مجله ی ساختمان

بتن چیست ؟

بتن چیست و چه استفاده هایی دارد ؟ تقریباً در هر پروژۀ عمرانی می‌توان رد پای بتن را مشاهده کرد. از ساختمان‌ها و پل‌ها گرفته تا جاده سازی، بتن در همه جا حضور دارد. امروزه بتن زندگی ما را احاطه کرده است، اما واقعاً چند نفر از ما این ماده را می‌شناسیم؟ برای همۀ افرادی که علاقه مند به شناخت بتن هستند، این مقاله می‌تواند تمام سؤالات آنها را پاسخ دهد.

تعریف بتن

بتن یک ماده مصنوعی و کامپوزیت است که از مخلوط چند متریال مختلف ساخته می‌شود. ترکیبات بتن را می‌توان از طریق فرمول محاسبه کرد :

سیمان پرتلند (10 تا 15 درصد) + سنگندانه‌های شن و ماسه (75 تا 65 درصد) + آب (15 تا 20 درصد) = بتن

برای ساختن بتن مخلوطی از سیمان پرتلند و آب باعث ایجاد خمیر سیمانی می‌شود. سپس این خمیر با سنگدانه‌ها مانند شن مخلوط می‌شود. مخلوط خمیر سیمانی و سنگدانه‌ها در نهایت به یک توده سخت مانند سنگ تبدیل می‌شود.

توجه : سیمان پرتلند اصطلاح عمومی برای نوع سیمان است که تقریباً در تمام بتن‌ها استفاده می‌شود.

تاریخچه بتن

تصور اینکه بتن به عنوان مصالح ساختمانی در اوایل سال 6500 قبل از میلاد مسیح مورد استفاده قرار می‌گرفت، سخت است! سازه‌های باستانی که بسیاری از آن‌ها هنوز پابرجا هستند، از نوعی بتن ساخته شده‌اند.

روند مخلوط کردن شن و ماسه، سنگ آهک و آب برای مصالح ساختمانی، در سراسر جهان باستان برای هزاران سال مورد استفاده می‌گرفت. بابلی‌ها و آشوری‌ها از رُس به عنوان ملات یا چسب استفاده می‌کردند تا با مخلوط سنگ، شن و ماسه یک توده سخت و سفت ایجاد کنند.

کشف سیمان، همان چیزی است که ماهیت آنچه اکنون بتن می‌نامیم را تغییر داده است! دگردیسی یا تغییر شکل در ماده‌ای که براساس آن تمدن‌ها شکل گرفتند، همان چیزی است که اولین بار رومی‌ها را در اوایل قرن اول مجذوب خود کرد.

پارتنون و کولوسئوم هر دو با استفاده از بتن رومی ساخته شده‌اند و تا حدی هنوز هم پابرجا هستند. اما مهندسان رومی فقط به بهبود مخلوط باستانی خود نپرداختند، آن‌ها آنچه كه به پرکاربردترین مصالح ساختمانی بشر در دنیای مدرن تبدیل شد را ایجاد کردند.

رومی‌ها در یک آتشفشان معروف به Campi Flegrei  در نزدیک شهر پوزولوی ایتالیا، سحر و جادو کردند. به طور خاص، یک غبار آتشفشانی جادویی که با لمس آب به سنگ تبدیل می‌شد.

این گرد و غبار جادویی به «پوزولان» معروف بود و برای دنیای روم یک معجزه به حساب می‌آمد. همانطور که مشخص شد، پوزولان خاکستر آتشفشانی ایتالیایی، مخلوط کاملی از اکسیدهای سیلیس و آهک است که وقتی با آب مخلوط شود، پایه و اساس آنچه اکنون سیمان می‌نامیم را تشکیل می‌دهد.

مهندسان روم باستان هنگام ورود مواد آتشفشانی به دريا، سخت شدن آن را مشاهده كرده و از خود پرسیدند كه آيا می‌توان این فرآيند را در روند ساخت و ساز مجدداً ايجاد كرد؟ در نتیجه، بتن و رونق ساختمان رومی متولد شد.

توانایی‌های تحمل وزن و دوام خالص بتن، این ماده را برای بسیاری از سازندگان باستان که از آن برای ساخت حمام، اسکله و بندرگاه‌های رومی استفاده می‌کردند، به ماده‌ای محبوب تبدیل کرد.

با این حال، هنگامی که امپراتوری روم در قرن پنجم میلادی سقوط کرد، دانش بتن نیز با آن سقوط کرد. ساخت بتن بیش از هزار سال در تاریخ از دست رفت، تا اینکه در اواسط قرن 15 دوباره پدیدار شد.

