شرایط رطوبت سنگدانه‌ها حالت اشباع با سطح خشک (SSD)

کلینیک بتن ایران با درک عمیق از پیچیدگی های مرتبط با مواد اولیه بتن،خدمات جامعی از جمله ارائه تجهیزات و خدمات آزمایشگاهی دقیق برای تعیین وضعیت رطوبتی سنگدانه ها،افزودنی های بتن پیشرفته (مانند انواع روان کننده ها و ژل میکروسیلیس) برای جبران خطاهای رطوبتی و مشاوره تخصصی طرح اختلاط را به جامعه مهندسی ارائه می دهد. در این مقاله، به تشریح یکی از حیاتی ترین مفاهیم در تکنولوژی بتن، یعنی حالت اشباع با سطح خشک (SSD) می پردازیم .

حالت SSD: تعریف علمی و وضعیت های رطوبتی سنگدانه ها

حالت SSD (Saturated Surface Dry)،حالت مرجعی است که برای استانداردسازی محاسبات طرح اختلاط بتن تعریف می شود. در این حالت، تخلخل های داخلی سنگدانه کاملاً از آب پر شده اند (اشباع)،اما هیچ گونه رطوبت یا فیلم آبی روی سطح خارجی سنگدانه وجود ندارد. به عبارت دیگر،سنگدانه در حالت SSD نه آب جذب می کند و نه آبی آزاد می کند .

این تعریف از آن رو حیاتی است که در طرح اختلاط، مقدار آب مورد نیاز برای فعال سازی سیمان و تأمین کارپذیری مد نظر، بر اساس سنگدانه هایی که در حالت SSD قرار دارند،محاسبه می شود. هرگونه انحراف از این حالت،نیازمند اعمال اصلاحات در مقدار آب موثر ورودی به مخلوط است .

نمودار وضعیت های رطوبتی سنگدانه ها

سنگدانه ها بسته به میزان رطوبت داخلی و سطحی،می توانند در چهار وضعیت اصلی قرار بگیرند که شناخت تفاوت های آن ها برای کنترل کیفیت بتن ضروری است:

1. خشک شده در کوره (Oven-Dry):

• وضعیت داخلی: تخلخل ها کاملاً خالی از آب هستند.
• وضعیت سطحی: کاملاً خشک .
• عملکرد در مخلوط: حداکثر جذب آب را از مخلوط سیمان دارد و باعث کاهش شدید آب موثر و اسلامپ می شود.

1. خشک سطحی (Air-Dry / جزئی خشک):

• وضعیت داخلی: تخلخل ها partially پر شده اند.
• وضعیت سطحی: خشک .
• عملکرد در مخلوط: مقداری آب جذب می کند (کمتر از حالت خشک کوره)، اما باز هم منجر به کاهش آب موثر می شود .

1. اشباع با سطح خشک (SSD - Saturated Surface Dry):

• وضعیت داخلی: تخلخل ها کاملاً پر شده اند.
• وضعیت سطحی: خشک.
• عملکرد در مخلوط: خنثی. نه آبی جذب می کند و نه آبی آزاد می کند. این حالت مبنای تمامی محاسبات طرح اختلاط است .

1. ترتر از SSD (Wet):

• وضعیت داخلی: تخلخل ها کاملاً پر شده اند.
• وضعیت سطحی: دارای فیلم آب آزاد (رطوبت سطحی).
• عملکرد در مخلوط: آب اضافی (آب آزاد سنگدانه) را وارد مخلوط می کند و باعث افزایش نسبت w/c و اسلامپ ناخواسته می شود.

چرا حالت SSD (اشباع با سطح خشک) در طرح اختلاط بتن حیاتی است؟

اهمیت حالت حالت SSD نه تنها در تعریف یک وضعیت مرجع،بلکه در توانایی مهندس طرح اختلاط برای کنترل دقیق ترین پارامتر بتن، یعنی آب موثر است . آب موثر، آبی است که در واقع برای واکنش هیدراسیون سیمان و تأمین کارپذیری مخلوط در دسترس قرار می گیرد .

