وزن مخصوص بتن چیست؟ بررسی جامع چگالی بتن، عوامل مؤثر و کاربردهای آن

وزن مخصوص بتن یکی از مهم ترین ویژگی های فیزیکی این ماده ساختمانی پرکاربرد به شمار می رود که تأثیر مستقیمی بر عملکرد سازه ای، مقاومت، ایمنی و حتی هزینه های ساخت و ساز دارد. این ویژگی که به آن “چگالی بتن” نیز گفته می شود، به جرم بتن در واحد حجم اشاره دارد و معمولاً بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب بیان می شود. وزن مخصوص بتن نه تنها در طراحی سازه ها اهمیت دارد، بلکه در انتخاب نوع بتن برای کاربردهای خاص نیز نقش اساسی ایفا می کند؛ به عنوان مثال، بتن سبک برای کاهش بار مرده ساختمان یا بتن سنگین برای کاربردهای محافظتی در برابر تشعشعات.

بتن از ترکیب چهار جزء اصلی تشکیل می شود: سیمان، سنگدانه های درشت مانند شن یا قطعات خرد شده سنگ هایی نظیر آهک و گرانیت، سنگدانه های ریز مانند ماسه، آب و همچنین مواد افزودنی شیمیایی که برای بهبود خواص بتن به آن افزوده می شوند. ترکیب این مواد و نسبت های به کاررفته در آن ها، عامل اصلی تعیین کننده ی وزن مخصوص بتن به شمار می روند. به طور کلی، هرچه میزان مواد متراکم تر و پرجرم تری مانند سنگدانه های درشت در مخلوط بیشتر باشد، وزن مخصوص بتن نیز بیشتر خواهد بود. در این مقاله، ابتدا به تعریف دقیق وزن مخصوص بتن و روش های اندازه گیری آن پرداخته می شود، سپس اهمیت این ویژگی در زمینه های مختلف مهندسی عمران و پروژه های ساختمانی مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین عوامل مؤثر بر وزن مخصوص، از جمله نوع و مقدار سنگدانه ها، نسبت آب به سیمان، میزان هوا در مخلوط، و استفاده از مواد افزودنی یا جایگزین ها، با جزئیات تحلیل خواهند شد تا شناخت کاملی از این فاکتور کلیدی به دست آید.

تعریف بتن و وزن مخصوص آن

بتن، توده ای شبیه سنگ مصنوعی است؛ ماده ای مرکب، که از اختلاط مواد اتصال دهنده (سیمان یا آهک) با سنگدانه ها (ماسه، شن، سنگ، خرده آجر و غیره)، آب، مواد افزودنی و… ایجاد می شود. مقاومت، استحکام و کیفیت این ماده به نسبت اختلاط بستگی دارد. چگالی یا وزن مخصوص بتن یک پارامتر مهم این ترکیب است. چگالی بتن در حقیقت وزن واحد حجم آن است و بسته به نسبت موادی که برای ساخت آن استفاده می شود متفاوت است. به عبارت ساده تر، وزن مخصوص بتن، نسبت جرم به حجم آن است. دقیق ترین راه برای محاسبه چگالی بتن، ریختن آن در ظرفی با حجم مشخص و وزن کردن آن است.

یک بتن با وزن معمولی 2400 کیلوگرم بر متر مکعب یا 145 پوند بر فوت مکعب (3915 پوند در یارد مکعب) وزن دارد. وزن واحد بتن (دانسیته) بسته به مقدار و چگالی سنگدانه ها، مقدار هوای به دام افتاده (هوای محبوس شده) و محتوای آب و سیمان متفاوت است.

مقدار چگالی بتن چقدر است؟

چگالی بتن یک مقدار ثابت نیست و بسته به نوع مصالح، ترکیب و شرایط ساخت، می‌تواند تغییر کند. جدول زیر محدوده تقریبی چگالی انواع مختلف بتن را نشان می‌دهد:

این جدول، دید جامعی از محدوده چگالی انواع بتن در کاربردهای مختلف ارائه می‌کند و به خوبی تفاوت‌های آن‌ها را از نظر وزن و ساختار نشان می‌دهد.

چرا اندازه گیری وزن مخصوص بتن مهم است؟

چگالی وزن بتن با مقاومت آن رابطه مستقیم دارد و این نکته یکی دیگر از دلایلی است که اندازه گیری وزن مخصوص بتن را با اهمیت می کند. کاهش چگالی بتن معمولی، تقریباْ به معنای مقدار آب بیشتر در بتن و مقاومت کمتر آن است. از طرف دیگر، وزن مخصوص بتن نشان دهنده وزن سازه و خواص بتن است. همچنین دوام بتن، تخلخل بتن، نفوذپذیری بتن و… رابطه مستقیمی با چگالی آن دارد.

بتن با چگالی کم، به طور کلی مقاومت کمی دارد؛ بنابراین یکی از معیارهای اصلی برای انتخاب بتن در اکثر سازه های مهم، چگالی بالای آن است. در واقع هر چه چگالی بالاتر باشد احتمال به کار گیری آن در سازه های مهم بیشتر است و هر چه چگالی کمتر باشد با توجه به نیازهای مقاومتی و مواردی مانند دوام انتخاب می شود.

