كيف يتم تصميم الخلطات الخرسانية؟
يُعد تصميم الخلطة الخرسانية مهمة منهجية يتم تحديدها في معايير ومواصفات وقواعد ممارسة مختلفة، الخطوات المتبعة في التصميم في معظم المواصفات تقريبًا هي نفسها، حيث يتطلّب تصميم الخلطات الخرسانية نسبة الثلاثة الأساسية المكونات (الماء والاسمنت والركام). فقد تم في هذا البحث تصميم ثلاث معادلات باستخدام برنامج تحليل الانحدار المتعدد (لوحة الرسم البياني) لربط ثلاث معاملات معروفة وهي: (القوة المميزة، محتوى الأسمنت وقابلية التشغيل) مع ثلاثة مكونات رئيسية معروفة (الماء ، الأسمنت والركام).
يُعرف إجراء اختيار المكونات المناسبة وتحديد نسبها النسبية مع أهداف إنتاج الخرسانة ذات الحد الأدنى من قابلية التشغيل والقوة والمتانة اقتصاديًا قدر الإمكان باسم تصميم الخلطة. العوامل المختلفة التي يجب مراعاتها عند تحديد مزيج الخرسانة هي:
- نسبة الماء للأسمنت.
- تدرج محتوى الأسمنت.
- تناسق الخرسانة الطازجة.
الطرق الشائعة لتصميم الخلطات الخرسانية:
- طريقة التجربة والخطأ.
- طريقة معهد الخرسانة الأمريكي.
- مزيج التصميم بالطريقة القياسية الهندية.
- طريقة الكثافة القصوى للركام.
- مساحة سطح طريقة الركام.
- طريقة معامل النقاء.
- نسبة الأسمنت الفارغ وطريقة نسبة الفراغ بالملاط.
- طريقة مذكرة الطريق.
1- طريقة التجربة والخطأ في تصميم خليط الخرسانة:
في طريقة التجربة والخطأ، يجب إيلاء الاعتبار الواجب لمحتوى الرطوبة في الركام. في طريقة التجربة والخطأ لتصميم الخلطة الخرسانية، يتم معرفة نسبة الركام الناعم إلى الركام الخشن عن طريق التجربة، ممّا يعطي أقصى وزن للركام المجمع. إن كثافة جزيئات الركام الناعم والركام الخشن هي نفسها تقريبًا، فإنّ الخليط الذي سيعطي الوزن الأقصى سيكون له أقصى قدر من المادة الصلبة وبالتالي أقل الفراغات ومساحة السطح. في طريقة أخرى للتجربة يتم الجمع بين الركام الناعم والركام الخشن بنسب متعددة.
تم العثور على كمية الأسمنت لكل وحدة حجم من الخرسانة لإعطاء نسبة معينة من الماء إلى الأسمنت لكل خليط. تُعرف النسبة المئوية للرمل بأنها النسبة المُثلى. سيكون الأسمنت المطلوب أكثر لنفس القوام إذا كان الرمل المستخدم أكثر من الأمثل. سوف يصبح المزيج قاسياً لكمية قليلة من الرمل. حيث أن النسبة المئوية المثلى للرمل أقل من أجل انخفاض نسبة الماء إلى الأسمنت.
بناءً على العلاقة بين نسبة الوزن إلى الماء وقوة الضغط. يمكن تصميم الخلطة باتباع الخطوات التالية:
- تحديد نسبة الماء إلى الأسمنت لتناسب متطلّبات القوة والمتانة.
- مع نسبة الأسمنت المائي هذه، يجب القيام بإعداد دفعات تجريبية بنسب مختلفة من الأسمنت الكلي. من هذا يمكن تحديد النسبة المثلى وكمية الركام التي ستنتج مزيجًا عمليًا مع الحد الأدنى من محتوى المعاجين لتحديد الركام الناعم. يمكن القول أنه في الكمية الصحيحة من الرمل هو الحد الأدنى الذي سينتج ما يكفي من الملاط لملء الفراغات بين الركام الخشن وأكثر قليلاً من أجل قابلية التشغيل. الفهم يخلق صلابة ويؤدي إلى نتائج أقل في الوقوف. مع الحكم والخبرة، يصل المرء إلى نسب الركام الناعم والخشن.
- مع وجود نسبة أسمنت مائية ثابتة، ونسبة الأسمنت الكلي وكمية الركام الناعم في إجمالي محتوى الركام، يمكن تحضير كتلة الخرسانة في المختبر باتباع الإجراء القياسي. بعد الفترة المطلوبة للمعالجة، يمكن اختبار قوة ضغط الكتل.
- يمكن تعديل المزيج بشكل طفيف، إذا لزم الأمر، عن طريق تغيير نسبة الماء أو نسبة الأسمنت الكلي التي تتناسب مع المتطلّبات الفعلية للوظيفة.
