بتن (اجزای تشکیل دهنده، ویژگی‌ها، طرح مخلوط، انواع، آزمایش‌ها)
بخش ۲۳: سنگدانه (قسمت سوم: شکل و بافت سطحی ذرات سنگدانه)
شکل ذرات سنگدانه
ویژگی‌های ظاهری ذرات به‌ویژه شکل آن‌ها حائز اهمیت می‌باشد. توصیف شکل اجسام سه‌بعدی نسبتا مشکل است، لذا تعریف پاره‌ای از مشخصه‌های این نوع اجسام آسان‌تر خواهد بود.
با استفاده از پارامتر گردگوشگی (یا تیزگوشگی) می‌توان تیزی نسبی و یا تیزگوشگی لبه‌ها وکنج‌های ذرات را سنجید. میزان گردگوشگی عمدتا توسط مقاومت فشاری و مقاومت سایشی سنگ مادر کنترل می‌شود و به مقدار سایشی که ذرات در معرض آن قرار گرفته‌اند، بستگی دارد. در مورد سنگدانه‌های خرد شده، شکل ذرات نه تنها به ماهیت جنس سنگ مادر، بلکه به نوع سنگ‌شکن و ضریب خردکنندگی آن (یعنی نسبت اندازه سنگ ورودی به داخل سنگ‌شکن به اندازه ذراتی که از سنگ‌شکن خارج می‌شوند) نیز بستگی دارد. قسمت اول استاندارد BS 812، یک طبقه‌بندی کلی از شکل ذرات مطابق تعاریف زیر ارائه داده است. تعاریف ارائه شده بعضا با سایر منابع و تعاریف موجود انطباق کال ندارد:
گردگوشه: در آب کاملا غلتیده و ساییده شده و یا کاملا در اثر اصطکاک و سایش شکل یافته‌اند (شن‌های رودخانه‌ای یا ساحلی؛ ماسه کویری، ساحلی و بادی)
نامنظم: به‌طور طبیعی نامنظم، یا قسمتی از آن‌ها در اثر فرسایش شکل‌یافته و دارای لبه‌های گرد شده می‌باشند (شن‌های دیگر، سنگ‌چخماق حفاری‌شده)
ورقه‌ای (تخت یا پولکی): موادی‌که ضخامت آن‌ها نسبت به ابعاد دیگرشان به‌مراتب کوچک‌تر باشد (سنگ‌های لایه‌لایه)
تیزگوشه: دارای لبه‌های کاملا مشخص که در تقاطع سطوح به‌وجود آمده‌اند (انواع مختلف سنگ‌های خردشده، سنگ دامنه کوه‌ها (کوه ریزشی)، سرباره خردشده)
دراز و باریک (کشیده): موادی که معمولا تیزگوشه بوده و طول آن‌ها به‌میزان قابل ملاحظه‌ای بزرگ‌تر از دو بعد دیگرشان است.
ورقه‌ای و دراز و باریک (تخت و کشیده): موادی‌که طول آن‌ها به‌میزان قابل‌ملاحظه‌ای بزرگ‌تر از عرض آن‌ها، و عرض آن‌ها به‌میزان قابل‌ملاحظه‌ای بزرگ‌تر از ضخامت آن‌ها است.
طبقه‌بندی که در بعضی مواقع در ایالات متحده به‌کار برده می‌شود به شرح زیر است:
کاملا گردگوشه: هیچ‌یک از سطوح اصلی باقی‌نمانده باشند (گوشه‌ها کاملا گرد شده‌اند).
گردگوشه: سطوح اولیه تقریبا محو شده باشند.
نیمه گردگوشه: سایش قابل ملاحظه اتفاق افتاده و مساحت سطوح کاهش یافته باشد.
نیمه تیزگوشه: قدری سایش رخ داده اما سطوح دست نخورده‌اند.
تیزگوشه: آثار کمی از سایش وجود داشته باشد.
