بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۲۲: سنگدانه (قسمت دوم: حداقل و حداکثر اندازه، دانه‌بندی و مدول ریزی سنگدانه)
حداقل و حداکثر اندازه سنگدانه
حداکثر اندازه سنگدانه (Maximum Aggregate Size) عبارتست از بزرگترین اندازه موجود در آن. در صورت استفاده از الک برای دانه‌بندی، حداکثر اندازه سنگدانه عبارتست از کوچکترین الکی که تمام سنگدانه‌ها از آن عبور کند.
حداقل اندازه سنگدانه (Minimum Aggregate Size) عبارتست از کوچکترین اندازه موجود در آن. در صورت استفاده از الک برای دانه‌بندی، حداقل اندازه سنگدانه عبارتست از بزرگترین الکی که تمام سنگدانه‌ها از آن عبور کند.
در واقعیت از مفاهیم حداقل و حداکثر اندازه اسمی سنگدانه استفاده می‌شود.
حداکثر اندازه اسمی سنگدانه (Maximum Nominal Aggregate Size) عبارتست از کوچکترین الکی که بیش از ۹۵ (یا ۹۰) درصد سنگدانه‌ها از آن عبور کند. همچنین حداقل اندازه اسمی سنگدانه عبارتست از بزرگترین الکی که کمتر از ۵ (یا ۱۰) درصد سنگدانه‌ها از آن عبور کند. اعداد داخل پرانتز معمولا برای مخلوط سنگدانه‌های بتن و اعداد خارج پرانتز برای سنگدانه‌های تفکیک شده (شن، ماسه و غیره) استفاده می‌شود.
دانه‌بندی سنگدانه
به عمل تقسیم‌نمودن نمونه سنگدانه‌ها به بخش‌های مختلف ذرات هم‌اندازه، دانه‌بندی (Grading) اطلاق می‌شود. در عمل، هر بخش، حاوی ذراتی با حدود اندازه‌ای معین می‌باشد و این حدود عبارتند از اندازه‌های چشمه الک‌های استاندارد.
الک‌هایی که برای آزمایش سنگدانه‌های بتن به‌کار برده می‌شوند دارای چشمه‌های مربع‌شکل می‌باشد و ویژگی‌های آن‌ها در استاندارد EN 933-2، BS 410 و ASTM E11 تجویز شده است. در استاندارد اخیر الک‌ها را به‌وسیله اندازه چشمه‌ها (بر حسب اینچ) برای اندازه‌های بزرگ‌تر و توسط تعداد چشمه‌ها بر هر اینچ طول برای الک‌های کوچکتر از اینچ بیان می‌نمایند. بنابراین الک شماره ۱۰۰ دارای ۱۰۰×۱۰۰ سوراخ در هر اینچ مربع می‌باشد. روش استاندارد، اندازه الک را به‌وسیله اندازه اسمی سوراخ‌های آن بر حسب میلی‌متر و یا میکرون مشخص می‌نماید.
معمولا الک‌های کوچکتر از mm۴ را با تور سیمی می‌سازند، ولی اگر لازم باشد، از این نوع تور سیمی می‌توان تا اندازه mm۱۶ استفاده نمود. جنس تور، آلیاژ فسفر برنز است، اما برای بعضی از الک‌های درشت‌تر می‌توان برنج و یا فولاد نرم را نیز به‌کار برد. مساحت سوراخ‌های الک یعنی مساحت چشمه‌ها به‌صورت بخشی از کل سطح آن، بین ۲۸ و ۵۶ درصد تغییر می‌کند. این تغییر برای چشمه‌های بزرگ‌تر بیشتر است. الک‌های درشت (mm۴ و بزرگ‌تر) را از ورق‌های مشبک که مساحت سوراخ‌های آن‌ها ۴۴ تا ۶۵ درصد کل سطح الک است نیز می‌سازند.
کلیه الک‌ها روی قاب‌هایی نصب شده‌اند که می‌توانند بر روی یکدیگر قرار داده شوند. لذا الک‌ها را به‌ترتیب اندازه به‌نحوی روی هم سوار می‌کنند که بزرگترین آن‌ها در بالا قرار گیرد. مقدار ماده‌ای که پس از تکان دادن مجموعه الک‌ها روی هر الک باقی می‌ماند معرف بخشی از سنگدانه‌ها است که درشت‌تر از آن الک ولی ریزتر از اندازه الک فوقانی خود می‌باشد. قاب‌هایی به قطر mm۲۰۰ (۸ اینچ) برای اندازه‌های دانه mm۷۵/۴ ( اینچ) و یا کوچکتر، و قاب‌هایی به قطر ۳۰۰ یا mm۴۵۰ (۱۲ یا ۱۸ اینچ) برای اندازه‌های دانه mm۷۵/۴ ( اینچ) و بزرگ‌تر به‌کار می‌روند.
