آزمایش ضریب تراکم بتن چیست؟ | روش انجام و محاسبه ضریب تراکم

آزمایش ضریب تراکم بتن یکی از مهم‌ترین آزمایش‌ها در صنعت ساخت و ساز است. این تست به منظور ارزیابی کیفیت بتن و تعیین میزان روانی آن انجام می‌شود. این آزمایش، نقشی حیاتی در سنجش مقاومت و دوام بتن در سازه‌ها دارد و به مهندسان عمران کمک می‌کند تا از صحت و کیفیت مخلوط بتنی که قرار است در پروژه‌های ساختمانی استفاده شود، اطمینان حاصل کنند. ضریب تراکم بتن ارتباط مستقیمی با ویژگی‌های مکانیکی و عمر مفید سازه‌ها دارد. در این مقاله، به بررسی نحوه انجام آزمایش ضریب تراکم بتن، فرمول محاسبه، کاربردها، مزایا و محدودیت‌های آن می‌پردازیم.

آزمایش ضریب تراکم بتن چیست؟                 

آزمایش ضریب تراکم بتن (Compaction Factor Test) یکی از روش‌های استاندارد برای سنجش کارایی (Workability) و روانی (Consistency) بتن است. منظور از کارایی بتن، میزان سهولت در ریختن، پخش‌کردن و متراکم‌کردن آن بدون تغییر در یکنواختی و خواص مقاومتی‌ بتن است. این آزمایش به مهندسان و ناظران کمک می‌کند تا از قابلیت تراکم مناسب بتن برای اجرای صحیح و مقاوم سازه اطمینان حاصل کنند.

در واقع، آزمایش ضریب تراکم برای بتن‌هایی با کارایی کم تا متوسط به کار می‌رود؛ وقتی که استفاده از آزمایش اسلامپ (Slump Test) به دلیل روانی پایین بتن، نتیجه دقیقی ارائه نمی‌دهد. در این شرایط، این تست به‌ صورت دقیق‌تر و عددی‌تر میزان قابلیت تراکم بتن را نشان می‌دهد.

در این آزمایش، نیروی جاذبه به‌ عنوان عامل اصلی فشرده‌سازی بتن استفاده می‌شود. بتن ابتدا به‌ صورت غیرمتراکم در دستگاه مخصوص ریخته می‌شود و سپس به حالت کاملاً متراکم در می‌آید. با مقایسه‌ وزن بتن در این دو حالت، نسبت یا همان ضریب تراکم بتن به دست می‌آید.

فرمول کلی ضریب تراکم عبارت است از:

ضریب تراکم بتن= وزن بتن متراکم نشده تقسیم بر وزن بتن متراکم شده

ضریب تراکم بتن معمولاً بین 0.7 تا 1 متغیر است. هر چه این عدد به 1 نزدیک‌تر باشد، کارایی بتن بیشتر و تراکم آن آسان‌تر است. به‌ طور خلاصه، هر چه بتن بتواند تحت وزن خود راحت‌تر متراکم شود، کیفیت پخش و تراکم آن در قالب‌ها نیز بهتر خواهد بود.

به همین دلیل، آزمایش ضریب تراکم یکی از ابزارهای مهم در کنترل کیفیت بتن در کارگاه‌های عمرانی محسوب می‌شود، به‌ ویژه در بتن‌هایی که اسلامپ کمی دارند یا به‌ سختی جریان پیدا می‌کنند.

لوازم مورد نیاز برای اجرای آزمایش ضریب تراکم بتن

برای انجام آزمایش ضریب تراکم بتن، باید از مجموعه‌ای از تجهیزات استاندارد استفاده کنید تا نتیجه‌ به‌ دست‌آمده دقیق و قابل اعتماد باشد. این لوازم عبارت‌اند از:

• دستگاه ضریب تراکم بتن: این دستگاه شامل دو قیف فلزی مخروطی است که به‌ صورت عمودی روی پایه‌ای نصب شده‌اند. در انتهای هر قیف، یک دریچه‌ فلزی لولادار قرار دارد که به کمک آن بتن از قیف بالایی به قیف پایین و سپس به ظرف استوانه‌ای منتقل می‌شود. در پایین دو قیف، ظرف استوانه‌ای فلزی با حجم حدود ۰.۰۰۵ مترمکعب قرار دارد که بتن پس از عبور از قیف‌ها در آن جمع می‌شود. ابعاد تقریبی هر بخش بر اساس استاندارد BS 1881 به شرح زیر است:

قطر بالای قیف‌ها: 25.4 سانتی‌متر

قطر پایین قیف‌ها: 12.7 سانتی‌متر

ارتفاع هر قیف: 22.9 سانتی‌متر

ارتفاع ظرف استوانه‌ای: 30 سانتی‌متر

قطر ظرف استوانه‌ای: 15.2 سانتی‌متر

• ترازو یا باسکول دقیق: برای اندازه‌گیری وزن بتن در حالت‌های مختلف (متراکم و غیرمتراکم) از ترازو با دقت حداقل ۱۰ گرم استفاده می‌شود. این ابزار کلیدی‌ترین بخش در محاسبه‌ دقیق ضریب تراکم است.
• قاشق یا اسکوپ: قاشق فلزی با طول تقریبی ۱۵ سانتی‌متر که برای انتقال بتن از ظرف اختلاط به قیف بالایی به کار می‌رود. این ابزار کمک می‌کند بتن بدون جداشدگی و به‌ صورت یکنواخت داخل قیف ریخته شود.
• کاردک یا ماله: از دو عدد ماله فلزی برای صاف کردن سطح بتن در هر مرحله استفاده می‌شود تا نمونه سطحی یکنواخت داشته باشد و در هنگام وزن‌کشی، خطای ناشی از برجستگی‌ها حذف شود.
• میله کوبه یا رامر: میله‌ای فولادی با قطر حدود ۱۶ میلی‌متر و طول ۶۰ سانتی‌متر که یک سر آن گرد است. از این میله برای تراکم دستی بتن در ظرف استوانه‌ای (در حالت کاملاً متراکم) استفاده می‌شود تا وزن واقعی بتن فشرده مشخص گردد.
• خط‌کش یا متر: برای کنترل ارتفاع بتن در داخل ظرف و اطمینان از پر شدن کامل ظرف طبق استاندارد، از خط‌کش فلزی استفاده می‌شود.
• آب یا پارچه‌ مرطوب‌کننده: از آب یا پارچه مرطوب جهت مرطوب نگه داشتن سطح داخلی قیف‌ها و ظرف، به‌ ویژه در هوای گرم استفاده می‌شود تا از چسبیدن یا خشک شدن سریع بتن جلوگیری شود.
• تجهیزات ایمنی کارگاه: توصیه می‌شود هنگام انجام آزمایش از دستکش، عینک ایمنی و کفش کار استفاده کنید تا از تماس مستقیم با سیمان و آسیب احتمالی جلوگیری شود.

نحوه انجام آزمایش ضریب تراکم بتن

برای اجرای این آزمایش باید تمامی مراحل را با دقت اجرا کنید تا نتیجه نهایی را به درستی دریافت کنید. در ادامه مراحل انجام آزمایش ضریب تراکم بتن را می‌آوریم.

آماده‌سازی قالب و تجهیزات

در ابتدا دستگاه را کاملاً تمیز و خشک کنید. سایر تجهیزات مانند چکش کوبه، ترازو و متر را در دسترس قرار دهید. سپس قیف‌ها را کمی مرطوب کنید تا بتن به سطح آنها نچسبد. دریچه دو قیف را چک کنید که کاملاً بسته باشد تا بتن در حین آزمایش نشت نکند. ترازو را چک کنید که روی صفر باشد تا وزن‌ها دقیق ثبت شود.