عوامل موثر بر وزن مخصوص بتن

نوع سنگدانه ها و نسبت مخلوط دو عامل اصلیِ موثر بر چگالی بتن هستند. نوع سنگدانه مورد استفاده، چگالی را تعیین می کند؛ زیرا انواع مختلف سنگدانه ها چگالی متفاوتی دارند. برای مثال، اگر مخلوطی دارای شن نخودی به عنوان سنگدانه باشد، چگالی کمتری نسبت به مخلوطی که حاوی گرانیت خرد شده است؛ خواهد داشت. نسبت های مخلوط نیز بر چگالی تأثیر می گذارند، زیرا تعیین می کنند مقدار آبی که با سنگدانه های مختلف وارد بتن می شود چقدر باشد. اگر آب بیش از حد به مخلوطی با گرانیت خرد شده اضافه شود، آنگاه این مخلوط خیلی روان خواهد بود و برای اهداف ساختمانی به اندازه کافی متراکم نیست.

علاوه بر موارد بالا، چگالی سیمان هم در چگالی نهایی بتن موثر است. یکی از اجزای مهم سازنده بتن سیمان است. چگالی سیمان می تواند 830 – 1650 کیلوگرم بر متر مکعب یا 52 – 103 پوند بر فوت مکعب باشد. سیمانی که به صورت پنوماتیک در سیلوها بارگیری می شود چگالی کمتری دارد؛ درحالی که سیمانی که ذخیره شده و در معرض ویبراسیون قرار گرفته است چگالی بیشتری دارد. قاعده کلی این است که در نظر بگیرید که یک کیسه سیمان 94 پوندی وقتی تازه بسته بندی شود یک فوت مکعب حجم اشغال می کند. هرچه چگالی سیمان مورد استفاده در ساخت بتن بیشتر باشد، چگالی بتن هم افزایش می یابد.

وزن هر مترمکعب بتن

بتن با چگالی بالا

بتن با چگالی بالا نوعی بتن است که چگالی بالاتری نسبت به بتن معمولی دارد. افزایش چگالی معمولاً با افزودن وزن بیشتر به مخلوط بتن حاصل می شود. وزن اضافه شده می تواند از انواع مواد اولیه حاصل شود، اما رایج ترین روش برای بالابردن وزن مخصوص بتن، اضافه کردن سنگدانه های سنگین مانند شن یا ماسه است. دیگر موادی که می توان برای افزایش چگالی بتن استفاده کرد شامل الیاف آهن یا فولاد و حتی الیاف پلاستیکی یا شیشه ای هستند. به دلیل محبوبیت بتن با چگالی بالا در بین معماران، استفاده از آن در سال های اخیر فزایش یافته است.

بتن با چگالی پایین یا بتن سبک

چگالی بتن سبک 1920 کیلوگرم بر متر مکعب یا 116 پوند بر فوت مکعب (3132 پوند بر یارد مکعب) است. بتن سبک وزن کمتری دارد زیرا از سنگدانه ای به نام پوکه ساخته شده است که یک ماده معدنی طبیعی سبک است. همچنین از سنگدانه های سبک به دست آمده از ضایعات صنعتی، سنگدانه های طبیعی با وزن کم و سنگدانه های سبک مصنوعی مانند خاکستر آتشفشانی، ماسه سبک و … نیز در تولید بتن کم چگالی استفاده می شود.

راهنمای جامع خرید قالب لایت فرم

تعریف چگالی ظاهری بتن (Bulk Density of Concrete)

چگالی بتن را چگالی ظاهری بتن می گویند؛ همچنین به آن وزن واحد بتن یا وزن مخصوص بتن هم گفته می شود. این تغییرات در نام، بر اساس واحدهای مختلف است. چگالی ظاهری بتن در حقیقت معیاری از جرم در واحد حجم است.

چگالی ظاهری را می توان بر حسب پوند بر فوت مکعب، کیلوگرم بر متر مکعب یا گرم بر سانتی متر مکعب بیان کرد. وزن واحد بتن می تواند بر حسب kN/m3 یا یک واحد طبیعی مشابه باشد.

چگالی ظاهری اندازه گیری وزن در واحد حجم است. همان طور که پیش از این هم گفته شد، با تقسیم وزن کل یک ماده (به کیلوگرم) بر حجم کل آن (بر حسب متر مکعب) چگالی محاسبه می شود.

