سنگدانه های بتن

اغلب تصور می‌شود که سنگدانه ها نقش پُر کننده را در مخلوط بتن بازی می‌کنند، اما با یک بررسی دقیق‌ تر می‌توان درک کرد که سنگدانه ها نقش بسیار مؤثری در خصوصیات بتن دارند. تغییر در نوع، اندازه، شکل، وزن واحد و میزان رطوبت می‌تواند عملکرد مخلوط بتنی را تحت شعاع خود قرار دهد. در این مقاله ما مروری کامل بر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سنگدانه های بتن خواهیم داشت.

اهمیت استفاده از سنگدانه ها در بتن

بسیاری از انواع مصالح ساختمانی از جمله بتن، آسفالت و ملات، از سنگدانه ها به عنوان مواد اصلی استفاده می‌کنند. استفاده از آنها برای بتن باعث کاهش هزینه‌ های تولید و افزایش مقاومت مخلوط‌ های بتنی می‌شود. سنگدانه های شن و ماسه حدود 60 تا 75 درصد از حجم بتن را تشکیل می‌ دهند.

سنگدانه های بتن

خصوصیات سنگدانه ها باعث می‌شود که این مصالح به عنوان ماده‌ ای ضروری در ساخت و نگهداری جاده‌ ها، پیاده رو ها، پارکینگ‌ ها، باند فرودگاه‌ ها، مسیر ریل‌ های راه آهن و مجموعه‌ ای از ساختمان‌ ها در نظر گرفته شوند. در واقع، مرحله طراحی اکثر پروژه‌ های ساختمانی به طور کلی نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق منبع سنگدانه ها از جمله نوع، اندازه و خصوصیات فیزیکی آنها دارد.

علاوه بر پروژه‌ های ساختمانی، از سنگدانه ها می‌توان در زهکشی، فیلتراسیون آب و کنترل فرسایش نیز استفاده کرد. همچنین می‌توانند به عنوان ماده پر کننده در پروژه‌ های خاکریزی مورد استفاده قرار گیرند. به هر روی، مهمترین کاربرد سنگدانه ها به بتن مربوط می‌ شود و مهم است در این زمینه تمام جوانب کار در نظر گرفته شوند.

انواع سنگدانه های بتن

انواع اصلی سنگدانه‌ ها به دو مورد زیر تقسیم می‌شوند :

ماسه (سنگدانه ریز)

اندازه ماسه بین 4.75 تا 0.15 میلی‌متر است. به عبارت دیگر، اندازه دانه‌ هایی که از الک 4.75 میلی‌متر عبور می‌کند و روی الک 0.15 میلی‌متر می‌ مانند را ماسه می گویند. ماسه به راحتی در تمام جهان به وفور قابل دسترس است.

شن (سنگدانه درشت)

سنگدانه‌ های درشت آنهایی هستند که روی در الک با اندازه مش 4.75 میلی‌متر می‌مانند. بالاترین دانه بندی شن نیز 7.5 میلی‌ متر است. شن بستر رودخانه بهترین سنگدانه‌ درشت در ساخت بتن معمولی است.

طبقه بندی سنگدانه ها از نظر شیوه تولید

از نظر مبدا تولید می‌ توان سنگدانه‌ ها را به موارد زیر تقسیم کرد :

طبیعی

سنگدانه های طبیعی شامل همه انواع سنگدانه‌ های ریز و درشت هستند که از منابع طبیعی حاصل می‌ شوند. به عنوان مثال می‌ توان به شن و ماسه‌ های بستر رودخانه‌ ها یا سنگدانه‌ های طبیعی که از طریق انفجار کوه و در کارخانه تولید می‌شوند، اشاره کرد.

محصول جانبی

اینها شامل موادی است که به عنوان ضایعات حاصل از برخی از مهندسی‌ های صنعتی و متالورژی بدست می‌ آیند. محصولات ناشی از سوختن ذغال سنگ در لوكوموتيو ها و كوره‌ ها و سرباره کوره‌ های بلند از این دست هستند.

پردازش شده

اینها کلاس ویژه‌ ای را در سنگدانه هایتشکیل می‌دهند. سنگدانه های پردازش شده به طور خاص برای تولید بتن‌ های با کیفیت و بتن‌ های سبک استفاده می‌شوند. محصولات پردازش شده اغلب شامل خاک رس سوخته، شیل، ورمیکولیت و پرلیت هستند.