از آن‌جا که درجه تراکم ذرات هم‌اندازه به شکل آن‌ها بستگی دارد، میزان تیزگوشگی سنگدانه‌ها را می‌توان از نسبت منافذ در نمونه‌ای که به روش تجویز شده‌ای متراکم گردیده است، تخمین زد. بخش اول استاندارد BS 812 مفهوم عدد تیزگوشه‌گی را به‌صورت ۶۷ منهای درصد حجم مواد جامد در استوانه‌ای که به روش استاندارد از سنگدانه پر شده، تعریف نموده است. اندازه ذرات مصرف شده در آزمایش باید در داخل محدوده باریکی باشد. عدد ۶۷ در عبارت عدد تیزگوشگی، معرف درصد حجم جامد گردگوشه‌ترین شن‌ها می‌باشد به‌طوری‌که عدد تیزگوشه‌گی، درصد منافذ اضافه بر آن‌چه که در شن گردگوشه وجود دارد (یعنی۳۳) را می‌سنجد. هرچه این عدد بیشتر باشد سنگدانه‌ها تیزگوشه‌تر خواهند بود و حدود این عدد برای سنگدانه‌هایی که معمولا مصرف می‌شود، بین صفر و ۱۱ است. آزمایش عدد تیزگوشگی به‌ندرت انجام می‌شود.
برای سنجش تیزگوشگی سنگدانه‌های درشت و ریز (اما با ذرات هم‌اندازه) از ضریب تیزگوشه‌گی نیز استفاده می‌شود که به‌صورت نسبت حجم جامد سنگدانه‌های غیرمتراکم به حجم جامد کره‌های شیشه‌ای با دانه‌بندی مشخص، تعریف شده است. بنابراین، هیچ‌گونه تراکمی وجود ندارد و خطای عامل آزمایش‌کننده از بین می‌رود. روش‌های غیرمستقیم دیگری نیز برای تعیین شکل سنگدانه‌های ریز بررسی شده‌اند، اما هنوز هیچ روشی که به‌صورت عمومی مورد تایید قرار گرفته باشد، وجود ندارد.
مقدار منافذ سنگدانه‌ها را می‌توان از تغییر در حجم هوا، وقتی کاهش معینی در فشار صورت می‌گیرد محاسبه نمود و بنابراین حجم هوا یعنی حجم فضای بین ذرات را می‌توان به‌دست آورد.
وابستگی درصد منافذ به شکل ذرات را می‌توان در شکل زیر مشاهده نمود. نمونه از دو نوع سنگدانه، تیزگوشه و گردگوشه، با نسبت‌های مختلف تشکیل شده است و دیده می‌شود که چگونه افزایش نسبت ذرات گردگوشه درصد منافذ را کاهش می‌دهد. حجم منافذ بر جرم‌مخصوص بتنی که تولید می‌شود، تاثیر می‌گذارد.
جنبه دیگری از شکل سنگدانه‌های درشت، ضریب کروی بودن آن‌ها است که به‌صورت تابعی از نسبت مساحت سطح دانه به حجم آن تعریف شده است. ضریب کروی بودن با لایه‌بندی و شکافت (کلیواژ) سنگ مادر ارتباط دارد و در صورتی‌که اندازه دانه به‌طور مصنوعی کاهش یافته باشد، تحت تاثیر نوع دستگاه سنگ‌شکن قرار می‌گیرد. دانه‌های با نسبت مساحت سطح به حجم زیاد مورد توجه خاص می‌باشند؛ زیرا این نوع دانه‌ها نیاز به آب مخلوط بتن را برای کارآیی معین، افزایش می‌دهند.
شکی نیست که شکل ذرات سنگدانه‌های ریز بر خواص مخلوط تاثیر می‌گذارد و ذرات تیزگوشه برای حصول کارآیی معین، به آب بیشتری نیاز دارند. علی‌رغم کوشش‌های به عمل آمده برای استفاده از سنجش تصویر مساحت سطح و سایر تقریب‌های هندسی، هنوز روش قابل قبولی برای سنجش و بیان شکل در دسترس نمی‌باشد.
تا آن‌جا که به سنگدانه درشت مربوط می‌شود، شکلی از دانه‌های با ابعاد یکسان ترجیح داده می‌شود، زیرا دانه‌هایی که شکل آن‌ها به‌صورت قابل ملاحظه‌ای از این حالت انحراف داشته باشد، مساحت سطح بیشتری خواهند داشت و به‌صورت ناهمسان متراکم می‌شوند. دو نوع از ذرات که شکل آن‌ها از حالت شکل هم‌اندازه انحراف دارد، مورد توجه می‌باشند؛ کشیده و پولکی. شکل اخیر هم‌چنین می‌تواند به‌نحو نامطلوبی بر دوام بتن اثر بگذارد زیرا دانه‌های پولکی تمایل به قرار گرفتن در یک‌جهت دارند و آبی که در اثر آب انداختن بتن به‌وجود می‌آید، و هم‌چنین هوا، زیر این سطوح جمع می‌شوند.