آماده کردن نمونه بتن

پس از آماده‌سازی تجهیزات، باید نمونه‌ای از بتنی را که قرار است در ساخت و ساز استفاده شود، آماده کنید. در حین این کار تمامی موارد مانند دانه‌بندی، نسبت آب به سیمان و دمای بتن را ثبت کنید. زیرا تمامی این موارد بر نتیجه بتن تأثیر می‌گذارند و ممکن است نیاز باشد که در آزمایش‌های بعدی برای رسیدن به نتیجه ایدئال برخی از این موارد را تغییر دهید. این نمونه را زمانی آماده کنید که تمام تجهیزات و لوازم آزمایش هم آماده است. در واقع، بین ساخت نمونه و انجام آزمایش، بیش از 2 دقیقه نباید فاصله بیفتد. زیرا بتن تغییر حالت می‌دهد و این مورد بر نتیجه تأثیر می‌گذارد.

پر کردن قیف‌ها

با استفاده از قاشق یا اسکوپ، بتن غیر متراکم را به صورت لایه‌ای درون قیف بالایی بریزید. به گونه‌ای که قیف کاملاً پر شود. سطح کار را با ماله یا کاردک صاف کنید. سطح بتن باید با لبه قیف هم تراز شود.

سپس دریچه قیف بالایی را باز کنید تا بتن را به قیف دوم بریزد. صبر کنید تمام بتن خالی شود. هیچ گونه ضربه یا لرزشی به قیف‌ها وارد نکنید. اجازه دهید بتن در حالت عادی خود به قیف دوم سرازیر شود.

ریختن بتن در ظرف استوانه‌ای

وقتی تمام بتن وارد قیف دوم شد ، درب زیر آن را باز کنید. بتن به درون ظرف استوانه‌ای می‌ریزد. پس از جمع شدن تمام بتن در ظرف استوانه‌ای، سطح آن را با ماله صاف کنید.

وزن‌کردن بتن غیرمتراکم

اکنون ظرف استوانه‌ای را روی ترازو قرار دهید. وزنی که به دست آمده است، وزن بتن غیرمتراکم است. برای محاسبه نهایی به این عدد نیاز خواهیم داشت. آن را در جایی یادداشت کنید.

تعیین وزن بتن در حالت متراکم

ظرف استوانه‌ای را کاملاً تمیز کنید. سپس آن را به صورت لایه‌لایه با مخلوط بتن پر کنید. در این مرحله باید از بتنی استفاده کنید که با همان مواد اولیه تولید شده است. در واقع، باید دو نمونه از بتن داشته باشید، یک بار برای وزن‌کردن در حالت غیرمتراکم و یک بار برای وزن‌کردن در حالت متراکم.

ظرف را با سه لایه از بتن پر کنید. پس از ریختن هر لایه، با استفاده میله کوبه به ظرف 25 ضربه وارد کنید. این کار موجب می‌شود تا هوای درون بتن خارج شود و در نتیجه، بتن کاملاً متراکم شود. پس از پر شدن کامل، سطح بتن را صاف کنید. اکنون این نمونه را وزن کنید. وزن به دست آمده، وزن بتن در حالت متراکم است. آن را در جایی یادداشت کنید.

محاسبه ضریب تراکم بتن

ضریب تراکم بتن از طریق تقسیم وزن بتن غیرمتراکم (وزن بتن قبل از فشرده‌سازی) بر وزن بتن متراکم (وزن پس از فشرده‌سازی) محاسبه می‌شود. پیش‌تر اشاره کردیم که مقدار ضریب تراکم معمولاً بین ۰.۷ تا ۱.۰ متغیر است. هرچه عدد به ۱ نزدیک‌تر باشد، بتن کارایی بیشتری دارد و به‌ راحتی متراکم می‌شود.

جدول تفسیر عددی ضریب تراکم بتن

با توجه به جدول زیر می‌توانید وضعیت کارایی و روانی بتن را تشخیص دهید:

ضریب تراکم بتن باید همواره با نوع کاربری و شرایط اجرایی پروژه مقایسه شود؛ به‌ عنوان مثال، بتن مورد استفاده در فونداسیون باید از نظر روانی در حد متوسط باشد، در حالی که بتن سازه‌های باریک و پر از آرماتور باید روان‌تر باشد.