تأثیر مستقیم بر نسبت آب به سیمان (w/c)

نسبت آب به سیمان، تعیین کننده اصلی خواص بتن سخت شده است (مانند مقاومت فشاری و دوام). اگر در طرح اختلاط فرض شود که سنگدانه ها در حالت SSD هستند،اما در عمل سنگدانه مرطوب تر (Wet) باشد، آب آزاد مازاد وارد بتن شده و نسبت w/c واقعی افزایش می یابد.

مثال عددی برای تغییر آب موثر:

فرض کنید طرح اختلاطی نیاز به ۱۸۰ کیلوگرم آب موثر به ازای هر مترمکعب بتن دارد و جذب آب سنگدانه ها ۲ درصد است .

سناریوی الف: سنگدانه خشک تر از SSD (مثلاً ۱ درصد جذب می کند): سنگدانه از ۱۸۰ کیلوگرم، مقداری آب جذب می کند . فرض کنید ۱۰۰۰ کیلوگرم سنگدانه در متر مکعب باشد. (۱۰۰۰ کیلوگرم ۱% = ۱۰ کیلوگرم). در نتیجه، آب موثر باقی مانده ۱۷۰ کیلوگرم خواهد بود و نسبت w/c کاهش می یابد (و مقاومت بالا می رود)، اما کارپذیری شدیداً افت می کند .

• سناریوی ب: سنگدانه مرطوب تر از SSD (مثلاً ۱ درصد آب ��زاد دارد): سنگدانه آب اضافی وارد مخلوط می کند (۱۰ کیلوگرم). آب موثر نهایی ۱۹۰ کیلوگرم خواهد بود. نسبت w/c افزایش یافته، مقاومت کاهش و کارپذیری افزایش می یابد.

تأثیر بر مقاومت، دوام و کارپذیری

1. کارپذیری و اسلامپ بتن: تغییرات در آب موثر، بلافاصله در اسلامپ مشهود می شود. اگر سنگدانه ها خشک باشند، آب مورد نیاز برای اسلامپ را جذب می کنند و بتن "خشک" به نظر می رسد. اگر سنگدانه ها تر باشند، اسلامپ بیش از حد افزایش یافته و خطر آب انداختن (Bleeding) و جداشدگی (Segregation) بالا می رود.
2. مقاومت و دوام: افزایش ناخواسته نسبت w/c به دلیل رطوبت مازاد، اصلی ترین عامل کاهش مقاومت فشاری پیش بینی شده است . همچنین،افزایش نفوذپذیری و کاهش دوام در برابر چرخه های یخ زدگی و ذوب شدن و حملات شیمیایی را به دنبال دارد .
3. کنترل کیفیت: تعریف SSD به مهندسین کنترل کیفیت بتن اجازه می دهد تا تنها با اندازه گیری درصد رطوبت کل سنگدانه در محل کارگاه و مقایسه آن با درصد جذب آب (که در آزمایشگاه تعیین شده)، مقدار دقیق آب آزاد یا آب مورد نیاز برای جبران را به مخلوط کن اضافه یا کم کنند.

تأثیر SSD بر آب موثر در بتن و محاسبه اصلاحات

هدف نهایی در هنگام بچینگ (Batching) بتن، تضمین این است که مقدار آب موثر (Water available for hydration and workability) دقیقاً همان چیزی باشد که در طرح اختلاط بهینه تعیین شده است. SSD ابزاری است برای رسیدن به این هدف.

تحلیل شرایط رطوبتی مختلف

میزان رطوبت سنگدانه در کارگاه با دو پارامتر کلیدی سنجیده می شود:

1. جذب آب (Absorption - $W_A$): درصدی از وزن سنگدانه خشک کوره که سنگدانه قادر است برای رسیدن به حالت SSD جذب کند.
2. رطوبت کل (Total Moisture - $W_T$): درصدی از آب که در حال حاضر در سنگدانه وجود دارد (شامل آب داخلی و آب سطحی).