طبقه بندی سنگدانه ها از نظر چگالی

سه نوع دانه بندی بر اساس وزن وجود دارند که به شرح زیر هستند :

• سبک وزن
• استاندارد
• چگالی بالا

چگالی مختلف انواع سنگدانه ها در کاربرد های متفاوتی استفاده می‌شوند. سنگدانه های سبک و فوق سبک نسبت به سنگین‌ ترها متخلخل هستند، بنابراین می‌ توان از آنها در ساخت بام سبز (روف گاردن) استفاده بسیار کرد.

این سنگدانه ها همچنین در مخلوط بلوک های بتونی، روسازی ها و کاربردهای مربوط به عایق بندی و ضد حریق استفاده می‌شوند. از سنگدانه ها با چگالی بالا برای ساخت بتن سنگین وزن استفاده می‌شود. برای مواردی که نیاز به سازه‌ های بتنیبا مقاومت بالا است از این نوع سنگدانه ها استفاده می‌شوند.

طبقه بندی سنگدانه ها بر اساس شکل

شکل یکی از مؤثرترین راه‌های تفکیک مصالح است. شکل آن ها تأثیر قابل توجهی در کارآیی و مقاومت فشاری بتن خواهند داشت. سنگدانه هایی که به صورت دسته‌ ای از یک تامین کننده معتبر خریداری می‌شوند، در صورت نیاز می‌توانند از نظر شکل مشابه باشند اما در صورت نیاز می‌ توان مخلوط را از سنگدانه ها با اشکال مختلف استفاده کرد.

شکل‌ های مختلف سنگدانه ها عبارتند از :

• گرد گوشه : دانه‌ های طبیعی صاف شده توسط هوا، فرسایش و حرکت رودخانه‌ ای را سنگدانه های گرد گوشه می گویند. شن و ماسه‌ های موجود در بستر رودخانه‌ ها متداول‌ ترین سنگدانه های گرد گوشه هستند. سنگدانه های گرد گوشه عامل اصلی کارپذیری بالای بتن هستند.
• نامنظم : این سنگدانه ها توسط فرسایش شکل می‌گیرند اما کاملاً گرد گوشه نیستند و به صورت چند وجهی هستند. این سنگدانه ها باعث کاهش کارآیی بتن می‌شوند.
• تیزگوشه : برای بتن با مقاومت بالا، سنگدانه های تیزگوشه بهترین انتخاب هستند. کارآیی کم است اما این مشکل می‌تواند با پُر کردن فضای خالی با سنگدانه های گرد یا کوچکتر جبران شود.
• پولکی : به عنوان سنگدانه هایی تعریف می‌شوند که طول آنها بیشتر از عرضشان است. این سنگدانه ها مساحت سطح بیشتری دارند در نتیجه آب زیادی جذب می‌کنند.

دانستن نحوه عملکرد سنگدانه های برحسب نوع شکل آنها می‌تواند بر نحوه کارآیی و مقاومت فشاری بتن تأثیر شگفتی بگذارد. بنابراین، مهم است که در انتخاب نوع سنگدانه ها موضوع شکل ظاهری به طور جدی بررسی شود.

درصد استفاده از سنگدانه ها در طرح اختلاط بتن

سنگدانه ها تا حدود 60 تا 80 درصد از مخلوط بتن معمولی را تشکیل می‌دهند، بنابراین باید به درستی انتخاب شوند تا بر مقاومت، کارآیی، پرداخت و دوام بتن تأثیر مثبت بگذارند. مواد تشکیل دهنده بتن معمولاً به نسبت‌ های زیر در طرح اختلاط در نظر گرفته می‌شوند :

خواص شیمیایی سنگدانه های بتن

سنگدانه‌ های طبیعی از مواد معدنی مختلفی مانند سیلیس، فلدسپات، میکا، کربناته، سولفات، سولفید آهن، زئولیت‌ها، اکسید آهن و رس ساخته می‌شوند. همۀ سنگدانه های معدنی باید از کلیه خصوصیات یک سنگدانه خوب برخوردار باشند تا بتوان از آنها برای بتن ریزی یا اهداف دیگر استفاده کرد.

