مقدمه:
در این یادداشت علمی تلاش می‌کنیم رابطه دانه‌بندی پیوسته و افزایش تراکم در بتن آماده را توضیح بدهیم. دانه‌بندی پیوسته سنگدانه باعث افزایش تراکم ذرات و کاهش فضای خالی بین آن‌ها می‌شود. در نتیجه، حجم خمیر سیمان مورد نیاز برای پر کردن منافذ کاهش می‌یابد و می‌توان میزان سیمان را برای همان روانی و خواص مکانیکی کمتر کرد. این روش، علاوه بر صرفه‌جویی اقتصادی، می‌تواند دوام و مقاومت بتن را نیز بهبود بخشد.
افزایش تراکم ذرات و کاهش فضای خالی در بتن:
وقتی دانه‌بندی سنگدانه به صورت پیوسته طراحی شود، ذرات درشت چارچوب اصلی مخلوط را تشکیل می‌دهند و ذرات ریز در فضای خالی میان آن‌ها جای می‌گیرند. این چینش موجب می‌شود درصد فضای خالی کاهش یافته و تراکم بسته‌بندی (packing density) افزایش یابد. به عبارت دیگر، سنگدانه‌های با دانه‌بندی بهینه حجم قابل توجهی از بتن را تشکیل می‌دهند و نیازی به مصرف بیش از حد خمیر سیمان برای پر کردن فضاهای خالی نیست. مطالعات (Mehta & Monteiro 2014) و (Cook et al. 2013) نشان می‌دهند که هر چه دانه‌بندی پیوسته‌تر باشد، نیاز به خمیر سیمان کاهش می‌یابد و مقاومت فشاری و دوام بتن بهبود می‌یابد. با توجه به ثبت تجربیات مهندسان، مطالعات مطرح شده قابل اثبات و سنجش دوباره است. همچنین مدل‌های ریاضی مانند Andreasen & Andersen نشان می‌دهند که تطابق دانه‌بندی واقعی با منحنی هدف (target grading curve) باعث کاهش فضای خالی و نیاز کمتر به خمیر می‌شود.
کاهش مصرف سیمان با بهینه‌سازی حجم خمیر:
کاهش فضای خالی میان سنگدانه‌ها به معنی کاهش حجم خمیر سیمان لازم است. از آنجا که خمیر سیمان شامل سیمان و آب و گاهی مواد پوزولانی یا پرکننده‌های معدنی است، کاهش حجم خمیر مستقیماً باعث کاهش مصرف سیمان می‌شود. این موضوع در تحقیقات Fennis و (Brouwers 2007) و (Mehta & Monteiro 2014) به‌صورت تجربی نشان داده شده است. از منظر اقتصادی و زیست‌محیطی، کاهش مصرف سیمان اهمیت زیادی دارد. تولید سیمان یکی از منابع اصلی انتشار CO₂ در صنعت ساختمان است. بنابراین کاهش حتی چند ده کیلوگرم سیمان در هر متر مکعب بتن، اثر قابل توجهی بر هزینه‌ها و محیط زیست دارد. مطالعات (Cook et al. 2013) و مدل‌های particle packing مانند Andreasen & Andersen و Compressible Packing Model نشان می‌دهند که با طراحی مناسب دانه‌بندی می‌توان بدون افت کارپذیری یا مقاومت، مصرف سیمان را کاهش داد.
بهینه‌سازی دانه‌بندی با مدل‌های اختلاط ذرات سنگدانه:
یکی از ابزارهای مهم در طراحی دانه‌بندی، مدل‌های ریاضی اختلاط ذرات هستند. مدل Andreasen & Andersen و نسخه اصلاح‌شده Funk & Dinger نشان می‌دهند که با انتخاب توزیع اندازه ذرات در محدوده پیوسته و نزدیک به منحنی هدف، تراکم مخلوط سنگدانه افزایش می‌یابد و به خمیر سیمان کمتری نیاز است. تحقیقات De Larrard و همکاران (1999) مدل Compressible Packing Model) CPM) را ارائه کردند که علاوه بر اندازه ذرات، اثر شکل دانه‌ها، اصطکاک و تراکم‌پذیری مخلوط را نیز در نظر می‌گیرد. این مدل‌ها امکان پیش‌بینی میزان خمیر لازم و کاهش سیمان را فراهم می‌کنند، در حالی که کارپذیری و مقاومت مکانیکی بتن حفظ می‌شود.
اثر دانه‌بندی بهینه بر کاهش مصرف خمیر سیمان و آب:
دانه‌بندی بهینه باعث کاهش سطح موثر ذرات در تماس با خمیر سیمان می‌شود. ذرات ریز سطح بیشتری دارند و برای پوشش کامل نیاز به حجم بیشتری از خمیر و آب دارند. با کاهش نسبت ذرات ریز و افزایش تراکم، حجم خمیر مورد نیاز کاهش یافته و مقدار سیمان و آب لازم برای رسیدن به روانی مشخص کمتر می‌شود (Mehta & Monteiro, 2014; Brouwers & Fennis, 2007). این بهینه‌سازی همچنین باعث کاهش خطر جداشدگی و آب انداختگی (bleeding) می‌شود و توزیع یکنواخت خمیر در میان ذرات سنگدانه بهتر حفظ می‌گردد. مطالعات تجربی نشان می‌دهند که با دانه‌بندی صحیح می‌توان بدون افزایش نسبت آب به سیمان (W/C)، بتن با روانی و مقاومت مناسب تولید کرد (Cook et al., 2013; Funk & Dinger, 1994). این رویکرد به تولید بتن اقتصادی، پایدار و مقاوم کمک شایانی می‌کند.