یک انگلیسی به نام «جوزف آسپدین» مجدداً ماده‌ای را کشف کرد و آن را به عنوان سیمان پرتلند در سال 1824 ثبت اختراع نمود. سیمان اختراع شده آقای آسپدین، همان متریالی است که سنگ بنای بتن امروزی را تشکیل می‌دهد.

بتن چگونه ساخته می شود ؟

بتن از دو جزء اعم از خمیر سیمانی و سنگندانه تشکیل شده است. اندازه ذرات سنگدانه‌ها بسته به نوع ساخت و ساز می‌توانند اهمیت زیادی داشته باشند. سنگدانه ریز که ماسه است، به ذرات رد شده از روی الک شماره چهار یا 4.75 میلی‌متر اطلاق می‌شود. در حالی که سنگدانه‌های درشت که شن هستند، به ذرات مانده روی الک شماره چهار یا 4.75 میلی‌متر گفته می‌شوند.

خمیر سیمانی همان ترکیب آب و سیمان است که براساس نسب آب به سیمان تعیین می‌شود. اگر بخواهیم بتنی مقاوم بسازیم، سنگدانه‌ها و خمیر باید به نسبت مناسبی با هم مخلوط شوند. اگر خمیر سیمانی کم باشد، بتن فضای خالی زیادی بین سنگدانه‌ها (بتن متخلخل و سطح خشن) خواهد داشت. خمیر سیمانی اضافی همیشه یک سطح خوب و صافی ایجاد می‌کند اما باعث افزایش ترک شده و هزینه‌های ساخت را افزایش می‌دهد.

اینجاست که موضوع مهم طرح اختلاط بتن وارد میدان می‌شود! ترکیب آب و سیمان یک فرآیند شیمیایی به نام هیدراتاسیون است. در طی این واکنش، هر ذره سیمان با ذرات دیگر سیمان پیوند خورده و به سنگدانه‌های مجاور می‌چسبند.

وقتی مخلوط حاصل خشک شود، یک توده سنگی جامد تشکیل می‌دهد. بهترین بتن دارای نسبت آب به سیمان کم است. مهندسان با باید با نسبت آب به سیمان به اصطلاح بازی کنند تا زمانی که به یک نقطه مشخص بین کارایی و کیفیت بتن تازه برسند.

مواد تشکیل دهنده بتن

مواد بتن از سنگدانه‌ ها در بتن تقریبا سه چهارم حجم آن را تشکیل می‌دهند و ملات سیمان و آب یک چهارم تشکیل می دهد.

1. سیمان (Cement)

ملات سیمان از مواد تشکیل دهنده بتن است.

2. آب (Water)

کیفیت آب در بتن از آن جهت حائز اهمیت است که ناخالصی ‌های موجود در آن ممکن است در گیرش سیمان اثر گذاشته و اختلالاتی به وجود آورند. همچنین آب نامناسب ممکن است روی مقاومت بتن اثر نامطلوب گذاشته و سبب بروز لکه‌ هایی در سطح بتن و حتی زنگ زدن آرماتور بشود. در اکثر اختلاط‌ ها آب مناسب برای بتن آبی است که برای نوشیدن مناسب باشد. مواد جامد چنین آبی به ندرت بیش از 2000 قسمت در میلیون ppm خواهد بود به طور معمول کمتر از 1000 ppm می‌ باشد. این مقدار به ازای نسبت آب به سیمان 0٫5 معادل 0٫05 وزن سیمان می ‌باشد. معیار قابل آشامیدن بودن آب برای اختلاط مطلق نیست و ممکن است یک آب اشامیدنی به جهت داشتن درصد بالایی از یون های سدیم و پتاسیم که خطر واکنش قلیایی دانه‌ های سنگی را به همراه دارد، برای بتن سازی مناسب نباشد. به عنوان یک قاعده کلی هر آبی که ph (درجه اسیدیته) آن بین 6 الی 8 بوده و طعم شوری نداشته باشد می ‌تواند برای بتن مصرف شود. رنگ تیره و بو لزوما وجود مواد مضر در آب را به اثبات نمی ‌رساند.

