خلاصه مطلب :آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

استاندارد: ASTM C128-97

۱. هدف آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۱. این آزمایش برای تعیین وزن مخصوص حقیقی و ظاهری در دمای ۲۳ درجه سانتی‌گراد   و جذب آب سنگدانه‌های ریز به‌کار می‌رود.

۲.۱. در این روش آزمایش وزن مخصوص حقیقی و ظاهری (بعد از ۲۴ ساعت در آب) مطابق E12، وزن مخصوص حقیقی بر اساس وزن سنگدانه‌های اشباع با سطح خشک و جذب آب مطابق تعاريف C125 تعیین می‌شود.

۲. استانداردهای آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

ASTM

C29/C29M – روش آزمایش تعیین وزن واحد حجم و فضای خالی سنگدانه‌ها
C70 – روش آزمایش تعیین رطوبت سطحی سنگدانه‌های ریز
C125 – تعاریف مربوط به بتن و سنگدانه‌های بتن
C127 – روش آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های درشت
C188 – روش آزمایش تعیین دانسیته سیمان هیدرولیکی
C566 – روش آزمایش تعیین مقدار رطوبت کل سنگدانه‌ها به‌وسیله خشک کردن
C670 – دستورالعمل تعیین محدوده دقت و انحراف برای روش‌های آزمایش مصالح ساختمانی
C702 – دستورالعمل کاهش مقدار نمونه سنگدانه به مقدار مورد نیاز آزمایش دستورالعمل
D75 – دستورالعمل نمونه‌گیری سنگدانه‌ها
E12 – تعاریف دانسیته و وزن مخصوص در ارتباط با جامدات، مایعات و گازها
E380 – دستورالعمل کاربرد سیستم بین‌المللی واحدها (SI) (سیستم متریک جدید)
AASHTO
AASHTO T84 – وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۳. اهمیت و کاربرد آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۳. وزن مخصوص حقیقی مشخصه عمومی است که برای محاسبه حجم اشغال شده توسط سنگدانه‌ها در مخلوط‌های مختلف دارای سنگدانه شامل بتن و آسفالت و مخلوط‌های دیگری که براساس حجم مطلق طرح می‌شوند، به‌کار برده می‌شود.

این کمیت همچنین برای محاسبه فضاهای خالی سنگدانه در روش آزمایش C29 و تعیین رطوبت سنگدانه بر اساس جابه‌جایی آب در روش آزمایش C70 مورد استفاده قرار می‌گیرد. وزن مخصوص حقیقی که بر اساس سنگدانه‌های اشباع با سطح خشک تعیین می‌شود هنگامی به‌کار می‌رود که سنگدانه مرطوب باشد یعنی جذب آب آن مناسب باشد. برعکس وقتی سنگدانه خشک باشد یا فرض شود که خشک است برای محاسبه از وزن مخصوص حقیقی (خشک شده در اون) استفاده می‌شود.

۲.۳. وزن مخصوص ظاهری به دانسیته نسبی مواد جامد سازنده ذرات مربوط می‌شود و شامل فضای خالی داخل ذرات که آب می‌تواند در آن‌ها وارد شود نخواهد بود. این کمیت در ارتباط با تکنولوژی سنگدانه‌های ساختمانی کاربرد زیادی ندارد.

۳.۳. کمیت جذب آب برای محاسبه تغییرات وزن سنگدانه در اثر جذب آب در حفرات خالی ذرات آن هنگامی که سنگدانه به اندازه کافی در مجاورت آب قرار گرفته و عمده جذب انجام شده باشد، در مقایسه با شرایط خشک، به‌کار می‌رود در آزمایشگاه برای تعیین جذب، آب سنگدانه‌های خشک را به مدت ۲۴ ساعت در آب قرار می‌دهند.