فرمول کلیدی برای محاسبه آب موثر و اصلاحات:

میزان آب آزاد (Surface Moisture - $W_F$) که باید اصلاح شود، به صورت زیر محاسبه می شود:

$$WF = WT - W_A$$

وضعیت رطوبتی سنگدانه	رابطه با SSD	آب آزاد ($W_F$)	اقدام در بچینگ
مرطوب تر از SSD (Wet)	$WT > WA$	مثبت	کاهش آب مورد نیاز طرح اختلاط به میزان $W_F$.
حالت SSD	$WT = WA$	صفر	بدون نیاز به اصلاح آب موثر .
خشک تر از SSD (Air-Dry/Dry)	$WT < WA$	منفی (کسر آب)	افزایش آب مورد نیاز طرح اختلاط به میزان $	W_F	$.

نکته عملی: در صورت عدم تصحیح آب موثر در شرایطی که سنگدانه ها مرطوب تر از SSD هستند، ممکن است کارپذیری بتن بیش از حد افزایش یابد. در این شرایط، استفاده از روان کننده بتن یا فوق کاهنده بتن از مجموعه افزودنی های بتن کلینیک بتن ایران می تواند راهکاری برای بهبود کارپذیری و کاهش نسبت آب به سیمان باشد،اما اولویت همواره باید بر کنترل دقیق آب باشد . همچنین، برای بتن هایی با عملکرد بالا و نیاز به دوام حداکثری، مانند بتن های حاوی ژل میکروسیلیس،دقت در SSD به اوج خود می رسد تا خواص رئولوژیکی حفظ شود .

روش تعیین SSD در آزمایشگاه (تعیین SSD در آزمایشگاه)

تعیین دقیق جذب آب و رسیدن به حالت اشباع با سطح خشک فرایندی آزمایشگاهی است که مستلزم رعایت دقیق استانداردها است. این فرآیند بر اساس نوع سنگدانه (درشت یا ریز) متفاوت است.

گام های استاندارد تعیین جذب آب و SSD (سنگدانه درشت – ASTM C127)

1. نمونه برداری: تهیه نمونه ای معرف از سنگدانه های درشت .
2. اشباع سازی: نمونه به مدت ۲۴ ساعت در آب غوطه ور می شود تا تخلخل های داخلی کاملاً پر شوند.
3. رساندن به حالت SSD: پس از ۲۴ ساعت، نمونه از آب خارج شده و سطح خارجی آن با استفاده از یک پارچه مرطوب یا روش خشک کردن سریع، به دقت خشک می شود تا زمانی که هیچ رطوبت سطحی دیده نشود،اما سطح سنگدانه براقیت خود را از دست نداده باشد . این دقیقاً همان حالت SSD است .
4. وزن کشی در حالت SSD ($M_{SSD}$): وزن سنگدانه در این حالت اندازه گیری می شود .
5. وزن کشی در آب (سنگدانه درشت): وزن سنگدانه SSD زیر آب (با استفاده از قفسه و اصل ارشمیدس) تعیین می شود ($M_{sub}$).
6. خشک کردن در کوره: نمونه به کوره منتقل شده و در دمای ۱۱۰ ± ۵ درجه سلسیوس به وزن ثابت می رسد ($M_{OD}$).

تعیین SSD سنگدانه ریز (ماسه – ASTM C128)

رساندن ماسه به حالت SSD دشوارتر است،زیرا سطح بزرگ تری برای خشک کردن دارد.

1. اشباع سازی: ماسه به مدت ۲۴ ساعت اشباع می شود.
2. رساندن به SSD (استفاده از مخروط): برای تعیین لحظه دقیق SSD، از روش مخروط و میله کوبش (Cone Test) استفاده می شود.

• ماسه مرطوب در مخروط ریخته شده و کوبیده می شود .
• هنگامی که رطوبت زیاد است، ماسه شکل مخروط را حفظ می کند.
• زمانی که ماسه به حالت SSD می رسد،با برداشتن مخروط، ماسه بلافاصله فرو می ریزد (به دلیل حذف چسبندگی آب سطحی). این لحظه،لحظه SSD است.