3. مقدار آب مصرفی در سیمان

مقدار آب مصرفی در داخل بتن بسیار با اهمیت است. به منظور تکمیل فرایند واکنش سیمان با آب مقدار مشخصی آب مورد نیاز است. در صورتی که این مقدار کمتر از آن حد باشد قسمتی از سیمان برای واکنش آب کافی دریافت نمی‌ کند و واکنش نداده باقی می ‌ماند. در صورتی که بیش از مقدار مورد نیاز آب به مخلوط بتن اضافه شود پس از تکمیل واکنش، مقداری آب به صورت آزاد در داخل بتن باقی می ‌ماند که پس از سخت شدن بتن باعث پوکی آن و نتیجتا کاهش مقاومت خواهد شد. به همین دلیل دقت در مصرف نکردن آب زیاد در داخل بتن به منظور حصول مقاومت بالا ضروری است.
مقدار آب لازم برای تکمیل واکنش به صورت پارامتر نسبت آب به سیمان تعریف می‌ شود. این نسبت برای سیمان پرتلند معمولی حدود 25 درصد است. با این مقدار آب بتن فاقد کارایی لازم خواهد بود و معمولا نسبت آب به سیمان مورد استفاده در کارگاههای ساختمانی بیش از این مقدار است. در تعیین نسبت اختلاط بتن پارامتری لحاظ می‌شود که مقدار رطوبت سنگدانه‌ها را نیز قبل از افزودن آب به بتن لحاظ می ‌کند که در تعیین مقدار آب مورد نیاز حائز اهمیت است. این رطوبت اضافی (یا کمبود رطوبت) مقدار رطوبت مازاد (کمبود رطوبت) سنگدانه ‌ها از حالت اشباع با سطح خشک SSD یا (Saturated Surface Dry) است.

مشخصات بتن

در زیر یک به یک به خصوصیات بتن اشاره می‌کنیم:

کارایی بتن چیست ؟

کارایی (Workability) خاصیت مخلوط بتن خام یا تازه است. به عبارت ساده، کارایی به معنای سهولت در ریختن بتن در قالب است و بتن قابل اجرا به معنای بتنی است که می‌تواند به راحتی در محل پروژه ریخته شده و متراکم شود.

کارایی از ویژگی‌های حیاتی بتن است و با تراکم و مقاومت نهایی مرتبط است. کارآیی مطلوب برای انواع بتن یکسان نیست! برای یک عضو ساختمانی که دسترسی سختی دارد، کارآیی بیشتری لازم است تا بتن به خوبی در قالب روان شود. از این رو، ما نمی‌توانیم برای همۀ کارهای بتن ریزی، یک نوع کارایی را در نظر بگیریم.

استحکام بتن

استحکام یا مقاومت فشاری بتن توسط نیروی مورد نیاز برای خرد شدن آن تعیین می‌شود و بر حسب پوند بر اینچ مربع یا کیلوگرم بر سانتی متر مربع اندازه گیری خواهد شد. مقاومت فشاری برحسب متغیرهایی مانند نوع کاربرد، طرح اختلاط، نوع سنگدانه‌ها، شرایط آب و هوایی و موارد دیگر تغییر می‌کند.

بتن در کشش ضعیف است! از این رو، مقاومت کششی بتن با افزودن میلگردها بهبود پیدا می‌کند. در مواردی که تنش‌های کششی بسیار بالایی انتظار می‌رود (مانند دهانه بلند بین دو ستون)، بتن می‌تواند شامل آرماتورهای فولادی از پیش کشیده شده باشد. این امر باعث ایجاد نیروهای فشاری در بتن می‌شود که به جبران ضعف‌های کششی سازه کمک می‌کند.

دوام بتن چیست ؟

طبق گفته انستیتوی بتن آمریکا (ACI)، دوام به عنوان «توانایی بتن در برابر مقاومت در برابر اثرات جوی، حمله شیمیایی و سایش با حفظ خواص مهندسی مطلوب» تعریف می‌شود. بتن باید در برابر اثرات جوی، حملات شیمیایی و سایش مقاومت کند.

مواد تشکیل دهنده، طرح اختلاط، نحوه بتن ریزی، عمل آوری و بسیاری موارد دیگر بر دوام و عمر نهایی بتن تأثیرگذار هستند. بتن بادوام دستیابی به سازه‌ها با عمر طولانی را تضمین می‌کند. ناگفته نماند، مقاومت و دوام رابطه مستقیمی با هم ندارند!

نفوذ پذیری بتن

نفوذ پذیری به مقاومت بتن در برابر آب، اکسیژن، دی اکسید کربن و سایر مواد مضر گفته می‌شود. نفوذ پذیری بر دوام این ماده مصنوعی تأثیر منفی می‌گذارد. این مهم باعث می‌شود تا آسیب پذیری بتن در برابر آب و یخ زدگی بیشتر شود.

در مورد بتن مسلح، نفوذ رطوبت و هوا منجر به خوردگی فولاد می‌شود. این امر منجر به افزایش حجم فولاد و در نتیجه ترک خوردن و تخریب بتن می‌شود. نفوذ پذیری بتن برای سازه‌های دریایی و هیدرولیکی از اهمیت بیشتری برخوردار است.

آب انداختگی بتن

تمایل به بالا آمدن آب به سطح بتن تازه ریخته شده به آب انداختگی معروف است. آبی که به سطح بالا می‌رود، ذرات شن و ماسه و سیمان را با خود حمل می‌کند که در اثر سخت شدن، یک لایه کف را به وجود می‌آورند که به «حباب انداختن بتن» معروف است.