چگالی های مرسوم بتن

رایج ترین بتن ها به طور معمول دارای وزن های مخصوصی به شرح زیر هستند:

• 20 کیلونیوتن بر متر مکعب (kN/m³ )
• 24 کیلونیوتن بر متر مکعب (kN/m³ )
• 25 کیلونیوتن بر متر مکعب (kN/m³ )
• 26 کیلونیوتن بر متر مکعب (kN/m³ )

استانداردهای چگالی بتن و کاربرد آن ها

چگالی بتن یکی از پارامترهای بسیار مهم در تعیین کیفیت و عملکرد نهایی سازه های بتنی است. بسته به نوع بتن، شرایط محیطی، و روش های ساخت، استانداردهای مختلفی برای سنجش چگالی بتن تدوین شده اند. در ادامه مهم ترین استانداردهای اندازه گیری چگالی بتن و اجزای آن به همراه توضیحات مختصر درباره ی کاربرد هر یک معرفی شده است:

• استاندارد ایران ۱۹۲۴۹ (مطابق با ASTM C948):
  این استاندارد برای اندازه گیری چگالی انبوهی مرطوب و خشک، میزان جذب آب و تخلخل ظاهری در مقاطع نازک بتن های تقویت شده با الیاف شیشه ای استفاده می شود. این نوع بتن ها بیشتر در ساخت نماها و قطعات پیش ساخته معماری کاربرد دارند و دانستن چگالی آنها برای کنترل کیفیت و دوام بسیار حیاتی است.
• استاندارد ایران ۲۲۶۹۴ (مطابق با ASTM C1688):
  این روش برای تعیین چگالی و میزان فضای خالی موجود در بتن متخلخل تازه به کار می رود. بتن متخلخل به دلیل قابلیت نفوذپذیری بالای خود، در محوطه سازی، ساخت پیاده روهای نفوذپذیر و پارکینگ ها به کار می رود. این استاندارد به کنترل کیفیت بتن های نفوذپذیر کمک می کند.
• استاندارد ایران ۵-۳۲۰۱ (مطابق با ISO 1920-5):
  این استاندارد برای تعیین چگالی بتن سخت شده و ارزیابی میزان نفوذ آب درون آن مورد استفاده قرار می گیرد. این آزمایش برای پروژه هایی که بتن در معرض رطوبت یا محیط های خورنده قرار می گیرد (مانند سدها، تونل ها و مخازن آب) بسیار اهمیت دارد.
• استاندارد ایران ۹۶۸۰ (مطابق با EN 992):
  هدف این استاندارد تعیین چگالی خشک بتن سبک دانه با ساختار باز است. بتن سبک دانه به دلیل وزن کم و عایق بندی حرارتی مناسب در ساخت ساختمان های بلند و سقف های سبک به کار می رود. اندازه گیری چگالی این نوع بتن به تعیین خواص حرارتی و سازه ای آن کمک می کند.
• استاندارد ایران ۱۷۷۳۳ (مطابق با ASTM C567):
  این روش برای تعیین چگالی بتن سبک سازه ای، که در ساخت دیوارهای باربر، سقف های سبک و سازه های مقاوم در برابر زلزله استفاده می شود، تدوین شده است. وزن کمتر این بتن ها موجب کاهش بار مرده ساختمان می شود.
• استاندارد ایران ۸۱۲۹ (مطابق با ASTM C943):
  این استاندارد نحوه ساخت نمونه های استوانه ای و منشوری برای آزمایش مقاومت فشاری و چگالی بتن پیش آکنده را مشخص می کند. بتن پیش آکنده در ترمیم سازه های موجود و پر کردن شکاف های بزرگ به کار می رود.
• استاندارد ASTM C1849:
  این استاندارد روشی برای تعیین چگالی و درصد هوای موجود در بتن غلتکی تازه است. بتن غلتکی به دلیل استحکام بالا و سرعت اجرای سریع، بیشتر در ساخت سدها و جاده های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

استانداردهای چگالی اجزای تشکیل دهنده بتن

دقت در اندازه گیری چگالی اجزای بتن به خصوص سیمان و سنگدانه ها نیز اهمیت زیادی دارد، چرا که تأثیر مستقیمی بر مقاومت و دوام بتن می گذارند:

• استاندارد ایران ۷۱۴۸ (مطابق با ASTM C188):
  این استاندارد مربوط به اندازه گیری چگالی سیمان های هیدرولیکی است. چگالی سیمان مستقیماً بر میزان آب مورد نیاز در مخلوط بتن و در نتیجه بر مقاومت فشاری آن تأثیر می گذارد.
• استاندارد ایران ۱۳۶۷۹ (مطابق با ISO 6782):
  در این استاندارد چگالی ظاهری سنگدانه های مورد استفاده در بتن اندازه گیری می شود. سنگدانه ها حجم زیادی از بتن را تشکیل می دهند و تغییر در چگالی آنها می تواند ویژگی های مقاومت و انقباض بتن را تحت تاثیر قرار دهد.

سخن آخر

بتن، پرمصرف ترین ماده در بخش ساختمان سازی است. دلیل این استفاده گسترده، سهولت در بکارگیری، هزینه مناسب، مقاومت و عایق بودن آن است. وزن مخصوص بتن که به آن چگالی بتن، چگالی ظاهری بتن و وزن واحد بتن نیز گفته می شود از تقسیم وزن بر حجم آن به دست می آید و با واحدهای مختلفی قابل نمایش است. چگالی بتن مستقیماً به اجزایی که با آن ساخته شده است بستگی دارد. هر چه چگالی بتن بیشتر باشد، معمولا مقاومت بیشتری دارد و برای سازه های سنگین مورد استفاده قرار می گیرد. در مقابل بتن سبک وزن، معمولا مقاومت کمتری دارد.