1. وزن کشی و محاسبه: وزن ماسه در حالت SSD و وزن خشک کوره آن تعیین می شود .

فرمول محاسبه جذب و رطوبت

جذب آب (Absorption - $W_A$):

$$WA (\%) = \frac{M{SSD} - M{OD}}{M{OD}} \times 100$$

نکته مهم: تعیین دقیق SSD، به ویژه برای سنگدانه های ریز، نیازمند مهارت و تجهیزات دقیق است. کلینیک بتن ایران ارائه دهنده تجهیزات و خدمات آزمایشگاهی مرجع برای انجام این آزمایش ها مطابق با جدیدترین استانداردهای بین المللی است .

راهکارهای عملی برای مدیریت شرایط رطوبت سنگدانه ها در کارگاه

کنترل رطوبت در محیط آزمایشگاه با کنترل رطوبت در یک بچینگ پلانت بزرگ متفاوت است . در کارگاه، نوسانات آب و هوایی،بارش و نگهداری نامناسب می تواند وضعیت SSD سنگدانه را به سرعت تغییر دهد .

رساندن سنگدانه به SSD در شرایط کارگاهی (کنترل رطوبت)

در عمل،رساندن تمام سنگدانه ها به حالت ایده آل SSD در کارگاه غیرممکن است. بنابراین،رویکرد عملی،اندازه گیری دقیق رطوبت فعلی و اعمال تصحیحات لازم در بچینگ آب است.

1. روش خیساندن کنترل شده: در پروژه های بزرگ یا زمانی که سنگدانه بسیار خشک است (مثلاً در تابستان)، می توان سنگدانه ها را ۲۴ ساعت قبل از استفاده،با آبپاشی سطحی، اشباع کرد تا حداقل از جذب آب اضافی جلوگیری شود.
2. تخلیه و ته نشینی: برای کنترل آب آزاد، باید به تپه های سنگدانه اجازه داده شود تا آب سطحی اضافی آن ها (آب زهکش) تخلیه شود. معمولاً ۲ تا ۶ ساعت تخلیه برای ماسه پس از بارندگی شدید لازم است.
3. رطوبت سنج سنگدانه (Moisture Meter): استفاده از ابزارهای سریع مانند رطوبت سنج های الکترونیکی (بر پایه امواج میکروویو یا خازنی) که درصد رطوبت کل ($W_T$) را در لحظه و در محل تپه سنگدانه مشخص می کنند، ضروری است . این ابزارها بخشی از تجهیزات آزمایشگاهی مورد تأیید کلینیک بتن ایران هستند.

ملاحظات رطوبتی در هوای گرم و سرد

• بتن ریزی در هوای گرم: سنگدانه ها به دلیل دمای بالا،سریع تر از SSD خشک می شوند و نیاز به جذب آب دارند. توصیه می شود برای جلوگیری از جذب سریع، سنگدانه ها خنک نگه داشته شوند و در محاسبات، جذب آب آن ها لحاظ گردد.
• بتن ریزی در هوای سرد: سنگدانه های مرطوب ممکن است حاوی یخ یا پوشیده از برف باشند . حضور یخ آب موثر را کاهش می دهد (تا زمانی که ذوب شود)، اما در نهایت ذوب شدن آن منجر به آب اضافی می شود. باید اطمینان حاصل شود که هیچ یخ یا برفی وارد بچینگ پلانت نشود.

اشتباهات رایج در تعیین SSD و کنترل کیفیت بتن

خطا در تعیین یا مدیریت SSD می تواند زنجیره ای از مشکلات را در کیفیت بتن ایجاد کند.

