निर्माण सामग्री: सीमेंट, कंक्रीट, इस्पात, इमारती लकड़ी, बिटुमेन, ईंट व गारा

निर्माण सामग्री व प्रबंधन 2027 संशोधन में सिविल अभियांत्रिकी पेपर का खंड 8 है और उससे पूर्व खंड 2 का अंग। इस अध्याय पर एक संख्या शासन करती है और उसे सबसे पहले नाम देना उचित है: जल–सीमेंट अनुपात। वह कंक्रीट की सामर्थ्य, टिकाऊपन, संकुचन व कार्यशीलता एक साथ और विपरीत दिशाओं में तय करता है, यही कारण है कि कड़े मिश्रण में पानी मिलाने का हर स्थल-विवाद वस्तुतः इन चारों का विवाद है। अधिक जल कंक्रीट को रखने में सरल व दुर्बल बनाता है, काम करते समय कम पारगम्य व कठोर होने पर अधिक पारगम्य, और वह क्षति ऐसी क्रियाविधि से करता है जिसे रटने के बजाय समझना उचित है: सीमेंट को पूर्ण जलयोजन हेतु अपने द्रव्यमान का लगभग एक-चौथाई जल ही चाहिए, अतः शेष लगभग सब कार्यशीलता के लिए है, और वह जब अंततः निकलता है तो पीछे केशिका छिद्र छोड़ जाता है — वे रिक्तियाँ जो सामर्थ्य भी घटाती हैं और वह पथ भी देती हैं जिससे क्लोराइड, सल्फेट व कार्बन डाइऑक्साइड बाद में इस्पात तक पहुँचते हैं। अतः सामर्थ्य व टिकाऊपन दो बार देखी गई एक ही समस्या हैं। शेष अध्याय वही अनुशासन चलाता है: प्रत्येक सामग्री हेतु वह गुण पहचानिए जो वस्तुतः खरीदा जा रहा है और वह परीक्षण जो उसे मापता है। इस्पात सामर्थ्य जितना ही तन्यता के लिए खरीदा जाता है, क्योंकि जो संरचना विफल होने से पूर्व दृश्य रूप से प्रवाहित हो वह उससे भिन्न सुरक्षा-प्रस्ताव है जो न हो। बिटुमेन एक तापमान पर नहीं, तापमान-परिसर भर के व्यवहार हेतु खरीदा जाता है। ईंट व गारा जोड़ी के रूप में खरीदे जाते हैं, और वहाँ प्रति-सहज नियम यह है कि गारा ईंट से दुर्बल होना चाहिए। इमारती लकड़ी रेशे के अनुदिश व्यवहार हेतु खरीदी जाती है, और उसके आर-पार की लकड़ी भिन्न सामग्री है।

सीमेंट: चार व्यक्तित्वों वाले चार यौगिक

बोग यौगिक, और प्रत्येक का योगदान
यौगिकजलयोजन दरयोगदाननिकली ऊष्मा
C₃S (एलाइट)तेज़ — दिनों मेंप्रारंभिक सामर्थ्य; सामान्य सीमेंट का प्रमुख यौगिकउच्च
C₂S (बेलाइट)मंद — महीनों मेंचरम सामर्थ्य; न्यून-ऊष्मा सीमेंट में बढ़ाया जाता हैन्यून
C₃Aसर्वाधिक तेज़ — मिनटों मेंसामर्थ्य में अल्प; शीघ्र जमाव कराता है, और सल्फेट इसी पर प्रहार करते हैंअत्यधिक
C₄AFमध्यमसामर्थ्य में अल्प; सीमेंट को उसका धूसर वर्ण देता हैमध्यम

वे चार यौगिक व उनसे बना जेल सीमेंट का सूक्ष्म-संरचन हैं, और सामर्थ्य रसायन नहीं, सूक्ष्म-संरचन ले जाता है: जलयोजन ऐसा अंतर्ग्रथित कैल्शियम सिलिकेट हाइड्रेट जेल जमाता है जिसका घनत्व व छिद्र-संरचना तय करती है कि लेप क्या वहन कर सकता है। जिप्सम क्लिंकर के साथ ठीक एक कारण से पीसा जाता है: वह C₃A को मंद करता है, जो अन्यथा सीमेंट को मिनटों में जमा देता और अप्रयोज्य बना देता। तालिका को अभिकल्प-लीवरों के समुच्चय के रूप में पढ़िए और सीमेंट-प्रकार रटने की आवश्यकता नहीं रहती। शीघ्र कठोरक सीमेंट C₃S बढ़ाता व महीन पीसता है। न्यून-ऊष्मा सीमेंट C₂S बढ़ाता व C₃A घटाता है, और यही विशाल कंक्रीट बाँध को चाहिए, क्योंकि जलयोजन-ऊष्मा मोटी ढलाई से उत्पन्न होने की तुलना में कहीं धीमे निकलती है और परिणामी तापीय प्रवणता कंक्रीट को भीतर से दरका देती है। सल्फेट-प्रतिरोधी सीमेंट विशेष रूप से C₃A घटाता है, क्योंकि सल्फेट-प्रहार उसी से अभिक्रिया कर एट्रिंजाइट बनाकर काम करता है, जो प्रसारी है। तत्पश्चात् खनिज मिश्रक — फ्लाई ऐश, धातुमल, सिलिका फ्यूम — वह करते हैं जो क्लिंकर नहीं कर सकता: वे जलयोजन द्वारा पीछे छोड़ा मुक्त कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड खा जाते हैं, दुर्बल, विलेय उपोत्पाद को और बंधक जेल में बदलते हुए। यही कारण है कि वे सामर्थ्य से अधिक टिकाऊपन सुधारते हैं, और यही कि वे प्रारंभिक सामर्थ्य धीमी करते हुए चरम सामर्थ्य बढ़ाते हैं।