جرم ذرات پولکی به‌صورت درصدی از جرم کل نمونه، ضریب تورق، نامیده می‌شود. به‌نحو مشابهی ضریب تطویل تعریف می‌گردد. بعضی از دانه‌ها هم ورقه‌ای و هم دراز و باریک می‌باشند و بنابراین در هر دو گروه قرار می‌گیرند.
طبقه‌بندی بر اساس مقیاس ساده‌ای که در بخش ۱-۱۰۵ و ۲-۱۰۵ استاندارد BS 812 توصیف شده است، به عمل می‌آید. تقسیم‌بندی بر مبنای فرض قراردادی صورت می‌گیرد، به این شکل که اگر ضخامت دانه (کم‌ترین بعد) کمتر از ۶/۰ اندازه متوسط الک گروه اندازه‌ای که دانه به آن تعلق دارد، باشد، آن را ورقه‌ای (پولکی) در نظر می‌گیرند. به‌همین شکل دانه‌ای که طول آن (بزرگ‌ترین بعد) بیش از ۸/۱ برابر اندازه متوسط الک گروه اندازه‌ای خود باشد، سوزنی نامیده می‌شود. طبق تعریف، اندازه متوسط عبارت از متوسط عددی اندازه الکی که دانه درست روی آن باقی می‌ماند و اندازه الکی که دانه درست از آن عبور می‌کند، است. از آن‌جا که کنترل دقیق‌تری در اندازه لازم است، الک‌هایی که برای این منظور در نظر گرفته می‌شوند سری الک‌های استاندارد سنگدانه‌های بتن نبوده و الک‌های ۰/۷۵، ۰/۶۳، ۰/۵۰، ۵/۳۷، ۰/۲۸، ۰/۲۰، ۰/۱۴، ۰/۱۰ و mm۳/۶ می‌باشند. اگرچه آزمایش‌های تورق و تطویل برای ارزیابی عمومی سنگدانه‌ها مفید می‌باشند، اما شکل دانه را به‌خوبی توصیف نمی‌نمایند.
معمولا وجود سنگدانه‌های سوزنی بیش از ۱۰ تا ۱۵ درصد جرمی سنگدانه‌های درشت، نامطلوب تشخیص داده می‌شود ولی هیچ‌گونه حدود مشخصی برای این منظور تعیین نشده است. استاندارد بریتانیایی BS 882 ضریب تورق سنگدانه‌های درشت را برای شن طبیعی به ۵۰ و برای دانه‌های درشت کاملا و یا نسبتا شکسته، به ۴۰ محدود می‌نماید. البته برای سطوح بتنی در معرض سایش، سنگدانه‌هایی با ضریب تورق کمتر مورد نیاز می‌باشد.
در استاندارد ASTM D4791 با استفاده از خط‌کش تناسبی، می‌توان نسبت‌های اندازه‌ای ۱ به ۲ تا ۱ به ۵ را درنظر گرفت. معمولا برای سنگدانه‌های بتن، از نسبت ۱ به ۳ استفاده می‌شود و ذرات پهن، کشیده، و هم پهن و هم کشیده تعیین می‌شوند. در استاندارد مشخصات سنگدانه ایران به شماره ۳۰۲، حداکثر مجاز مجموع این ذرات به ۱۵ درصد جرمی محدود شده است.
در استاندارد اروپا به شماره‌های EN 933-3 و EN 933-4 شاخص پهن بودن (FI) و شاخص شکل (SI) بر روی ذرات تقریبا هم اندازه تفکیک شده انجام می‌شود. شاخص پهن بودن با نسبت ۱ به ۱.۶ تا ۱ به ۲ (برای حداقل و حداکثر اندازه ذرات) با استفاده از الک میله‌ای و شاخص شکل با نسبت ۱ به ۳ با خط‌کش تناسبی سنجیده می‌شود. مطابق استاندارد مشخصات سنگدانه ایران به شماره ۳۰۲، مقادیر بدست آمده برای شاخص شکل نباید از ۴۰ درصد جرمی و برای شاخص پهن بودن نباید از ۳۵ درصد جرمی بیشتر باشد.