تمام موادی که ممکن است دوام و مقاومت بتن را خراب کرده و باعث نامناسب شدن آن شوند باید کنار گذاشته شوند.

واکنش قلیایی سنگدانه ها

واکنش قلیایی سنگدانه ‌ها (AAR) واکنشی است که با حمله به مواد معدنی سیلیسی واکنش پذیر یا سایر مواد معدنی منجمد توسط هیدروکسید های قلیایی تشکیل شده (K2O و Na2O) موجود در سیمان شروع می‌شود. این واکنش ژل سیلیکات قلیایی ایجاد می‌کند که توانایی تورم نامحدود در حضور آب را دارد.

این تورم باعث می‌شود تا یکپارچگی، مقاومت و دوام بتن از بین برود. با اتخاذ نسبت نسب آب به سیمان کم و استفاده از سیمان با خاصیت قلیایی کم می‌توان از بروز این مشکل جلوگیری کرد.

تأثیر سنگدانه ها در بتن

اگرچه از نظر عموم مردم سنگدانه به عنوان پرکننده‌ هایی بی‌ اثر در نظر گرفته می‌ شوند اما این مصالح ساختمانی خصوصیات حرارتی، الاستیکی و ثبات ابعادی بتن را تعریف می‌کنند. هنگام تعیین مقاومت بتن، سنگدانه ها چندین برابر سایر اجزای بتن تأثیرگذار هستند. بتن ساخته شده با سنگدانه های سبک ممکن است تحت تأثیر مقاومت فشاری سنگدانه ها باشد!

سایر خصوصیات فیزیکی سنگدانه باید قبل از اختلاط بتن شناخته شوند تا مخلوط مطلوبی به دست آید. این خصوصیات شامل شکل، بافت، دانه بندی، رطوبت، وزن مخصوص، واکنش پذیری و وزن واحد هستند. این خصوصیات به همراه نسبت آب به سیمان، مقاومت، کارآیی و دوام بتن را تعیین می‌کنند.

شکل و بافت سنگدانه بیشتر از هر عامل دیگر بر خصوصیات بتن تأثیر می‌گذارد. وقتی به جای سنگدانه های تیز گوشه از سنگدانه های گرد گوشه استفاده شود، بتن کارآیی بیشتری خواهد داشت. بیشتر شن و ماسه های طبیعی بستر رودخانه ها یا سواحل دریا صاف و گرد هستند. سنگ‌ های خُرد شده سنگدانه های زاویه‌دار و کشیده بیشتری تولید می‌کنند که دارای نسبت سطح به حجم بالاتر هستند اما برای تولید یک مخلوط بتنی کاراتر به خمیر سیمانی بیشتری نیاز است.

بافت سطح سنگدانه می‌ تواند صاف یا خشن باشد. یک سطح صاف می‌ تواند کارآیی را بهبود بخشد، با این وجود یک سطح خشن پیوند قوی‌ تری بین خمیر و سنگدانه ایجاد می‌ کند و مقاومت فشاری بتن را افزایش می‌دهد. درجه بندی یا توزیع اندازه سنگدانه از ویژگی‌ های مهم است زیرا میزان خمیر سیمانی را تعیین می‌کند. خمیر سیمانی عامل کنترل کننده هزینه است به این دلیل سیمان بیش از اجزای دیگر هزینه بردار است.

مقدار مورد نیاز خمیر سیمان به مقدار فضای خالی که باید پُر شود بستگی دارد. وقتی ذرات از اندازه یکنواخت برخوردار باشند، بیشترین حفره را در بتن ایجاد می‌کنند. اما وقتی از دانه بندی در اندازه های مختلف استفاده شود، فضاهای خالی پُر شده و نیاز به خمیر سیمانی کاهش می‌ یابد. هر چه این فضاهای خالی بیشتر پُر شوند، بتن از انسجام، کارآیی و مقاومت فشاری نهایی بهتر برخوردار می شود.

کلام آخر

اگرچه معمولاً سنگدانه ها به عنوان ماده پُر کننده شناخته می‌شوند، اما خواص مختلف آنها تأثیر زیادی بر مقاومت، دوام، کارآیی و شرایط اقتصادی بتن خواهند داشت. این خصوصیات مختلف سنگدانه ها به طراحان و پیمانکاران انعطاف پذیری بیشتری را برای تأمین نیازهای طراحی و احداث ساختمان می‌دهد.