الک‌هایی که برای سنگدانه‌های بتن به‌کار برده می‌شوند از یک سری الک که اندازه سوراخ‌های هر کدام تقریبا نصف اندازه سوراخ‌های الک بزرگ‌تر از آن است، تشکیل می‌گردند. اندازه‌های مجموعه الک‌های BS در سیستم آحاد انگلیسی به‌صورت ۳، ، ، و اینچ و شماره‌های ۷، ۱۴، ۲۵، ۵۲ ، ۱۰۰ و ۲۰۰ می‌باشد و نتایج آزمایش این الک‌ها امروزه به‌کار گرفته می‌شود. جدول زیر اندازه‌های الک‌های متعارف را طبق تعریف پایه، یعنی اندازه چشمه بر حسب میلی‌متر و یا میکرون و همچنین الک‌های معادل قبلی BS و ASTM با اندازه تقریبی چشمه‌ها برحسب اینچ نشان می‌دهد.
برای تعیین اندازه دانه‌های بزرگ‌تر و یا کوچکتر از این الک‌ها و به‌ویژه برای کارهای تحقیقاتی بر روی دانه‌بندی سنگدانه‌ها، اندازه‌های دیگری، علاوه بر اندازه‌های فوق مورد نیاز می‌باشد. سری کامل الک‌های آزمایش براساس نسبت تئوری برای اندازه سوراخ‌های دو الک پی‌درپی تنظیم شده است. اندازه mm۱ مبنا قرار داده شده است. البته در هر دو استاندارد انگلیسی (BS 410) و استاندارد آمریکایی (ASTM E11) الک‌ها عموما طبق مجموعه الک‌های R40/3 سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO) تنظیم شده‌اند. تمام این اندازه‌ها یک سری هندسی واقعی را تشکیل نمی‌دهند، بلکه از «اعداد ترجیحی» پیروی می‌نمایند. استاندارد BS 410 همچنین بعضی از اندازه الک‌های سری R20 سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO 565) را به‌کار برده است. این مجموعه الک‌ها، محدوده اندازه mm۱۲۵ تا μm۶۳ را در گام‌هایی با نسبت تقریبی بر پایه اندازه mm۱ می‌پوشاند. همچنین استاندارد اروپایی EN 933-2 از همان اندازه‌های استاندارد ISO 6274 استفاده می‌نماید. اندازه‌های الک استانداردهای مختلف در جدول زیر نشان داده شده‌اند. اندازه‌های الک‌هایی که معمولا برای دانه‌بندی به‌کار برده می‌شوند عبارتند از: ۰/۷۵، ۰/۵۰، ۵/۳۷، ۰/۱۹، ۵/۹، ۷۵/۴، ۳۶/۲ و ۱۸/۱ میلی‌متر و ۶۰۰، ۳۰۰ و ۱۵۰ میکرون.
قبل از انجام دانه‌بندی (تحلیل اندازه‌ای دانه‌ها) باید نمونه سنگدانه در هوا خشک گردد تا از کلوخه‌شدن ذرات ریز که ممکن است به‌عنوان ذرات درشت طبقه‌بندی شوند و همچنین از مسدود شدن چشمه الک‌های ریزتر جلوگیری گردد. در روش‌های استاندارد الک کردن (ASTM C136، EN 933-1، و ۴۹۷۷ ایران)، حداقل جرم‌های نمونه‌های کاهش یافته برای الک نمودن، داده شده است. عمل الک‌کردن را می‌توان با دست انجام داد. هر الک به‌نوبه خود آن‌قدر تکان داده می‌شود تا فقط مقدار ناچیزی از آن عبور نماید. حرکت باید به‌طرف عقب و جلو، راست و چپ، چرخشی درجهت حرکت عقربه‌ساعت و خلاف آن بوده و کلیه این حرکات باید به‌نحوی به‌دنبال یکدیگر صورت گیرند که هر سنگدانه «فرصت» عبورکردن از میان الک را بیابد. در اکثر آزمایشگاه‌ها دستگاه لرزاننده الک‌ها موجود است که معمولا روی آن کلید زمان‌دار نیز تعبیه شده است تا بتوان یکنواختی الک‌کردن را تضمین نمود. به هر حال، لازم است دقت شود تا بیش از حد مجاز، بار بر روی الک‌ها ریخته نشود. بهترین روش تعیین مقدار مواد ریزتر از الک μm۷۵، الک نمودن به روش تر (BS 812-103.1، ASTM C117، EN 933-1، و ۴۴۶ ایران) می‌باشد.