به‌طور کلی، میزان تورق و شکل سنگدانه‌های درشت اثر قابل ملاحظه‌ای بر کارآیی بتن خواهند داشت. افزایش تیزگوشه‌گی از مقدار حداقل به حداکثر، ضریب تراکم بتن را (در حدود ۰۹/۰) کاهش خواهد داد، اما در عمل مسلما هیچ‌گونه رابطه واحدی نمی‌تواند بین این دو عامل وجود داشته باشد؛ زیرا خواص دیگری از سنگدانه‌ها نیز بر کارآیی موثرند.
بافت سطحی ذرات سنگدانه
بافت سطحی سنگدانه بر پیوستگی آن با خمیر سیمان و به‌ویژه در مورد سنگدانه‌های ریز، بر مقدار آب لازم برای مخلوط تاثیر می‌گذارد.
طبقه‌بندی بافت سطحی بر مبنای درجه صیقلی، صاف و نرم یا خشن و زبر بودن سطوح دانه قرار دارد، هم‌چنین نوع ناصافی نیز باید توصیف شود. بافت سطحی به سختی، اندازه دانه‌های کانی‌ها، و مشخصه‌های منافذ سنگ مادر (سنگ‌های سخت، متراکم و با بافت ریز که عموما سطح شکستگی صاف دارند)، و هم‌چنین به‌میزان نیروهای عمل‌کننده بر سطح ذرات بستگی دارد و آن‌ها را صاف و یا خشن (زبر) می‌کند. تخمین چشمی میزان ناصافی (زبری) کاملا معتبر است، اما برای کاهش سوء‌تفاهم، لازم است از طبقه‌بندی بخش اول استاندارد BS 812 که در جدول زیر نشان داده شده است پیروی شود.
شیشه‌ای: شکستن مخروطی (سنگ چخماق سیاه، سرباره شیشه‌ای)
صاف: در آب ساییده شده یا سطح صافی که از شکستن ورقه‌های سنگ‌های لایه‌لایه یا سنگ‌های با بافت ریز ایجاد می‌شود (شن‌ها، چرت، سنگ‌لوح، مرمر، بعضی ریولیت‌ها)
دانه‌ای: شکست‌هایی که در آن کم و بیش دانه‌های گردگوشه یکنواخت دیده می‌شوند (ماسه سنگ، اولیت (Oolite))
خشن: شکستن خشن سنگ‌های با بافت ریز یا متوسط حاوی بلورهایی که به‌آسانی مشاهده نمی‌شوند (بازالت، فلسیت، پرفیری، سنگ آهک)
بلوری: حاوی مواد بلوری که به‌آسانی قابل رویت هستند (گرانیت، گابرو، گنایس)
لانه زنبوری: با منافذ و حفره‌های قابل رویت (آجر، سنگ‌پا، سرباره پف‌کرده، کلینکر، رس منبسط‌شده)
به‌نظر می‌رسد شکل و بافت سطحی سنگدانه‌ها به‌میزان قابل ملاحظه‌ای بر مقاومت بتن اثر می‌گذارد. مقاومت خمشی بیش از مقاومت فشاری تحت تاثیر است و اثرات شکل و بافت سطحی به‌ویژه در بتن پر مقاومت چشم‌گیر است. نقش دقیق شکل و بافت سطحی سنگدانه‌ها در افزایش مقاومت بتن شناخته شده نیست، اما احتمالا بافت سطحی خشن‌تر منجر به نیروی پیوستگی بیشتری بین دانه‌ها و خمیر سیمان خواهد شد. به‌همین صورت، مساحت بیشتر سطح سنگدانه‌های تیزگوشه، نیروی پیوستگی بیشتری می‌تواند ایجاد کند.
شکل و بافت سنگدانه‌های ریز تاثیر چشم‌گیری بر آب مورد نیاز مخلوط بتنی خواهد داشت. اگر این خواص سنگدانه‌های ریز توسط میزان فشردگی آن‌ها یعنی به‌وسیله درصد حفرات در یک حالت غیرمتراکم، به‌صورت غیرمستقیم بیان گردند، در این‌صورت اثر آن‌ها بر میزان آب لازم برای مخلوط کاملا معلوم خواهد بود. تاثیر حفرات در حالت غیرمتراکم در سنگدانه‌های درشت، کمتر مشخص است.