اگر مقدار ضریب تراکم بسیار پایین‌تر از حد انتظار باشد، ممکن است آب اختلاط کم باشد یا مصالح خشک و درشت‌دانه در مخلوط زیاد استفاده شده باشند.

اگر این مقدار بسیار بالا باشد، احتمالاً آب یا روان‌کننده بیش از حد استاندارد استفاده شده است که این امر می‌تواند منجر به افت مقاومت و جداشدگی دانه‌ها شود.

نمونه‌های از محاسبه ضریب تراکم بتن

فرض کنید آزمایش را انجام دادید و اکنون داده‌های زیر را در اختیار دارید:

وزن ظرف استوانه‌ای خالی: 10 کیلوگرم

وزن ظرف+ بتن غیرمتراکم: 17.5 کیلوگرم

وزن ظرف+ بتن متراکم: 18.6 کیلوگرم

حال باید وزن خالص بتن‌ها را محاسبه کنیم:

وزن بتن غیرمتراکم:

7.5 = 17.5-10

وزن بتن متراکم:

 8.6 = 18.6-10

با توجه به این اعداد، ضریب تراکم بتن برابر است با:

0.872=7.5/8.6

پس ضریب تراکم بتن در این نمونه برابر است با 0.872. در واقع، بتن کارایی و روانی متوسطی دارد.

در ادامه مثال دیگری می‌آوریم:

وزن ظرف استوانه‌ای خالی: 9.250 کیلوگرم

وزن ظرف+ بتن غیرمتراکم: 15.900 کیلوگرم

وزن ظرف+ بتن متراکم: 17.790 کیلوگرم

حال باید وزن خالص بتن‌ها را محاسبه کنیم:

وزن بتن غیرمتراکم:

15.900-9.250= 6.650 کیلوگرم

وزن بتن متراکم:

9.250- 17.790= 8.540 کیلوگرم

با توجه به این اعداد، ضریب تراکم بتن برابر است با:

        ​0.7787 =6.650/8.540

پس ضریب تراکم بتن در این نمونه برابر است با 0.779. در واقع، بتن کارایی پایینی دارد. نسبتا خشک و سفت است و روان نیست.

نکاتی برای اجرای دقیق‌تر آزمایش ضریب تراکم بتن

برای آنکه نتایج آزمایش ضریب تراکم بتن دقیق، قابل اعتماد و قابل‌تکرار باشند، رعایت چند نکته کلیدی در حین انجام آزمایش ضروری است. کوچک‌ترین خطا در آماده‌سازی نمونه، تجهیزات یا حتی زمان‌بندی می‌تواند باعث تغییر محسوس در مقدار نهایی ضریب تراکم شود. در ادامه، مهم‌ترین نکات برای اجرای بهتر این آزمایش را می‌آوریم.

توجه به دمای محیط و نمونه بتن

دمای بالا یا پایین می‌تواند بر روانی و کارایی بتن تأثیر بگذارد. اگر بتن در دمای زیاد آزمایش شود، بخشی از آب تبخیر شده و بتن خشک‌تر می‌شود و نتیجه آزمایش کاهش می‌یابد. در مقابل، دمای پایین ممکن است باعث افزایش کارایی ظاهری بتن شود؛ بنابراین، توصیه می‌کنیم آزمایش را در دمای معتدل (بین ۲۰ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد) انجام دهید.

مرطوب نگه داشتن سطوح داخلی دستگاه

یکی از خطاهای رایج در این آزمایش، چسبیدن بتن به دیواره قیف یا ظرف استوانه‌ای است که باعث کاهش مقدار بتن واقعی در بخش پایینی دستگاه و در نتیجه، خطای محاسباتی می‌شود. قبل از شروع آزمایش با استفاده از پارچه مرطوب یا اسپری آب، سطوح داخلی دستگاه را مرطوب کنید.