कंक्रीट: वही एक अनुपात, और मिश्रण अनुपातित कैसे होता है

🎯 अधिक जल स्थायी हानि क्यों है, अस्थायी नहीं
सीमेंट को पूर्णतः जलयोजित होने हेतु अपने द्रव्यमान का लगभग 0.23 से 0.25 जल ही चाहिए। हर मिश्रण उससे अधिक प्रयोग करता है — प्रायः 0.40 से 0.55 — और अतिरिक्त विशुद्ध रूप से कंक्रीट को रखने योग्य बनाने हेतु है। पर अतिरिक्त जल कंक्रीट के कठोर होने पर लुप्त नहीं होता; वह स्थान घेरता है, और जब वह अंततः सूखता है तो वह स्थान केशिका सरंध्रता के रूप में पीछे छोड़ जाता है। वे छिद्र एक साथ वह कारण हैं कि सामर्थ्य क्यों गिरती है (प्रति इकाई आयतन कम ठोस, और हर रिक्ति पर प्रतिबल-संकेंद्रण) और वह कारण भी कि टिकाऊपन क्यों गिरता है (संबद्ध छिद्र-जाल वही पथ है जिससे क्लोराइड, सल्फेट, नमी व कार्बन डाइऑक्साइड प्रबलन तक पहुँचते हैं)। यही कारण है कि दोनों पृथक अभिकल्प-लक्ष्य नहीं, एक ही हैं: वही w/c सीमा जो सामर्थ्य-श्रेणी देती है, संपर्क-श्रेणी भी देती है, और IS 456 ठीक इसी कारण प्रत्येक संपर्क-स्थिति हेतु सामर्थ्य से स्वतंत्र अधिकतम w/c रखता है — मिश्रण पर्याप्त सुदृढ़ हो सकता है और फिर भी अत्यधिक पारगम्य। व्यावहारिक निष्कर्ष वही है जिस पर हर स्थल विवाद करता है: कड़े हो चुके मिश्रण में स्थल पर पानी मिलाना कार्यशीलता लौटाता है और सामर्थ्य व टिकाऊपन स्थायी रूप से खा जाता है। सही उत्तर अतिप्रत्यास्थक है, जो सीमेंट-कणों को स्थिर-वैद्युत रूप से प्रकीर्ण करता है और बिना जल के कार्यशीलता देता है — वही एकमात्र हस्तक्षेप जो सरंध्रता के बिना रखने-योग्यता देता है। एब्राम्स नियम की दिशा ध्यान दीजिए: सामर्थ्य w/c पर निर्भर है, सीमेंट-मात्रा पर नहीं, अतः सीमेंट व जल दोनों उसी अनुपात में साथ मिलाना कंक्रीट को सुदृढ़ नहीं करता; वह उसी सामर्थ्य की अधिक कंक्रीट बनाता है।

कंक्रीट के संघटक चार हैं और उनके अनुपात ही अभिकल्प हैं: सीमेंट, जल, महीन रोड़ी व मोटी रोड़ी, तथा जहाँ प्रयुक्त हों वहाँ मिश्रक पाँचवें के रूप में। मिश्रण निरपेक्ष आयतन विधि से अनुपातित होता है, जो एक ही लेखांकन तत्समक पर टिकी है: सीमेंट, जल, महीन रोड़ी, मोटी रोड़ी व वायु के आयतनों का योग बनी कंक्रीट के आयतन के बराबर होना चाहिए। w/c = 0.5, द्रव्यमान से 1 : 1.5 : 3 मिश्रण, तथा 3.15, 2.65 व 2.70 आपेक्षिक घनत्वों हेतु, सीमेंट का प्रत्येक किलोग्राम मिश्रण में 1/3150 + 0.5/1000 + 1.5/2650 + 3/2700 = 0.0024946 m³ लाता है, अतः 1 m³ पूर्णतः संघनित कंक्रीट को 400.86 kg सीमेंट चाहिए, 200.43 kg जल, 601.30 kg महीन व 1202.59 kg मोटी रोड़ी। मिश्रण-अभिकल्प का सब कुछ उसी योग का रूपांतर है, और उसे परीक्षा में उपयोगी बनाने वाले दो गुण यह हैं कि वह ठीक-ठीक है और वह वायु को दृश्य बना देता है: 2% अंतर्रुद्ध वायु की अनुमति दीजिए और वही सामग्री केवल 0.98 m³ देती है, अतः ऐसी कंक्रीट हेतु अपेक्षित सीमेंट 409.05 kg/m³ हो जाता है जो तनिक भी सुदृढ़ नहीं।

⚠️ बालू का फुलाव आयतन-मापित मिश्रण में बालू कम कर देता है
नम बालू उसी बालू के शुष्क रूप से अधिक स्थान घेरती है, क्योंकि पृष्ठ-नमी की झिल्लियाँ कणों को अलग रखती हैं। सर्वाधिक बुरी आर्द्रता पर — लगभग 4 से 5% — बालू 20 से 30% फूलती है। अब आयतन से मापिए: जो डिब्बा 25% फुलाव पर 1 m³ नम बालू रखे उसमें केवल 1/1.25 = 0.80 m³ बालू है, अर्थात् 20% की कमी, और मिश्रण में महीन रोड़ी उतनी ही कम है, बिना कुछ गलत दिखे। मिश्रण रूखा हो जाता है, मोटी रोड़ी कम भरी रहती है, और पृथक्करण व छत्ता-बनना पीछे आते हैं। दो बातें ध्यान रखिए। संशोधन आर्द्रता में रैखिक नहीं — फुलाव लगभग 4–5% पर अधिकतम तक बढ़ता है और फिर बालू संतृप्त होने पर लगभग शून्य तक लौट आता है, क्योंकि तब जल कणों को अलग करने के बजाय रिक्तियाँ भरता है, यही कारण है कि अत्यंत गीली बालू व शुष्क बालू दोनों ठीक मापी जाती हैं और केवल नम बालू भ्रमित करती है। और सम्पूर्ण समस्या का ईमानदार उत्तर द्रव्यमान से मापना है, जो फुलाव से अछूता है; आयतन-मापन केवल छोटे स्थलों पर टिकता है, और वहाँ क्षेत्र-फुलाव परीक्षण — जल के नीचे प्रतिदर्श का बैठा आयतन मापना — वही संशोधन-गुणक देता है। यही कारण भी है कि स्थल पर मिलाई कंक्रीट पूर्व-मिश्रित से अधिक परिवर्ती है: वही नाममात्र 1:1.5:3 नम प्रभात में शुष्क अपराह्न से भिन्न मिश्रण देता है।