1. باقی ماندن فیلم آب سطحی: متداول ترین خطا، به ویژه در ماسه،عدم دقت در مرحله خشک کردن سطح و اشتباه گرفتن حالت مرطوب با SSD است. این امر باعث می شود جذب آب کمتر از واقعیت و آب آزاد بیشتر از واقعیت محاسبه شود.
2. خشک کردن بیش از حد: اگر سنگدانه در حین رساندن به SSD بیش از حد خشک شود،تخلخل های سطحی شروع به خشک شدن می کنند و جذب آب محاسبه شده کمتر از مقدار واقعی خواهد بود .
3. نمونه برداری غیرمعرف: وضعیت رطوبتی در یک توده سنگدانه ناهمگن است (معمولاً در پایین مرطوب تر است). اگر نمونه برداری به روش صحیح و تصادفی صورت نگیرد،نتایج آزمایشگاهی اعتبار نخواهند داشت .
4. نادیده گرفتن زمان: اگر طرح اختلاط بر اساس جذب ۲ درصدی یک سنگدانه در ۲۴ ساعت باشد، اما در عمل سنگدانه تنها ۴ ساعت پیش از استفاده خیس شده باشد،به حالت SSD نرسیده و همچنان آب را از مخلوط جذب خواهد کرد.
5. رطوبت نابرابر بین بچ ها: در کارگاه، اگر اپراتور به طور مداوم رطوبت سنگدانه ورودی را کنترل نکند،حتی اگر میانگین رطوبت درست باشد، تغییرات لحظه ای بین بچ های متوالی (به خصوص در اولین بچ های صبح) منجر به نوسانات شدید اسلامپ و کارپذیری می شود.

رفتار سنگدانه های متخلخل و خاص در حالت SSD

اغلب سنگدانه های مورد استفاده (شن و ماسه طبیعی) دارای جذب آب پایینی (زیر ۲ درصد) هستند. با این حال،در پروژه های خاص، از سنگدانه های متخلخل استفاده می شود که مدیریت SSD آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است .

سنگدانه های با جذب بالا

سنگدانه های سبک (مانند پوکه،پرلیت،لیکا یا انواع خاصی از سنگ های رسوبی) ممکن است جذب آبی فراتر از ۵ تا حتی ۳۰ درصد داشته باشند .

1. مدیریت SSD در سنگدانه سبک: به دلیل حجم بالای تخلخل، زمان لازم برای رسیدن به اشباع کامل بسیار طولانی تر است و کنترل رطوبت در حالت SSD پیچیده تر می شود.
2. استفاده از آب درونی برای عمل آوری: در طرح اختلاط های خاص (مانند عمل آوری داخلی بتن یا بتن های خودتراکم)، ممکن است عمداً از سنگدانه در حالت SSD استفاده شود تا آب ذخیره شده در تخلخل های آن به تدریج برای عمل آوری بتن (Curing) آزاد شود . این امر مستلزم کنترل فوق العاده دقیق SSD است.

تأثیر نوع سنگ

نوع بافت سنگدانه نیز بر سرعت و میزان جذب آب تأثیرگذار اس��. سنگدانه های آذرین یا دگرگونی متراکم تر معمولاً جذب آب بسیار پایینی دارند،در حالی که برخی سنگدانه های رسوبی متخلخل می توانند آب بیشتری جذب کنند .

استانداردهای تعیین رطوبت سنگدانه ها: مروری بر ASTM, EN و ISIRI

برای اطمینان از صحت محاسبات طرح اختلاط و کنترل کیفیت،تمامی مراحل تعیین SSD باید مطابق با استانداردهای بین المللی و ملی انجام شود .

استاندارد	عنوان	کاربرد
ASTM C127	چگالی نسبی و جذب آب سنگدانه درشت	تعیین جذب آب و رسیدن به SSD برای شن
ASTM C128	چگالی نسبی و جذب آب سنگدانه ریز	تعیین جذب آب و رسیدن به SSD برای ماسه (با استفاده از مخروط)
استاندارد ملی ایران ISIRI 446	تعیین وزن مخصوص ظاهری، حجم مطلق و جذب آب سنگدانه درشت	معادل سازی داخلی استاندارد ASTM C127
استاندارد ملی ایران ISIRI 447	تعیین وزن مخصوص ظاهری،حجم مطلق و جذب آب سنگدانه ریز	معادل سازی داخلی استاندارد ASTM C128
EN 1097-6	روش های تعیین خواص مکانیکی و فیزیکی سنگدانه ها	استاندارد اروپایی مشابه

رعایت دقیق این استانداردها، به ویژه در مرحله حساس رساندن نمونه به حالت حالت اشباع با سطح خشک (SSD)، تضمین کننده دقت در محاسبه آب موثر و در نهایت کیفیت محصول نهایی است.