سنگدانه‌هایی که از معادن زیر آب استخراج می‌شوند در صورتی‌که اجازه داده نشود خشک شوند. ممکن است درصد جذب آب بالاتری داشته باشند بر عکس درصد رطوبت بعضی سنگدانه‌ها در هنگام استفاده ممکن است کمتر از رطوبت شرایط مستغرق ۲۴ ساعته باشد.
برای سنگدانه‌ای که در تماس با آب است و روی سطح آن رطوبت آزاد وجود دارد، درصد رطوبت آزاد را می‌توان از کسر کردن مقدار جذب آب از کل رطوبت تعیین شده با آزمایش C566 ‌به‌دست آورد.

۴. وسایل مورد نیاز آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۴. ترازو: یک ترازو به ظرفیت ۱ کیلوگرم یا بیشتر و حساسیت ۰.۱ گرم یا کمتر و با دقتی در حدود ۰.۱ درصد بار وارده در آزمایش در هر نقطه از محدوده دامنه کاربرد برای این آزمایش.
۲.۴. چگالی‌سنج (پیکنومتر): بالن یا ظرف مناسب دیگری که نمونه سنگدانه ریز مورد آزمایش در آن ریخته می‌شود و دقت قرائت حجم آن ۰.۱± سانتی‌متر مکعب است. بیشترین حجم قابل قرائت این ظرف باید حداقل ۵۰ درصد بیش از فضای لازم برای جایگیری نمونه آزمایش باشد یک بالن مدرج به ظرفیت ۵۰۰ سانتی‌متر مکعب برای نمونه ۵۰۰ گرمی سنگدانه‌های ریز مناسب است. بالن لوشاتلیه که در C188 تشریح شده است برای نمونه‌ای به وزن تقریبی ۵۵ گرم قابل استفاده خواهد بود.
۳.۴. قالب: یک قالب فلزی به‌شکل مخروط ناقص با قطر داخلی ۳±۴۰ میلی‌متر در بالا و ۳±۹۰ میلی‌متر در پائین و ارتفاع ۳±۷۵ میلی‌متر از فلزی که حداقل ۰.۸ میلی‌متر ضخامت داشته باشد.
۴.۴. کوبه (چکش مخصوص): یک میله فلزی به وزن ۱۵±۳۴۰ گرم دارای یک سر تخت دایره‌ای بقطر ۲۵±۳ میلی‌متر
ابزار تعیین وزن مخصوص و سنگدانه یا میله و مخروط (قالب و چکش مخصوص به این صفحه لینک شوند)

ابزار تعیین وزن مخصوص و سنگدانه (میله و مخروط)

۵. نمونه‌برداری آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۵. نمونه‌برداری بایستی بر طبق دستور العمل D75 انجام شود.

۶. آماده‌سازی نمونه آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۶. حدود یک کیلوگرم از سنگدانه ریز را که با روش شرح داده شده در دستور العمل C702 تهیه شده، انتخاب کنید.
۱.١.۶. نمونه را در ظرف مناسبی قرار دهید و تا رسیدن به وزن ثابت در دمای   درجه سانتی‌گراد خشک نمائید. بگذارید نمونه به اندازه‌ای سرد شود که بتوان آن را به آسانی با دست جابه‌جا نمود. نمونه را در آب مستغرق نموده یا ۶ درصد رطوبت به سنگدانه ریز اضافه کرده و آن را به‌مدت ۲۴±۴ ساعت در این حالت نگه دارید.

۲.١.۶. هرگاه مقادیر جذب آب و وزن مخصوص برای طرح مخلوط بتن به‌کار روند و در آن سنگدانه‌ها در شرایط رطوبت طبیعی باشند. به جای بند ۱-۱-۶ می‌توان از خشک نمودن اولیه نمونه برای رسیدن به وزن ثابت صرف‌نظر کرد و حتی اگر سطوح سنگدانه‌هایی که در ساخت بتن به‌کار می‌روند مرطوب باشند، می‌توان از خیساندن نمونه‌ها به مدت ۲۴ ساعت نیز صرف‌نظر کرد.

مقادیر جذب آب و وزن مخصوص در شرایط اشباع با سطح خشک ممکن است برای سنگدانه‌ای که قبل از خیساندن در گرم‌خانه خشک نشده به طور قابل توجهی بالاتر از سنگدانه مشابه‌ای باشد که در بند ۱-۱-۶ قید گردیده است.