दीर्घकालिक गुण वे हैं जहाँ कंक्रीट सरल प्रत्यास्थ पदार्थ जैसा व्यवहार करना बंद कर देती है। संकुचन सूखने पर आयतन-हानि है, अधिकांशतः अनुत्क्रमणीय, और मिश्रण जितना अधिक जल ले गया हो उतना अधिक — पुनः वही w/c। सर्पण सतत भार के अधीन चलता विरूपण है, वर्षों में मोटे तौर पर प्रत्यास्थ विकृति का दो से तीन गुना, और वह इसलिए महत्त्वपूर्ण है कि वह प्रतिबल पुनर्वितरित करता है: वह बद्ध अवरोध-प्रतिबल को राहत देता है, जो सहायक है, और दीर्घकालिक विक्षेप व पूर्वप्रतिबल-हानि बढ़ाता है, जो नहीं। कार्बनन वह CO₂ है जो प्रबलन की रक्षा करती क्षारीयता को उदासीन करता है, पृष्ठ से मोटे तौर पर √समय की भाँति बढ़ता हुआ — अतः आवरण ही रक्षा है और उसकी गहराई द्विघाती रूप से आयु खरीदती है। और सल्फेट व क्लोराइड प्रहार दोनों छिद्र-जाल से आगे बढ़ते हैं, जो अध्याय को वहीं लौटा देता है जहाँ से वह आरंभ हुआ: जल–सीमेंट अनुपात तय करता है कि कोई भी वस्तु कितनी सरलता से भीतर आती है।

इस्पात, इमारती लकड़ी, बिटुमेन, ईंट व गारा

  • संरचनात्मक इस्पात सामर्थ्य जितना ही तन्यता हेतु खरीदा जाता है। कार्बन बढ़ाना सामर्थ्य बढ़ाता है और वेल्डनीयता व तन्यता दोनों नष्ट करता है, यही कारण है कि संरचनात्मक श्रेणियाँ उससे ऊपर नहीं, लगभग 0.2% कार्बन पर बैठती हैं। अभिकल्प सामर्थ्य 0.87 f_y है — Fe250, Fe415 व Fe500 हेतु 217.5, 361.05 व 435.0 MPa — और Fe415 की अभिकल्प प्रवाह विकृति 0.002 + 0.87 × 415/200,000 = 0.003805 है, जहाँ जोड़ा गया 0.002 शीत-कर्मित छड़ों के क्रमिक प्रवाह हेतु संहिता का प्रावधान है, जिनका कोई तीक्ष्ण प्रवाह-बिंदु होता ही नहीं।
  • इमारती लकड़ी विषमदैशिक है और वह कोई विवरण-मात्र नहीं। रेशे के अनुदिश सामर्थ्य उसके आर-पार की सामर्थ्य से कई गुना है, अतः लकड़ी का सदस्य अपने रेशों की दिशा हेतु अभिकल्पित होता है, और जो दोष महत्त्व रखते हैं — गाँठें, दरारें, तिरछा रेशा — वे वही हैं जो उस दिशा को बाधित करें। आर्द्रता सामर्थ्य व विमाएँ दोनों बदलती है, और मौसमन इसलिए है कि लकड़ी जड़े जाने से पूर्व, बाद में नहीं, अपने सेवा-परिवेश के साथ साम्य में आ जाए।
  • बिटुमेन श्यान-प्रत्यास्थ है, अतः कोई एक सामर्थ्य-आँकड़ा निरर्थक है — वह प्रवेशन (25 °C पर संगति) या श्यानता से श्रेणीबद्ध होता है, और मृदुकरण बिंदु (जो ग्रीष्म के रटन से रक्षा करता है), तन्यता (जीर्ण व कठोर होने पर दरार से) तथा ज्वलन बिंदु (जो उसे गर्म करने वालों की रक्षा करता है) से जाँचा जाता है। कोई एक श्रेणी हर जलवायु पर उपयुक्त नहीं, और श्रेणीयन के होने का सम्पूर्ण कारण यही है।
  • ईंट व गारा जोड़ी के रूप में खरीदे जाते हैं, और नियम प्रति-सहज है: गारा ईंट से दुर्बल होना चाहिए। दीवार हिलती है — तापीय रूप से, बैठक के साथ, नमी के साथ — और उस गति को कहीं जाना है। दुर्बल गारा जोड़ों के अनुदिश दरकता है, जहाँ दरारें महीन, वितरित व पुनःभरने योग्य हैं; सुदृढ़ गारा उस गति को ईंटों से होकर जाने को बाध्य करता है, जहाँ दरारें चौड़ी, संरचनात्मक व अमरम्मत्य हैं। यहाँ सामर्थ्य वह गुण है ही नहीं जिसे अधिकतम किया जाए।