کاربردهای عملی SSD در طرح اختلاط و کنترل QC

مفهوم SSD صرفاً یک مفهوم تئوری نیست، بلکه ابزاری روزمره برای مدیران پروژه و کارشناسان QC در بچینگ پلانت ها است.

نقش SSD در بتن آماده

در صنعت بتن آماده، سنگدانه ها معمولاً در تپه های بزرگ نگهداری می شوند و وضعیت رطوبتی آن ها به شدت به شرایط جوی وابسته است .

• QC روزانه: تیم کنترل کیفیت موظف است چندین بار در روز (به ویژه پس از بارندگی یا تغییرات دمایی قابل توجه)،رطوبت کل ($W_T$) سنگدانه ها را اندازه گیری کند .
• تصحیح هوشمند: بچینگ پلانت های مدرن مجهز به سیستم های توزین هستند که با وارد کردن درصد جذب آب ($WA$) و اندازه گیری رطوبت فعلی ($WT$)،مقدار آب مورد نیاز برای بچینگ را به صورت خودکار اصلاح می کنند. عدم انجام این تصحیح،منجر به بتنی با اسلامپ غیرقابل قبول خواهد شد.

دقت در بتن های خاص

در تولید بتن های با عملکرد بالا (High Performance Concrete) یا بتن های خودتراکم (SCC)،که حساسیت آن ها به آب بسیار زیاد است،خطای ناچیز در شرایط رطوبت سنگدانه ها می تواند موجب عدم دستیابی به خواص مورد نظر شود.

برای مثال، بتن های SCC نیازمند ویسکوزیته و روانی دقیق هستند که توسط فوق کاهنده های آب و مواد پوزولانی (مانند ژل میکروسیلیس) کنترل می شود. اگر آب موثر مخلوط به دلیل رطوبت اضافی سنگدانه افزایش یابد، ویسکوزیته به هم خورده و بتن دچار جداشدگی یا آب انداختن می شود.

به منظور کاهش خطاهای طرح اختلاط و بهینه سازی مصرف افزودنی ها در بتن های ویژه، مشاورین کلینیک بتن ایران خدمات تخصصی برای کنترل و اصلاح طرح اختلاط،با تکیه بر دانش دقیق مدیریت SSD، ارائه می دهند .

جمع بندی

حالت اشباع با سطح خشک (SSD)، فراتر از یک اصطلاح علمی، یک اصل عملیاتی برای کنترل دقیق ترین فاکتور طرح اختلاط یعنی آب موثر است. مدیریت صحیح شرایط رطوبت سنگدانه ها،کلید دستیابی به مقاومت هدف،حفظ کارپذیری مورد نظر و تضمین دوام بلندمدت سازه بتنی است.

خطاهای ناشی از عدم تعیین دقیق SSD، متأسفانه عامل بخش بزرگی از مشکلات کیفی در پروژه های عمرانی است. مهندسین اجرایی، کارشناسان QC و مدیران پروژه با استفاده از ابزارهای دقیق رطوبت سنجی و پایبندی به استانداردهای ASTM و ISIRI می توانند این خطرات را به حداقل برسانند.

کلینیک بتن ایران مفتخر است که با ارائه:

1. خدمات آزمایشگاهی تخصصی: تعیین دقیق جذب آب و SSD برای انواع سنگدانه ها .
2. تجهیزات کنترل کیفیت: از رطوبت سنج های سریع تا لوازم کامل آزمایشگاه بتن.
3. افزودنی های بتن پیشرفته: مانند روان کننده ها و ژل میکروسیلیس برای بهبود طرح اختلاط و اصلاح کارپذیری .