۶.۲. آب اضافی موجود در ظرف را با دقت طوری خالی نمائید که مواد ریز بیرون ریخته نشود. نمونه را روی یک سطح صاف که جاذب رطوبت نباشد پهن کرده و جریان هوای گرم را از روی آن‌ها عبور دهید و آن‌را گاهی بهم بزنید تا دانه‌ها به‌طور یکنواخت خشک گردند. در صورت تمایل برای رسیدن به شرایط اشباع با سطح خشک می‌توان از روش‌های مکانیکی نظیر غلتاندن و هم‌زدن استفاده کرد.

این عمل را تا زمانیکه نمونه به حالت جریان آزاد در آید ادامه دهید با استفاده از روشی که در بند (۱-۲-۶) گفته شده است می‌توان وجود و یا عدم وجود رطوبت سطحی در اجزاء سنگدانه‌های ریز را تعیین نمود. بهتر است که در اولین آزمایش مخروط مقداری رطوبت سطحی در نمونه وجود داشته باشد. خشک کردن نمونه‌ها را با بهم زدن مداوم ادامه دهید و در فواصل متناوب آزمایش مخروط را تکرار نمائید تا از رسیدن به شرایط اشباع با سطح خشک اطمینان حاصل کنید.

اگر در اولین آزمایش ملاحظه شد که دانه‌ها دارای رطوبت سطحی نیستند می‌توان نتیجه گرفت که دانه‌ها از شرایط اشیاء با سطح خشک گذشته‌اند. در این حالت چند میلی‌لیتر آب را با ریزدانه مخلوط کرده و نمونه را به مدت ۳۰ دقیقه در محفظه سرپوشیده‌ای قرار دهید سپس مراحل خشک کردن و آزمایش مخروط را تا حصول شرایط مطلوب ادامه دهید.

۱.۲.۶. آزمایش مخروط برای بررسی رطوبت سطحی: قالب مخروطی را از طرف قطر بزرگتر روی یک سطح افقی که جاذب رطوبت نباشد قرار دهید. قسمتی از ریزدانه نسبتا خشک را بحالت شل در قالب بریزید تا از قالب سرریز کرده و قدری روی آن انباشته شود قالب را با دست نگه داشته و با کوبه ریزدانه داخل قالب را با ۲۵ ضربه بکوبید. برای هر ضربه باید میله از (0.2in) 5 میلی‌متری بالای سطح فوقانی ریزدانه به حالت سقوط آزاد روی آن رها شود. پس از کوبیدن ماسه شل روی قالب را کنار زده و قالب را بطور عمودی بالا بکشید.

اگر هنوز رطوبت سطحی وجود داشته باشد سنگدانه ریز همچنان به شکل قالب باقی می‌ماند و هنگامی که سنگدانه ریز کمی ریزش نماید، مشخص می‌شود که به شرایط سطح خشک رسیده است. برخی از سنگدانه‌های ریز گوشه‌دار با مصالحی با ریزدانه زیاد ممکن است وقتی به حالت اشباع با سطح خشک می‌رسند ریزش نکنند.

این حالتی است که اگر یک مشت ماسه از ارتفاع ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلی‌متری مخروط آزمایش روی سطح آن ریخته شود، ذرات ریز در اثر عبور هوا از هم جدا می‌شوند. (become airborne). برای این نوع مصالح شرایط اشباع با سطح خشک وقتی در نظر گرفته می‌شود که یک نقطه از یک طرف سنگدانه‌های ریز موقع بالا بردن آرام قالب ریزش نماید.

معیارهای زیر در مورد مصالحی که به آسانی ریزش نمی‌کنند، به کار برده می‌شوند:
۱. آزمایش مشروط مخروط: قالب مخروطی را همانند آنچه در بند ۱-۲-۶ توضیح داده شده پر کرده و فقط ۱۰ ضربه وارد کنید. سنگدانه‌های ریز بیشتری اضافه کرده و دوباره ۱۰ ضربه وارد کنید سپس در دو مرحله دیگر مصالحی اضافه کرده و به ترتیب ۳ و ۲ ضربه وارد کنید. مصالح بالای قالب را صاف کرده و مصالح شل را از اطراف برداشته و قالب را در راستای قائم حرکت دهید.