मुख्य बिंदु

  • जल–सीमेंट अनुपात सामर्थ्य, टिकाऊपन, संकुचन व कार्यशीलता एक साथ तय करता है — अतिरिक्त जल केशिका छिद्र छोड़ जाता है।
  • C₃S प्रारंभिक सामर्थ्य, C₂S चरम सामर्थ्य, C₃A शीघ्र जमाव व ऊष्मा (जिप्सम उसे मंद करता है), C₄AF वर्ण देता है।
  • निरपेक्ष आयतन: w/c = 0.5 व 1:1.5:3 पर एक m³ को 400.86 kg सीमेंट चाहिए — और 2% वायु उसे 409.05 कर देती है।
  • नम बालू 20–30% फूलती है, अतः आयतन-मापन मिश्रण में बालू कम करता है; फुलाव 4–5% आर्द्रता के पास शिखर पर और संतृप्त होने पर लुप्त।
  • इस्पात की अभिकल्प सामर्थ्य 0.87 f_y है; अभिकल्प प्रवाह विकृति में 0.002 जुड़ता है क्योंकि शीत-कर्मित छड़ों का तीक्ष्ण प्रवाह-बिंदु नहीं होता।
  • गारा ईंट से दुर्बल होना चाहिए, ताकि गति ईंटों के बजाय पुनःभरने योग्य जोड़ों को दरकाए।

अभ्यास प्रश्न (8)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. कंक्रीट द्रव्यमान से 1 : 1.5 : 3 अनुपातित है, जल–सीमेंट अनुपात 0.5। आपेक्षिक घनत्व सीमेंट 3.15, महीन रोड़ी 2.65 व मोटी रोड़ी 2.70 हैं। निरपेक्ष आयतन विधि से 1 m³ पूर्णतः संघनित कंक्रीट हेतु सीमेंट-मात्रा kg में ______ है (दो दशमलव तक)

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 400.86

    400.86 kg। निरपेक्ष आयतन विधि एक ही तत्समक पर टिकी है: संघटकों के आयतनों का योग बनी कंक्रीट के आयतन के बराबर है। सीमेंट के प्रति किलोग्राम मिश्रण घेरता है 1/3150 + 0.5/1000 + 1.5/2650 + 3/2700 = 0.00031746 + 0.00050000 + 0.00056604 + 0.00111111 = 0.00249461 m³। 1 m³ हेतु C = 1/0.00249461 = 400.86 kg, और शेष निकलते हैं: जल 200.43 kg, महीन रोड़ी 601.30 kg, मोटी रोड़ी 1202.59 kg। आयतन जाँचिए और वे ठीक 1.000000 m³ लौटाते हैं। यह विधि दो वस्तुएँ दृश्य बनाती है जिन्हें अकेला द्रव्यमान-अनुपात छिपाता है। पहली, जल आयतन घेरता है — 200 लीटर कंक्रीट का पाँचवाँ भाग है, स्वयं सीमेंट से अधिक स्थान, और यही कारण है कि w/c बढ़ाना केवल लेप दुर्बल नहीं करता, सम्पूर्ण मिश्रण तनु कर देता है। दूसरी, वायु एक सामग्री है। ऊपर की गणना पूर्ण संघनन मानती है; 2% अंतर्रुद्ध वायु की अनुमति दीजिए और वही संघटक केवल 0.98 m³ देते हैं, अतः पूरा घन मीटर बनाने हेतु 400.86/0.98 = 409.05 kg सीमेंट चाहिए — ऐसी कंक्रीट हेतु 2.04% अधिक सीमेंट जो तनिक भी सुदृढ़ नहीं। कंपन पर बल देने के पीछे वही अंकगणित है: खराब संघनन परिष्करण का विषय नहीं, उसका मूल्य सामग्री में और पुनः सामर्थ्य में चुकाया जाता है, क्योंकि कुछ प्रतिशत रिक्तियाँ संपीडक सामर्थ्य में उससे कई गुना खाती हैं। अंततः ध्यान दीजिए कि विधि क्या नहीं करती: वह मिश्रण को विनिर्दिष्ट अनुपात तक अनुपातित करती है, पर अनुपात बताती नहीं। वह लक्ष्य-सामर्थ्य से w/c द्वारा, और तत्पश्चात् कार्यशीलता व रोड़ी-श्रेणीयन से आता है — वही वास्तविक अभिकल्प, जिसका यह अंकगणित अंतिम चरण है।
  2. कड़े हो चुके कंक्रीट मिश्रण में कार्यशीलता लौटाने हेतु स्थल पर जल मिलाया जाता है। परिणाम का सर्वाधिक सटीक वर्णन है कि

    1. सामर्थ्य व टिकाऊपन दोनों स्थायी रूप से घटते हैं, क्योंकि अतिरिक्त जल पीछे केशिका छिद्र छोड़ जाता है
    2. सामर्थ्य गिरती है पर टिकाऊपन अप्रभावित रहता है, क्योंकि टिकाऊपन मिश्रण के बजाय आवरण पर निर्भर है
    3. कुछ नहीं खोता बशर्ते अतिरिक्त जल के समान अनुपात में अतिरिक्त सीमेंट मिलाया जाए
    4. सामर्थ्य अस्थायी रूप से घटती है पर अतिरिक्त जल के वाष्पित होते ही लौट आती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — सामर्थ्य व टिकाऊपन दोनों स्थायी रूप से घटते हैं, क्योंकि अतिरिक्त जल पीछे केशिका छिद्र छोड़ जाता है

