از پایه‌ای‌ترین اقداماتِ کنترلِ کیفیت در تولیدِ بتنِ آماده است.

جمع‌بندی

منحنیِ دانه‌بندی، توزیعِ اندازهٔ ذراتِ شن و ماسه را نشان می‌دهد و از آزمونِ الکِ استاندارد (ASTM C136) به دست می‌آید. طبقِ ASTM C33، ماسه باید در محدودهٔ مشخصی از هر الک عبور کند و مدولِ نرمیِ آن بینِ ۲.۳ تا ۳.۱ باشد؛ شن (بستهِ به کاربرد) در یکی از ۱۳ اندازهٔ اسمیِ استاندارد قرار می‌گیرد که رایج‌ترینِ آن‌ها برایِ بتنِ سازه‌ایِ معمولی، Size Number ۵۷ است. دانه‌بندیِ خیلی ریز نیازِ آب و سیمان را بالا می‌برد و مقاومت را کاهش می‌دهد؛ دانه‌بندیِ خیلی درشت یا ناپیوسته باعثِ جداشدگی، آب‌انداختگی، حفره و کاهشِ مقاومت و کارپذیری می‌شود. تنها دانه‌بندیِ پیوسته و در محدودهٔ استاندارد، بتنی با کمترین حفره، کمترین نیازِ سیمان و بالاترین مقاومت و دوام تولید می‌کند.

برایِ آشنایی با روشِ دقیقِ آزمونِ دانه‌بندی و سایرِ آزمون‌هایِ کنترلِ کیفیتِ سنگدانه (وزنِ مخصوص، جذبِ آب، موادِ ریزِ رسی، سایشِ لس‌آنجلس)، صفحهٔ آزمون‌های شن و ماسه چیست؟ را بخوانید. برایِ دریافتِ گزارشِ دانه‌بندیِ سنگدانه‌هایِ مصرفی در هر بارِ بتن، می‌توانید با کارشناسانِ دنا بتن آپادانا تماس بگیرید.

مطالب مرتبط