۲. آزمایش مشروط سطح: اگر جدا شدن سنگدانه‌های ریز در اثر عبور هوا (air bone) مورد توجه هستند وقتی ذرات ریز از همدیگر جدا می‌شوند و در آن شرایط رطوبت ریزش اتفاق نمی‌افتد رطوبت بیشتری به ماسه اضافه کنید و در اولین حالت سطح خشک (Surface day) حدود ۱۰۰ گرم از مصالح را با دست به آرامی روی یک سطح صاف، خشک، تمیز، سیاه با یک سطح غیر جاذب مانند یک ورق لاستیک، یک سطح اکسید شده، گالوانیزه شده، با سطح استیل با یک فلز که با رنگ سیاه رنگ‌آمیزی شده بریزید.

 بعد از ۱ تا ۳ ثانیه سنگدانه‌های ریز را جابه‌جا کنید. اگر رطوبت قابل توجهی روی سطح آزمایش برای بیش از ۱ تا ۲ ثانیه مشاهده شد، این نشان دهنده رطوبت سطحی روی سنگدانه‌های ریز است.
اگر مصالحی تک‌اندازه بوده و در حالت مرطوب بریزد برای دستیابی به شرایط اشباع با سطح خشک می‌توان از دستمال کاغذی (حوله) برای خشک کردن استفاده نمود. این وضعیت وقتی حاصل می‌شود که پس از آن، حوله قادر به جدا کردن رطوبت از سطوح ذرات سنگدانه ریز نباشد.