عدم وارد کردن ضربه یا لرزش در مرحله اول

در حین ریختن بتن از قیف بالایی به پایین یا در زمان عبور بتن بین قیف‌ها، نباید هیچ ضربه‌ای به دستگاه وارد کنید. لرزش یا تکان ناگهانی باعث تراکم زودهنگام بتن و تغییر در حالت طبیعی جریان بتن می‌شود و روی نتیجه تأثیر منفی خواهد گذاشت.

ریختن یکنواخت بتن در قیف‌ها

در زمان پر کردن قیف بالایی، بتن باید به‌ صورت لایه‌ لایه و یکنواخت ریخته شود. ریختن سریع یا نامنظم باعث ایجاد حباب‌های هوا و جداشدگی سنگدانه‌ها می‌شود. این موضوع می‌تواند وزن بتن غیرمتراکم را کاهش و ضریب تراکم را بیش از مقدار واقعی نشان دهد.

رعایت زمان تست

بین ساخت بتن و انجام آزمایش نباید بیش از ۲ دقیقه فاصله بیفتد. در غیر این صورت، بخشی از آب بتن جذب مصالح می‌شود یا تبخیر می‌گردد. این امر موجب می‌شود بتن سفت‌تر ‌شود. این تغییر در کارایی، باعث بروز خطا در نتایج نهایی می‌شود.

استفاده از ترازو دقیق و کالیبره شده

ترازو باید قبل از هر آزمایش تنظیم (کالیبره) شود. دقت اندازه‌گیری باید حداقل تا ۱۰ گرم باشد. وزن ظرف استوانه‌ای خالی نیز باید با دقت ثبت شود تا خطایی در محاسبات ایجاد نشود. وزن ظرف را بعداً از وزن بتن‌ها کم می‌کنیم تا صرفا وزن خالص بتن را داشته باشیم.

استفاده از نمونه بتنی با ترکیب یکنواخت

در صورتی که بتن به‌ خوبی مخلوط نشده باشد، مواد سنگین‌تر مانند شن در پایین و ملات سیمانی در بالا جمع می‌شوند. این عدم یکنواختی باعث تغییر در روانی بتن و در نتیجه خطای قابل ‌توجه در محاسبه ضریب تراکم خواهد شد.

تمیز کردن دقیق دستگاه پس از هر آزمایش

باقی‌ ماندن ذرات بتن از آزمایش‌های قبلی روی دیواره‌ها یا دریچه‌ها می‌تواند مانع از حرکت طبیعی بتن در آزمایش‌های بعدی شود؛ بنابراین باید پس از هر بار استفاده، دستگاه را کاملاً تمیز کنید.

بررسی وضعیت دریچه‌ها پیش از آزمایش

دریچه قیف‌ها باید کاملاً بسته و بدون نشتی باشند. باز بودن جزئی یا گیر کردن دریچه هنگام عبور بتن، جریان بتن را مختل می‌کند و باعث می‌شود بخشی از مواد زودتر یا دیرتر از قیف عبور کند.

تکرار آزمایش برای اطمینان از دقت نتایج

برای افزایش دقت، بهتر است هر نمونه بتن حداقل دو تا سه بار آزمایش شود و میانگین نتایج به‌ عنوان مقدار نهایی ضریب تراکم ثبت گردد. اختلاف بین نتایج نباید بیش از ۰.۰۲ باشد؛ در غیر این صورت باید آزمایش را تکرار کنید.

کاربرد آزمایش ضریب تراکم در پروژه‌های عمرانی

این آزمایش کاربردهای زیادی دارد و می‌تواند از جهات مختلف به مهندسان و پیمانکاران کمک کند. از جمله کاربردهای این تست عبارت‌اند از:

• کنترل کیفیت بتن در کارگاه‌های ساختمانی
• ارزیابی تأثیر افزودنی‌ها و تغییرات در مخلوط بتن
• پایش و نظارت بر رفتار بتن در شرایط سخت
• بررسی اثرات تراکم بر مقاومت نهایی بتن
• اهمیت بالا در پروژه‌هایی با بتن‌ریزی حجیم و پیچیده مثل سدها، پل‌ها و سازه‌های بتنی بزرگ