    दोनों स्थायी रूप से घटते हैं, और उसी क्रियाविधि से। सीमेंट अपने द्रव्यमान के लगभग 0.23–0.25 जल से ही पूर्णतः जलयोजित हो जाता है। हर मिश्रण उससे अधिक ले जाता है, और अतिरिक्त विशुद्ध रूप से कार्यशीलता हेतु है — पर वह ताज़ी कंक्रीट में आयतन घेरता है, और जब वह अंततः सूखता है तो वह आयतन केशिका सरंध्रता के रूप में पीछे छोड़ जाता है। वे छिद्र एक साथ दो काम करते हैं। वे सामर्थ्य घटाते हैं, क्योंकि प्रति इकाई आयतन कम ठोस है और हर रिक्ति प्रतिबल संकेंद्रित करती है। और वे टिकाऊपन घटाते हैं, क्योंकि संबद्ध छिद्र-जाल वही मार्ग है जिससे क्लोराइड, सल्फेट, नमी व कार्बन डाइऑक्साइड प्रबलन तक पहुँचते हैं — यही कारण है कि IS 456 प्रत्येक संपर्क-स्थिति हेतु सामर्थ्य-श्रेणी से स्वतंत्र अधिकतम w/c विनिर्दिष्ट करता है: मिश्रण पर्याप्त सुदृढ़ हो सकता है और फिर भी अत्यधिक पारगम्य। विकल्प (द) सर्वाधिक लुभावना गलत उत्तर है और भौतिकी उलट देता है: जल का निकलना ही वह है जो क्षति बनाता है; सूखने से कुछ वापस नहीं मिलता, क्योंकि जो बचता है वही छिद्र है। विकल्प (ब) इसलिए गलत है कि आवरण व पारगम्यता वैकल्पिक नहीं, पूरक हैं — आवरण तभी सहायक है जब जिस कंक्रीट का वह बना है वह प्रवेश का प्रतिरोध करे। विकल्प (स) सूक्ष्म है, और वह एब्राम्स नियम पर विफल होता है: सामर्थ्य w/c अनुपात पर निर्भर है, सीमेंट-मात्रा पर नहीं, अतः सीमेंट व जल उसी अनुपात में मिलाना w/c अपरिवर्तित रखता है और बस उसी सामर्थ्य की अधिक कंक्रीट बनाता है — यदि उद्देश्य खोया हुआ लौटाना था तो व्यर्थ, और वैसे भी ट्रक में पड़े बैच में अमिश्रणीय। सही उपचार अतिप्रत्यास्थक है, जो सीमेंट-कणों को स्थिर-वैद्युत रूप से प्रकीर्ण करता है और बिना जल मिलाए ही कार्यशीलता देता है।
  3. क्षेत्र-आर्द्रता पर बालू 25% फूलती है। 1 m³ आयतन का कोई माप-डिब्बा इसी नम बालू से भरा जाता है। वस्तुतः दी गई बालू का आयतन, बिना फुलाव की अवस्था में 1 m³ के भिन्न के रूप में, ______ है (चार दशमलव तक)

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 0.8

    0.8000 m³ — 20% की कमी। फुलाव का अर्थ है कि बालू फूल चुकी है: जो नम होने पर 1.25 m³ घेरती है वह शुष्क होने पर 1.00 m³ घेरती थी। अतः नम बालू से भरे 1 m³ के डिब्बे में बिना-फुलाव आधार पर मापी 1/1.25 = 0.80 m³ बालू है, और मिश्रण में महीन रोड़ी 20% कम है जबकि स्थल पर सब कुछ पूर्णतः सामान्य दिखता है। वह विषमता ध्यान दीजिए जो परीक्षार्थियों को पकड़ती है: 25% का फुलाव 20% की कमी देता है, 25% की नहीं, क्योंकि दोनों व्युत्क्रम हैं — 1 − 1/1.25 = 0.20। भौतिक कारण पृष्ठ-नमी की पतली झिल्लियाँ हैं जो कणों को अलग रखती हैं, और उसकी सर्वाधिक उपयोगी विशेषता यह है कि वह आर्द्रता में एकदिष्ट नहीं है। फुलाव 4–5% आर्द्रता के पास अधिकतम तक बढ़ता है और फिर बालू के संतृप्ति की ओर बढ़ते ही लगभग शून्य तक लौट आता है, क्योंकि तब जल कणों को अलग करने के बजाय रिक्तियाँ भरता है। अतः शुष्क बालू व अत्यंत गीली बालू दोनों ठीक मापी जाती हैं, और केवल नम बालू — वर्षा या रात्रि-ओस के बाद किसी भी स्थल की सर्वाधिक सामान्य अवस्था — भ्रमित करती है। परिणाम रूखा, कम-बालू वाला मिश्रण है: मोटी रोड़ी ठीक से भरी नहीं जाती, और पृथक्करण व छत्ता-बनना पीछे आते हैं। दो उपचार हैं और उनमें केवल एक वास्तविक है। छोटे स्थल पर क्षेत्र-फुलाव परीक्षण — जल के नीचे प्रतिदर्श का बैठा आयतन मापना — माप-डिब्बे पर लगाने हेतु संशोधन-गुणक देता है। जो भी स्थल कर सके, वहाँ द्रव्यमान से मापिए, जो फुलाव से पूर्णतः अछूता है। स्थल पर मिलाई कंक्रीट के पूर्व-मिश्रित से अधिक परिवर्ती होने का बड़ा कारण यही है: वही नाममात्र 1:1.5:3 नम प्रभात में शुष्क अपराह्न से सारभूत रूप से भिन्न मिश्रण देता है।
  4. कोई विशाल कंक्रीट गुरुत्व बाँध बनाया जाना है। सर्वाधिक उपयुक्त सीमेंट वह है जिसमें

    1. C₂S बढ़ाया व C₃A घटाया गया हो, ताकि जलयोजन में कम ऊष्मा निकले
    2. C₃S बढ़ाया गया हो व सीमेंट महीन पीसा गया हो, ताकि जल चढ़ने से पूर्व सामर्थ्य मिल जाए
    3. C₃A बढ़ाया गया हो, क्योंकि बाँध को यथासंभव तीव्र जमाव चाहिए
    4. जिप्सम छोड़ दिया गया हो, क्योंकि ढलाई मंदक के प्रभावी होने हेतु बहुत बड़ी है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — C₂S बढ़ाया व C₃A घटाया गया हो, ताकि जलयोजन में कम ऊष्मा निकले