۷. روش انجام آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۷. تمام اوزان را با دقت ۰.۱ گرم اندازه‌گیری و یادداشت نمائید.
۲.۷. قسمتی از پیکنومتر را از آب پر کرده و ۱۰±۵۰۰ گرم سنگدانه ریز که اشباع با سطح خشک است و طبق بند ۶ آماده گردیده است را در آن بریزید آنگاه مجددا به پیکنومتر تا حدود ۹۰ درصد حجم آن آب اضافه نمائید. پیکنومتر را بغلطانید سر و ته نموده و تکان دهید تا حباب‌های هوای آن از بین بروند (به یادآوری ۴ توجه کنید) پیکنومتر را توسط یک عامل خارجی مرتعش نمائید به‌نحوی که ماهیت نمونه تغییر نکند.
روش ارتعاش مکانیکی بایستی به‌نحوی باشد که از محتویات پیکنومتر نکاهد و آن‌را هواگیری کند. یک دستگاه همزن مکانیکی وقتی قابل قبول است که تغییرات نتایج آزمایش‌های مقایسه‌ای در طی هر شش ماه استفاده کمتر از محدوده قابل قبول دو نتیجه (d2S) که از به‌هم زدن دستی بر روی همان نمونه به‌دست آمده است، باشد.
این نتایج در جدول (۱) ارائه شده است باید دقت شود که دمای آزمایش در محدوده   ثابت نگه داشته شود. برای ثابت نگه‌داشتن دما می‌توان در صورت لزوم پیکنومتر را در ظرف آب مخصوصی قرار داد. پیکنومتر را تا خط نشانه آن پر از آب کرده و وزن کل پیکنومتر حاوی آب و نمونه را تعیین نمائید.
برای خروج حباب‌های هوا در روش دستی معمولا مدت ۱۵ تا ۲۰ دقیقه وقت لازم است. نوک یک دستمال کاغذی را در داخل پیکنومتر فرو ببرید تا کفی را که بعضی اوقات هنگام خروج هوا بوجود می‌آید از بین ببرد. کمی الکل ایزوپروپیل را می‌توان برای پخش این کف به کار برد. هیچ‌یک از این مراحل نباید در روش‌های توضیح داده شده در بخش ۱-۲-۷ به‌کار رود.
۱.۲.۷. به‌جای توزین به روش بند ۲-۷ مقدار آب لازم برای پرکردن پیکنومتر در دمای موردنظر را نیز می‌توان به‌طور حجمی با استفاده از یک بورت مدرج با دقت ۰.۱۵ میلی‌لیتر تعیین نمود و وزن کل پیکنومتر، نمونه و آب را از رابطه زیر محاسبه کرد:
C = 0.9975Va + S + W
که در آن:
C= وزن پیکنومتر با نمونه و آب تا خط نشانه بر حسب گرم
Va= حجم آب اضافه شده به پیکنومتر بر میلی‌لیتر
S= وزن نمونه اشباع با سطح خشک بر حسب گرم
۲.۲.۷. روش دیگر توزین به‌جای روش بند ۷-۲ استفاده از بالن لوشاتلیه است. بالن را تا نقطه بین صفر و یک میلی‌لیتر روی گلوگاه ظرف پر از آب کنید اولین قرائت را در شرایطی که دما در محدوده   ثابت نگه داشته شده یادداشت نمائید.
آن‌گاه ۵±۵۵ گرم سنگدانه ریز اشباع با سطح خشک (و با هر مقدار مورد نیاز دیگر که سطح آب را به درجه بندی فوقانی برساند) را داخل بالن بریزید. پس از آنکه همه سنگدانه ریز به داخل آن ریخته شد درب بالن را ببندید و آنرا در حالت مایل بغلطانید و یا به آرامی به صورت یک دایره افقی حرکت دهید تا تمامی هوای حبس شده بین ذرات از آن خارج شود، بطوریکه دیگر هیچ حبابی به سطح نباید سپس قرائت نهائی را یادداشت نمائید. در این حالت اختلاف دمای اولیه و دمای موجود باید حداکثر یک درجه سانتی‌گراد   باشد.
یادآوری ۵: زمانی‌که از روش لوشاتلیه (Le chatelier) استفاده می‌گردد، ممکن است که برای خروج حباب‌های ریز هوا که بر روی سطح آب پدیدار می‌شوند مقداری الکل ایزوپروپیل (کمتر از یک میلی‌لیتر) استفاده شود، که در این حالت مقدار حجم الکل مورد استفاده از قرائت نهائی (R2) کم می‌شود.
۳-۷. سنگدانه‌های ریز را از پیکنومتر بیرون آورده و آن‌را در دمای   خشک نمائید تا به وزن ثابت برسد. آنگاه به مدت 1.5 ساعت در دمای محیط سرد نموده و آن‌ را وزن نمائید.
۱.۳.۷. در صورت استفاده از بالن لوشاتلیه استفاده از یک نمونه دیگر برای تعیین ذب آب الزامی است. برای این منظور نمونه‌ای به وزن 10±500 گرم در حالت اشباع با سطح خشک را تا رسیدن به ‍
۴.۷. وزن پیکنومتر پرشده با آب تا خط نشانه در دمای    را تعیین نمائید.
۷.۴.۱. روش دیگر به‌جای وزن کردن در بند ۷-۴ این است که مقدار آب مورد نیاز برای پرکردن پیکنومتر خالی در دمای موردنظر را از طریق حجمی با به‌کار بردن یک بورت مدرج با دقت ۰.۱۵ میلی‌لیتر به‌دست آورد. وزن پیکنومتر پر شده با آب از رابطه ذیل به‌دست می‌آید.
B=0.9975V + W
که در آن:
B= وزن بالن پر شده از آب بر حسب گرم
V= حجم بالن بر حسب میلی‌متری
W= وزن بالن خالی برحسب گرم

۸. وزن مخصوص حقیقی آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۸.۱. وزن مخصوص حقیقی در دمای   به شرحی که در E12 تعریف شده از رابطه ذیل محاسبه می‌گردد:

که در آن:
A= وزن سنگدانه خشک شده در گرمخانه بر حسب گرم
B= وزن پیکنومتر پر شده از آب بر حسب گرم
S= وزن نمونه اشباع با سطح خشک بر حسب گرم
C= وزن پیکنومتر محتوی نمونه و آب تا خط نشانه بر حسب گرم
۱.۱.۸. در صورت استفاده از بالن، لوشاتلیه وزن مخصوص حقیقی در دمای   از رابطه ذیل به‌دست می‌آید:

که در آن:
  قرائت اولیه تراز سطح آب در بالی لوشاتلیه
  قرائت نهالی تراز سطح آب در بالن لوشاتلیه و
  وزن نمونه اشباع با سطح خشک مورد استفاده در بالن لوشاتلیه بر حسب گرم

۹. وزن مخصوص حقیقی (در حالت اشباع با سطح خشک)

۱.۹. وزن مخصوص حقیقی در دمای    براساس وزن سنگدانه‌های اشباع با سطح خشک از رابطه ذیل محاسبه می‌گردد.