2- طريقة المعهد الأمريكي (ACI) لتصميم خليط الخرسانة:
هذه هي الطريقة الشائعة لِتصميم مزيج الخرسانة. فيما يلي الخطوات المتبعة:
- تحديد نسبة الماء الأسمنت إلى الخرسانة من المتانة والقوة المطلوبة. إذا تم تحديد نسبة الماء إلى الأسمنت بكلتا الطريقتين، فيجب استخدام القيمتين الأقل من القيمتين.
- تحديد أدنى هبوط والحد الأقصى لحجم الركام الموصى به لأنواع البناء. في حدود الحد الموضح، يجب استخدام الحجم الأقصى المسموح به، باستثناء ما تمليه عليه الحالة المتوفرة والاقتصاد.
- تقدير من بيانات الاختبار، والحد الأدنى لنسبة الركام الناعم إلى الخشن وأدنى محتوى مائي لأن ذلك سيعطي الدرجة المطلوبة من قابلية التشغيل.
- يتم حساب محتوى الأسمنت بقسمة إجمالي محتوى الماء على نسبة الوزن.
- يتم تحديد الحجم الحجمي للركام الخشن ذي القضبان الجافة لكل وحدة حجم من الخرسانة للحجم الأقصى المعين للركام ومعامل النعومة للرمل.
- تحديد نسب المزيج التجريبي وإجراء تعديل إذا لزم الأمر للمواد ونسبة الأسمنت والماء.
3- طريقة الكثافة القصوى للركام لتصميم خليط الخرسانة:
يُعرف أيضًا باسم طريقة فولار وتومسون لتصميم الخلطة الخرسانية، وأساس تناسب الركام هو أقصى كثافة. لهذه الطريقة، تم استخدام الدراسات التي أجراها فولار وتومسون، والتي أجريت فيها تحليلات الغربال للحصول على نسب الركام التي تعطي أقصى كثافة للخرسانة. لكن هذه الطريقة ليست في الكثير من الاستخدامات الآن. يمكن تحديد الكثافة القصوى لهذا الركام المجمع كما يلي.
في حجم معروف، يتم ملء نسب معينة من أي ركام مختلط من القضبان. يؤخذ الرمل على أنه (0، 20، 30، 40، 50، 60 و100%) من الوزن الإجمالي. بعد كل تعبئة للقالب بالركام المدمج، يتم أخذ الوزن. ثم يتم رسم منحنى يوضح النسبة المئوية للرمل في الركام بالوزن بحيث يكون وزن الوحدة من الركام الكلي في القالب، من هذه النسبة المئوية للرمل حيث يمكن تحديد أقصى وزن للوحدة.
4- مزيج التصميم بالطريقة القياسية الهندية:
أوصى مكتب المعايير الهندية بإجراء لتصميم الخلطة للخرسانة بناءً على العمل التجريبي الذي تم إجراؤه في المختبرات الوطنية. تم تقديم إجراء تصميم المزيج في المعايير الهندية. بعد ذلك لم يتم إجراء أي مراجعة في هذا الإجراء، بينما تم تنقيح المعيار الهندي في عام 2000. ومن ثم يحتاج المعيار الهندي إلى المراجعة نظرًا لقوة الأسمنت المتوفرة في البلاد بشكل ملحوظ. وبالتالي يجب إجراء التغييرات التالية:
- يجب مراجعة قوة 28 يومًا من فئات الأسمنت المختلفة.
- يجب إعادة إنشاء العلاقة بين القوة المختلفة للأسمنت ونسبة الماء.
- يجب تمديد العلاقة بين 28 يومًا من قوة الانضغاط ونسبة الوزن إلى الماء إلى قوة ضغط 80 ميجا باسكال (800 كجم لكل سم 2)، إذا كان الرسم البياني سيستخدم للخرسانة عالية القوة.
- وفقًا للمعيار الهندي المنقح، يتم التعبير عن درجة قابلية التشغيل من حيث الركود بدلاً من عامل الضغط. يحتاج هذا التغيير إلى قيم جديدة لمحتوى الرمل والماء لاستخدامها للخرسانة العادية حتى 35 ميجا باسكال والخرسانة ذات القوة الأعلى فوق 35 ميجا باسكال.
تتكون طريقة تصميم مزيج المعيار الهندي من تحديد ما يلي:
- محتوى الماء.
- النسبة المئوية للركام الدقيق المقابل للحجم الاسمي الأقصى للمجمع للقيمة المرجعية لقابلية التشغيل.
- نسبة الماء إلى الأسمنت.
ثم يتم تعديل محتوى الماء والنسبة المئوية للركام الناعم لأي اختلاف في قابلية التشغيل. أخيرًا، يتم حساب كتلة المكونات لكل وحدة حجم للخرسانة بطريقة الحجم المطلق. هذه الطريقة قابلة للتطبيق على كل من أسمنت البوزولانا المينائي العادي وأرض الموانئ. قد تحتاج نسب المزيج النهائية المحددة بعد الخلطات التجريبية إلى تعديل طفيف. في حالة الخرسانة الأسمنتية بالرماد المتطاير، يمكن تقليل محتوى الماء بحوالي 3 إلى 5% ويمكن تقليل نسبة الركام الناعم بنسبة 2 إلى 4%.