    C₂S बढ़ाइए व C₃A घटाइए — न्यून-ऊष्मा सीमेंट। विशाल कंक्रीट की नियामक समस्या सामर्थ्य नहीं, ऊष्मा है। जलयोजन ऊष्माक्षेपी है, और मोटी ढलाई में ऊष्मा उससे कहीं तेज़ी से बनती है जितनी पृष्ठ से निकल सके, अतः भीतरी भाग गर्म होता है जबकि बाहरी परिवेश के निकट रहता है। तत्पश्चात् भीतरी भाग किसी ठंडे, अवरोधक कवच के विरुद्ध फैलता है, और जब वह अंततः ठंडा होता है तो ऐसी कंक्रीट के विरुद्ध सिकुड़ता है जो पहले ही कठोर हो चुकी है — जो भीतर से बाहर की ओर तापीय दरार उत्पन्न करता है, ऐसी संरचना में जिसका सम्पूर्ण प्रयोजन जल-रोधी होना है। बोग तालिका को लीवरों के समुच्चय के रूप में पढ़ना सीधे उत्तर देता है: C₃A प्रति इकाई द्रव्यमान सर्वाधिक ऊष्मा देता है और सामर्थ्य में लगभग कुछ नहीं, अतः वह घटाया जाता है; C₃S तेज़ जलयोजित होता है व उच्च प्रारंभिक ऊष्मा देता है, अतः वह घटाया जाता है; C₂S न्यून ऊष्मा सहित मंद जलयोजित होता है और चरम सामर्थ्य देता है, अतः वह बढ़ाया जाता है। लागत वास्तविक व स्वीकृत है: न्यून-ऊष्मा सीमेंट सामर्थ्य धीरे पाता है, जो वर्षों में बनते बाँध पर उपयुक्त है और तीव्र कार्यक्रम वाले भवन पर असह्य होता। पूरक उपाय वही तर्क चलाते हैं — सीमेंट का कुछ भाग फ्लाई ऐश या धातुमल से बदलना, रोड़ी व मिश्रण-जल पूर्व-शीतित करना, शीतलन-नलिकाएँ जड़ना, तथा परतों में विरामों सहित ढालना ताकि हर परत अगली रखे जाने से पूर्व अपनी ऊष्मा छोड़ दे। विकल्प (ब) शीघ्र-कठोरक सीमेंट की विधि है, जो यहाँ सबसे बुरा संभव चयन है: महीन पिसाई व अधिक C₃S ठीक उसी ऊष्मा को अधिकतम करते हैं जिसे न्यूनतम करना है। विकल्प (स) दो बार गलत है — C₃A उपयोगी सामर्थ्य के बजाय ऊष्मा व शीघ्र जमाव देता है, और बाँध को तीव्र जमाव की आवश्यकता है ही नहीं। विकल्प (द) संकटपूर्ण है: C₃A को मंद करने वाले जिप्सम के बिना सीमेंट शीघ्र जम जाएगा और किसी भी संरचना में अप्रयोज्य होगा।
  5. E = 2 × 10⁵ MPa वाले Fe415 इस्पात हेतु IS 456 सीमा अवस्था अभिकल्प में प्रयुक्त अभिकल्प प्रवाह विकृति ______ है (छह दशमलव तक)

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 0.003805

    0.003805। अभिकल्प प्रवाह प्रतिबल 0.87 f_y = 0.87 × 415 = 361.05 MPa है, अतः उस प्रतिबल पर विशुद्ध प्रत्यास्थ विकृति 361.05/200,000 = 0.0018053 है। तत्पश्चात् IS 456 0.002 जोड़ता है, जो 0.002 + 0.0018053 = 0.0038053 देता है, जो सर्वत्र 0.0038 उद्धृत होता है। जोड़ा गया स्थिरांक न सुरक्षा-गुणक है न मनमाना — वह इसका वर्णन है कि शीत-कर्मित छड़ें वस्तुतः कैसा व्यवहार करती हैं। मृदु इस्पात (Fe250) का तीक्ष्ण, सुपरिभाषित प्रवाह-बिंदु होता है: प्रतिबल–विकृति वक्र में पठार है, और प्रवाह एक घटना है। शीत-कर्मित विरूपित छड़ों (Fe415, Fe500) का कोई नहीं: वक्र क्रमशः मुड़ता है, अतः कोई एक विकृति नहीं जिस पर प्रवाह हो, और उसके स्थान पर प्रमाण-प्रतिबल परिभाषित करना होता है — परंपरागत रूप से 0.2% स्थायी विकृति पर का प्रतिबल। सूत्र का 0.002 वही 0.2% है: संहिता का आदर्शीकृत वक्र लगभग 0.8 f_yd तक प्रत्यास्थ है, फिर वक्र, और प्रत्यास्थ विकृति साथ 0.2% अपसरण पर पूर्ण अभिकल्प प्रवाह तक पहुँचता है। दो परिणाम नियमित रूप से पूछे जाते हैं। चूँकि अभिकल्प प्रवाह विकृति श्रेणी के साथ बढ़ती है — Fe250 हेतु 0.003087, Fe415 हेतु 0.003805, Fe500 हेतु 0.004175 — और विफलता पर कंक्रीट की विकृति 0.0035 पर नियत है, सीमांत उदासीन-अक्ष गहराई x_u,max/d इस्पात के सुदृढ़ होने पर गिरती है: तीनों श्रेणियों हेतु 0.53, 0.48 व 0.46। अतः उच्च श्रेणी का इस्पात केवल समानुपात में अधिक आघूर्ण-क्षमता नहीं देता; वह अपनी संतुलित अवस्था शीघ्र पा लेता है। और जो परीक्षार्थी अभिकल्प मान के बजाय f_y/E = 0.002075 प्रयोग करे उसने आंशिक सुरक्षा-गुणक व 0.2% अपसरण दोनों उपेक्षित किए, जो किसी भी विकृति-संगतता गणना पर गलत दिशा में बड़ी त्रुटि है।
  6. निर्माण सामग्री के विषय में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. ईंट की दीवार में गारा ईंटों से दुर्बल होना चाहिए, ताकि गति ईंटों के बजाय जोड़ों को दरकाए
    2. जिप्सम को C₃A मंद करने व शीघ्र जमाव रोकने हेतु सीमेंट क्लिंकर के साथ पीसा जाता है
    3. संरचनात्मक इस्पात में कार्बन बढ़ाना सामर्थ्य बढ़ाता है पर तन्यता व वेल्डनीयता घटाता है
    4. इमारती लकड़ी समदैशिक है, अतः उसकी सामर्थ्य रेशे के अनुदिश व आर-पार समान है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — ईंट की दीवार में गारा ईंटों से दुर्बल होना चाहिए, ताकि गति ईंटों के बजाय जोड़ों को दरकाए; B — जिप्सम को C₃A मंद करने व शीघ्र जमाव रोकने हेतु सीमेंट क्लिंकर के साथ पीसा जाता है; C — संरचनात्मक इस्पात में कार्बन बढ़ाना सामर्थ्य बढ़ाता है पर तन्यता व वेल्डनीयता घटाता है