۱.۱.۹. در صورت استفاده از بالن لوشاتلیه وزن مخصوص حقیقی در دمای   بر اساس سنگدانه‌های اشباع با سطح خشک به طریق ذیل محاسبه می‌شود:

۱۰. وزن مخصوص ظاهری

۱.۱۰. وزن مخصوص ظاهری در   به‌شرحی که در E12 تعریف شده از رابطه ذیل محاسبه می‌گردد.

۱۱. جذب آب

۱.۱۱. درصد جذب آب به‌شرحی که در C125 تعریف شده از رابطه ذیل محاسبه می‌گردد.

۱۲. گزارش آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۱۲. نتایج وزن مخصوص‌ها با دقت ۰.۰۱ و جذب آب با دقت ۰.۱ درصد گزارش شود. در ضمیمه روابط ریاضی بین سه نوع وزن مخصوص و جذب آب داده شده است، این اطلاعات در کنترل اعداد گزارش و یا محاسبه مقداری که با استفاده از دیگر اطلاعات بدست نیامده مفید است.
۲.۱۲. در صورتی‌که سنگدانه ریز با رطوبت طبیعی غیر از خشک شدن در گرمخانه و ۲۴ ساعت خیس شدن مورد آزمایش قرار گرفته باشد، باید محل نمونه‌برداری و روش به‌کار برده شده برای جلوگیری از خشک شدن نمونه قبل از آزمایش، گزارش گردد.

۱۳. دقت و خطا آزمایش تعیین وزن مخصوص و جذب آب سنگدانه‌های ریز

۱.۱۳. تخمین دقت این روش آزمایش بر اساس نتایج AASHTO Materials Reference Laboratory Proficiency Sample Program در جدول (۱) آورده شده است و آزمایشها با این روش و روش AASHTO T84 انجام شده است. اختلاف عمده بین روش‌ها این است که در روش C128 زمان اشباع ۲۴±۴ ساعت بوده در حالی‌که در روش T84 ۱۵ تا ۱۹ ساعت است. مشخص شده است که این اختلاف اثر عمده‌ای براندیس دقت ندارد. این اطلاعات از آنالیز بیش از ۱۰۰ جفت نتایج آزمایش در ۴۰ تا ۱۰۰ آزمایشگاه حاصل شده است.
۲.۱۳. چون برای اندازه‌گیری خطای این روش مرجع مناسب و قابل قبولی وجود ندارد، در مورد خطا هیچ‌گونه اظهار نظری نشده است.
جدول ۱ – دقت

A: این اعداد به ترتیب محدوده‌های (1S) و (D2S) را که در روشC670 توضیح داده شده بیان می‌کنند. آنالیز تخمین دقت از ترکیب داده‌هایAASHTO Materials Reference Laboratory Reference Sample Programs از آزمایشگاه‌هایی که از روش ۱۵ تا ۱۹ ساعت اشباع استفاده کرده‌اند و سایر آزمایشگاه‌ها که روش ۴±۲۴ ساعت اشباع را به کار برده‌اند، تعیین شده است. آزمایش بر روی وزن معمول سنگدانه‌ها انجام شده و از وضعیت در اون خشک شده سنگدانه‌ها شروع می‌شود.
B: تخمین میزان دقت بر روی سنگدانه‌هایی است که جذب آب کمتر از یک درصد دارند و ممکن است برای مصالح سنگی ریز مصنوعی تولید شده و مصالح سنگی ریز که درصد جذب آب آن‌ها بیش از یک درصد است متفاوت باشد.