مزایای آزمایش ضریب تراکم بتن

آزمایش ضریب تراکم بتن یکی از دقیق‌ترین روش‌ها برای ارزیابی کارایی بتن‌هایی با روانی کم تا متوسط است و مزایای قابل‌ توجهی نسبت به دیگر آزمایش‌های کارایی دارد. از جمله:

• ارزیابی دقیق کارایی بتن به ویژه در بتن‌های خشک و کم اسلامپ
• قابلیت محاسبه عددی و مقایسه‌ای
• کمک به اصلاح طرح اختلاط و بهبود کیفیت
• سادگی و هزینه پایین
• پیشگیری از هزینه‌های اضافی در آینده

محدودیت‌های آزمایش ضریب تراکم بتن

با وجود مزایای فراوان، آزمایش ضریب تراکم بتن محدودیت‌هایی هم دارد و لازم است که پیش از انتخاب به آن‌ها توجه کنید:

• نیاز به تجهیزات خاص
• عدم کاربرد برای تمامی انواع بتن به ویژه بتن‌های بسیار روان
• نیاز به دقت بالا در اجرا
• تأثیر عوامل محیطی بر نتیجه آزمایش

مقایسه آزمایش ضریب تراکم بتن با آزمایش اسلامپ

در کنار آزمایش ضریب تراکم ، آزمایش اسلامپ نیز یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای ارزیابی کارایی بتن است. این دو معمولاً به‌ صورت مکمل استفاده می‌شوند. آزمایش اسلامپ با استفاده از یک مخروط ناقص فلزی انجام می‌شود یعنی در آن بتن تازه ریخته می‌شود. پس از پر کردن مخروط، آن را به آرامی بلند می‌کنیم و میزان کاهش ارتفاع بتن را که به آن «اسلامپ» می‌گوییم، اندازه‌گیری می‌کنیم. مقدار اسلامپ نشان‌دهنده میزان روانی بتن است؛ به این معنا که هرچه اسلامپ بیشتر باشد، بتن روان‌تر است و به راحتی متراکم می‌شود. اسلامپ برای بتن‌هایی که کارایی بالا و روانی زیادی دارند و به راحتی جریان می‌یابند، کاربرد دارد.

با توجه به این تعریف، این دو آزمایش شباهت‌های زیادی دارند؛ اما دامنه کاربرد و دقت آن‌ها متفاوت است. در جدول زیر می‌توانید تفاوت این دو آزمایش را مشاهده کنید.

کلام آخر

در این مقاله به بررسی آزمایش ضریب تراکم بتن پرداختیم. این تست به‌ ویژه برای بتن‌هایی با روانی پایین و متوسط که آزمایش اسلامپ قادر به اندازه‌گیری دقیق آن‌ها نیست، کاربرد دارد. این آزمایش با مقایسه وزن بتن در دو حالت متراکم و غیرمتراکم، معیاری عددی و قابل اعتماد از روانی بتن ارائه می‌دهد. رعایت نکات اجرایی مانند کنترل دما، استفاده از تجهیزات دقیق و انجام آزمایش در شرایط مناسب، نقش زیادی در صحت نتایج دارند. با وجود برخی محدودیت‌ها، این روش همچنان یکی از کارآمدترین ابزارهای کنترل کیفیت بتن در پروژه‌های عمرانی به شمار می‌رود و به مهندسان کمک می‌کند تا دوام و عملکرد سازه را به بهترین شکل تضمین کنند.

منابع

https://theconstructor.org/concrete/compaction-factor-test/1565

https://www.engineeringcivil.com/workability-of-fresh-concrete-by-compacting-factor-test.html

https://app.jove.com/science-education/v/16882/compacting-factor-test

https://www.concrete.org.uk/fingertips/compacting-factor-test-bs-1881-part-103

https://testbook.com/civil-engineering/compaction-factor-test-procedure-apparatus-and

https://www.slideshare.net/slideshow/compaction-factor-test-61731820/61731820

https://www.bricknbolt.com/blogs-and-articles/construction-guide