    (अ), (ब) व (स)। (अ) प्रति-सहज है और सर्वाधिक उपयोगी। चिनाई की दीवार हिलती है — तापीय रूप से, नींव की बैठक के साथ, नमी के साथ — और उस गति को कहीं समाना होगा। यदि गारा दुर्बल घटक हो तो दरार जोड़ों के अनुदिश आती है: महीन, वितरित, बिछावन-रेखाओं का अनुसरण करती, और खुरचकर पुनःभरने से मरम्मत योग्य। यदि गारा ईंट से सुदृढ़ हो तो गति स्वयं इकाइयों से होकर जाने को बाध्य होती है, और ईंटों के आर-पार सीधी चौड़ी दरारें बनती हैं जिनकी मरम्मत बिना पुनर्निर्माण संभव नहीं। अतः "सुदृढ़ बेहतर है" यहाँ सीधे असत्य है, और मृदु हस्तनिर्मित ईंटों पर धनी सीमेंट-गारा प्रसिद्ध व महँगी भूल है। (ब) सीधा है और उसे तथ्य के बजाय क्रियाविधि के रूप में जानना उचित है: C₃A मिनटों में जलयोजित होता है और सीमेंट को रखे जाने से पूर्व जमा देता; जिप्सम उससे वरीयता से अभिक्रिया कर एट्रिंजाइट बनाता है और उसे प्रयोज्य दर तक धीमा करता है। जिप्सम के बिना सामान्य सीमेंट किसी भी संरचना में अप्रयोज्य होता। (स) वही सौदा है जो संरचनात्मक श्रेणियाँ परिभाषित करता है। कार्बन इस्पात को सुदृढ़ करता है और साथ ही उन दो गुणों को नष्ट करता है जो संरचना को उससे सर्वाधिक चाहिए — तन्यता, ताकि सदस्य विफल होने से पूर्व चेतावनी दे व आघूर्ण पुनर्वितरित कर सके, तथा वेल्डनीयता, क्योंकि उच्च-कार्बन इस्पात शीतलन पर भंगुर क्षेत्र बनाता है। अतः संरचनात्मक श्रेणियाँ लगभग 0.2% कार्बन पर बैठती हैं और सामर्थ्य केवल कार्बन से नहीं, मिश्रातु-निर्माण व संसाधन से पाती हैं। (द) गलत है, और वह ऐसे प्रकार से गलत है जो संरचनात्मक रूप से महत्त्व रखता है: इमारती लकड़ी प्रबल रूप से विषमदैशिक है, जिसकी रेशे के अनुदिश सामर्थ्य आर-पार की सामर्थ्य से कई गुना है। यही कारण है कि लकड़ी के सदस्य रेशा-दिशा हेतु अभिकल्पित होते हैं, यही कि जो दोष महत्त्व रखते हैं — गाँठें, तिरछा रेशा, दरारें — वे ठीक वही हैं जो रेशे बाधित करें, और यही कि रेशे के आर-पार भारित जोड़ किसी भी लकड़ी-संरचना का दुर्बल बिंदु है।
  7. कोई कंक्रीट मिश्रण 0.45 जल–सीमेंट अनुपात पर प्रति m³ 350 kg सीमेंट प्रयोग करता है। जल-मात्रा kg प्रति m³ में ______ है (एक दशमलव तक)