دانه‌بندی در عمل به روش جرمی انجام می‌گیرد. اما در اصل، دانه‌بندی باید بر اساس حجم ذرات عبوری یا باقیمانده انجام شود. یعنی پس از تعیین جرم عبوری و چگالی آن، حجم عبوری محاسبه گردد. این امر در سنگدانه‌های معمولی چندان تفاوتی ایجاد نمی‌کند. اما در مواردی که از سنگدانه‌های سبک یا سنگین استفاده می‌شود، بسیار حائز اهمیت می‌شود.
منحنی دانه‌بندی سنگدانه
چنان‌چه نتایج دانه‌بندی به‌صورت منحنی نشان داده شود، خیلی آسان‌تر قابل درک خواهد بود و به این دلیل منحنی‌های دانه‌بندی به‌میزان وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند. با به‌کار بردن این منحنی‌ها می‌توان سریعا مشاهده نمود که آیا دانه‌بندی یک نمونه معین، با آن‌چه که در مشخصات (همانند استاندارد مشخصات ASTM C33، EN 12620، و ۳۰۲ ایران یا محدوده‌های پیشنهادی روش ملی طرح مخلوط) تعیین شده است مطابقت می‌نماید یا خیر (خیلی درشت و یا خیلی ریز بوده و یا کمبودی در اندازه خاصی از دانه‌ها وجود دارد).
در منحنی دانه‌بندی که معمولا به‌کار برده می‌شود محور yها معرف درصد تجمعی مواد عبور کرده از الک و محور xها اندازه چشمه الک در مقیاس لگاریتمی می‌باشد. از آن‌جا که اندازه چشمه‌های الک‌های استاندارد با نسبت ۲ می‌باشند، در ترسیم لگاریتمی، محل اندازه این چشمه‌ها به فاصله یکسان از یکدیگر قرار می‌گیرند. برای سهولت، مقیاس محور xها به‌نحوی انتخاب می‌شود که فاصله بین دو اندازه الک مجاور تقریبا برابر فاصله ۲۰ درصد روی محور yها باشد؛ در این‌صورت می‌توان مقایسه منحنی‌های دانه‌بندی مختلف را به‌صورت چشمی انجام داد.
در شکل زیر، یک نمونه منحنی دانه‌بندی مخلوط سنگدانه همراه محدوده‌های روش ملی طرح مخلوط مشاهده می‌شود.
مدول نرمی سنگدانه
مدول نرمی (Fineness Modulus) عددی است که در بعضی مواقع، از دانه‌بندی محاسبه می‌شود و مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدول نرمی به‌صورت مجموع درصدهای تجمعی باقیمانده روی الک‌های استاندارد ۱۵۰، ۳۰۰ و μm۶۰۰ و ۱۸/۱، ۳۶/۲ و mm۷۵/۴ (شماره‌های۱۰۰، ۵۰، ۳۰، ۱۶، ۸ و ۴ استاندارد ASTM) و تا بزرگترین اندازه الک به‌کار برده شده، تعریف شده است. هرچه سنگدانه‌ها درشت‌تر باشند مقدار مدول نرمی آن‌ها بیشتر خواهد شد. در روش ملی طرح مخلوط، مدول نرمی برای مخلوط سنگدانه‌ها نیز تعریف شده است و الک‌های ۵/۹، ۱۹، ۳۸، و … (الک‌ها با ضریب اندازه ۲) نیز در محاسبه مدول نرمی استفاده می‌شوند.
می‌توان مدول نرمی را به‌صورت میانگین وزنی اندازه الکی که روی آن دانه‌ها باقی‌مانده‌اند در نظر گرفت؛ الک‌ها از کوچکترین اندازه در نظر گرفته می‌شوند. برای مثال یک مدول نرمی ۰۰/۴ را می‌توان به این معنی تعبیر نمود که چهارمین الک، mm۱۸/۱ (شماره ۱۶ ASTM) برابر اندازه متوسط می‌باشد، اما واضح است که یک پارامتر به تنهایی (یعنی عدد متوسط) نمی‌تواند معرف یک توزیع باشد. بنابراین یک مدول نرمی معین می‌تواند معرف تعداد نامحدودی از توزیع اندازه‌های کاملا متفاوت و یا منحنی‌های دانه‌بندی مختلف باشد. بنابراین مدول نرمی را نمی‌توان به‌عنوان توصیف دانه‌بندی سنگدانه‌ها به‌کار برد، اما جهت سنجش تغییرات جزیی در سنگدانه‌هایی که از یک منبع تولید می‌شوند، یعنی به‌عنوان کنترل روزانه، با ارزش است. به هر حال، با در نظر گرفتن بعضی از محدودیت‌ها می‌توان از مدول نرمی به‌عنوان شاخص عملکرد احتمالی مخلوط بتنی که سنگدانه‌های آن دارای دانه‌بندی معین باشند، استفاده نمود. کاربرد مدول نرمی در ارزیابی سنگدانه‌ها و در طرح مخلوط بتن طرفداران متعددی دارد.