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 157.5

    157.5 kg/m³। जल = w/c × सीमेंट = 0.45 × 350 = 157.5 kg, जो 157.5 लीटर है क्योंकि जल का घनत्व 1 kg/लीटर है — प्रयोग करने योग्य सुविधाजनक तत्समक, क्योंकि स्थल-मापन लीटरों में है और अभिकल्प किलोग्रामों में। संख्या रसायन के सामने रखने पर अधिक रोचक है। सीमेंट अपने द्रव्यमान के लगभग 0.23–0.25 जल से ही पूर्णतः जलयोजित हो जाता है, अतः इसमें से लगभग 0.24 × 350 = 84 kg रासायनिक कार्य कर रहा है और शेष 73.5 kg विशुद्ध रूप से कंक्रीट को रखने योग्य बनाने हेतु उपस्थित है। सामान्य मिश्रण के लगभग आधे जल का कार्यशीलता के अतिरिक्त कोई काम नहीं, और वही आधा अंततः निकलकर केशिका सरंध्रता बनता है। अनुपात 0.60 कीजिए और जल 210 kg हो जाता है, प्रति घन मीटर अन्ततः बनने वाला 52.5 kg और छिद्र-स्थान जोड़ते हुए; उसे 0.40 कीजिए और जल 140 kg है, जो कड़ी व काफी अधिक टिकाऊ कंक्रीट है जो बिना अतिप्रत्यास्थक रखने योग्य न हो। तीन संख्याओं में सम्पूर्ण सौदा यही है। दो व्यावहारिक बिंदु। रोड़ी में पहले से उपस्थित जल अनुपात में गिना जाता है: नम आई रोड़ी मुक्त पृष्ठ-नमी लाती है जिसे मापकर मिलाए जाने वाले जल से घटाना होगा, और उसकी उपेक्षा उन सर्वाधिक सामान्य तरीकों में से एक है जिनसे स्थल अपने अभिकल्प से गीला मिश्रण बना देता है। और अधिकतम w/c सामर्थ्य से स्वतंत्र रूप से संपर्क-श्रेणी द्वारा विनिर्दिष्ट है — मिश्रण अपनी सामर्थ्य-श्रेणी सुखपूर्वक पूरी कर सकता है और फिर भी अपनी टिकाऊपन-आवश्यकता पर विफल हो सकता है, यही कारण है कि दोनों सीमाएँ अलग-अलग जाँची जाती हैं और निचली नियामक होती है।
  8. फ्लाई ऐश व पिसा दानेदार वात्या-भट्टी धातुमल कंक्रीट की 28-दिवसीय सामर्थ्य से अधिक उसका टिकाऊपन सुधारते हैं। इसका कारण है कि

    1. वे जलयोजन द्वारा छोड़ा मुक्त कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड खा जाते हैं, दुर्बल विलेय उपोत्पाद को और बंधक जेल में बदलते व छिद्र-संरचना परिष्कृत करते हुए
    2. वे रासायनिक रूप से निष्क्रिय हैं और बस सीमेंट-मात्रा घटाते हैं, और अतः जलयोजन-ऊष्मा
    3. वे जल-माँग बढ़ाते हैं, जो सूखने पर सघन लेप देती है
    4. वे कंक्रीट की क्षारीयता बढ़ाते हैं, जो क्लोराइड-प्रवेश पूर्णतः रोक देती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — वे जलयोजन द्वारा छोड़ा मुक्त कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड खा जाते हैं, दुर्बल विलेय उपोत्पाद को और बंधक जेल में बदलते व छिद्र-संरचना परिष्कृत करते हुए

    वे मुक्त कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड खा जाते हैं व छिद्र-संरचना परिष्कृत करते हैं। सीमेंट का जलयोजन वह कैल्शियम सिलिकेट हाइड्रेट जेल बनाता है जो कंक्रीट को उसकी सामर्थ्य देता है, और उपोत्पाद के रूप में वह पर्याप्त मात्रा में कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड भी बनाता है — ऐसा यौगिक जो सामर्थ्य में अल्प योगदान देता है, विलेय है, और सल्फेटों तथा निक्षालन का प्रहार-बिंदु है। फ्लाई ऐश व सिलिका फ्यूम जैसी पॉज़ोलानी सामग्री, तथा प्रच्छन्न जलीय धातुमल, जल की उपस्थिति में उसी कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड से अभिक्रिया कर और C-S-H जेल बनाते हैं। दो बातें निकलती हैं, और वही उत्तर हैं। दुर्बल, विलेय प्रावस्था बंधक प्रावस्था में बदल जाती है, और — टिकाऊपन हेतु अधिक महत्त्वपूर्ण — नया जेल केशिका छिद्रों के भीतर जमता है, संबद्ध छिद्र-जाल को असतत जाल में उपविभाजित करते हुए। पारगम्यता परिमाण की एक कोटि या अधिक गिरती है, और चूँकि क्लोराइड, सल्फेट, नमी व कार्बन डाइऑक्साइड सब उसी जाल से आते हैं, टिकाऊपन में सुधार सामर्थ्य के सुधार से कहीं अधिक है। कालन चित्र का दूसरा आधा है और 28-दिवसीय प्रेक्षण सीधे समझाता है। पॉज़ोलानी अभिक्रिया तभी आरंभ हो सकती है जब सामान्य जलयोजन अभिक्रिया हेतु कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड बना दे, अतः वह मंद है: फ्लाई ऐश कंक्रीट प्रायः 28 दिनों पर सादी सीमेंट कंक्रीट से पीछे होती है और 90 दिनों व उसके बाद आगे। अतः ऐसे मिश्रण को केवल 28-दिवसीय घन पर आँकना उसे कम बताता है, यही कारण है कि टिकाऊपन-चालित विशिष्टियाँ परीक्षण-आयु बढ़ाती हैं। विकल्प (ब) केंद्रीय बिंदु पर गलत है — ये सामग्री अभिक्रियाशील हैं, निष्क्रिय भरक नहीं, यद्यपि यह सत्य है कि वे जलयोजन-ऊष्मा भी घटाती हैं, जो विशाल कंक्रीट में वास्तविक गौण लाभ है। विकल्प (स) उल्टा है: फ्लाई ऐश सामान्यतः जल-माँग घटाती है, क्योंकि उसके गोलाकार कण कार्यशीलता सुधारते हैं। विकल्प (द) बात बढ़ा-चढ़ाकर व दिशा-भ्रष्ट करके कहता है — पूरक सामग्री वस्तुतः कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड खाकर क्षारीयता खाती हैं, और क्लोराइड-प्रवेश कुछ भी पूर्णतः नहीं रोकता।