آب انداختگی بتن را می‌توان با افزودن سیمان بیشتر، استفاده از سیمان ریزتر، با طرح اختلاط صحیح، استفاده از حداقل مقدار آب، با افزایش مقدار ماسه و موارد دیگر کنترل کرد.

اسلامپ بتن

تست اسلامپ بتن یک آزمایش برای تعیین قوام (روانی) و همچنین کارایی بتن تازه است. این آزمون نقش مهمی در اطمینان از کیفیت فوری بتن در یک پروژه ساختمانی دارد. تقریباً در هر سایت ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آزمایش اسلامپ بسیار ساده و به راحتی قابل کنترل است. همچنین نیاز به تجهیزات نسبتاً کمتری دارد و می‌تواند در مدت زمان کوتاهی انجام شود. در تست اسلامپ، کارایی بتن مستقیماً اندازه گیری نمی‌شود! در عوض، قوام بتن اندازه گیری می‌شود که پیش زمینه‌ای برای تعیین وضعیت کارایی مخلوط بتنی است.

عمل آوری بتن

عمل آوری فرآیند کنترل رطوبت بتن پس از ریختن آن در محل است. هدف از عمل آوری این است که سیمان به طور مناسب هیدراته شود. بدون عمل آوری، بتن ممکن است به مقاومت بالقوه خود نرسد. همچنین لازم است دمای بتن را در طی فرآیند عمل آوری آن کنترل کرد.

در طی عمل آوری، بتن باید مرطوب نگه داشته شود زیرا از دست دادن رطوبت در این دوره باعث می‌شود بتن مقاومت و دوام کامل خود را حفظ نکند. این امر به طور معمول با آبرسانی مداوم سطح بتن انجام می‌شود.

مزایای بتن چیست ؟

بتن صدها سال است که به یکی از محبوب‌ترین مصالح ساختمانی تبدیل شده است. صنعت بتن همچنان در حال رونق است زیرا فواید زیر را به همراه دارد:

• دسترسی به سنگندانه‌ها در تمام دنیا
• هزینه‌های عملیاتی کمتر
• سهولت نگهداری
• مقاومت در برابر آتش
• ثبات بیشتر در صورت بروز بلایای طبیعی
• مقاومت فشاری بالا
• افزایش مقاومت در طول زمان
• دوام و سختی بالا
• مقاوم در برابر پوسیدگی است
• هزینه کم در مقایسه با سایر مصالح
• راحتی در ایجاد شکل دلخواه
• مقاوم در برابر باد و آب
• عایق صدا بودن
• مقاوم در برابر حمله مورچه یا موریانه
• عدم کپک زدن و پوسیدگی
• عدم تولید دود و گاز سمی

کاربردهای بتن چیست ؟

دو مورد از مهم ترین کاربردهای بتن به شرح زیر هستند:

1-ساختمان سازی

ساختمان‌های ساخته شده از بتن به نسبت ساختمان‌های ساخته شده از محصولات دیگر بسیار ایمن و بادوام هستند. اگر می‌خواهید خانه خود را با ماده‌ای بسازید که امنیت و بهره وری را ارائه دهد، پس بتن انتخاب درستی است. مهم نیست که چه نوع پروژه‌ای می‌سازید (مسکونی، اداری یا تجاری)، مهم این است که از بتن نهایت استفاده را ببرید.

2-پیاده رو و جاده

پیاده روها یک شبکه امن بین هر محله و منطقه را ارائه می‌دهند. بتن نسبت به هر ماده ساختمانی دیگری استحکام بیشتری دارد و شهرها می‌توانند روی دوام پیاده روهای بتنی خود حساب باز کنند. بیش از 60 درصد از سیستم بزرگراه‌ها از بتن ساخته شده‌اند. بدین دلیل که این ماده دوام بسیار بالایی دارد و به توسعه پایدار کمک می‌کند.

دیگر کاربردهای بتن عبارتند از:

• آبگذرها و فاضلاب‌ها
• ساخت پل‌ها
• ساخت سدها
• سازه‌های دریایی
• تونل‌های زیرزمینی
• استفاده از بتن به عنوان خاکریز

انواع بتن

ده‌ها نوع بتن برای نیازهای مختلف عمرانی وجود دارند. در زیر چند نوع از متداول‌ترین آورده شده‌اند:

بتن معمولی

بتن معمولی یکی از محبوب‌ترین اشکال بتن است. ترکیب آن شامل سیمان، آب و سنگدانه‌های درشت و ریز است. زمان گیرش این بتن تقریباً 30 تا 90 دقیقه و مقاومتش بین 20 تا 40 مگاپاسکال است. در 28 روز عمل آوری بتن، 75 تا 80 درصد از مقاومت فشاری این بتن تأمین می‌شود و پس از 90 روز، مقاومت فشاری به 95 درصد می‌رسد.

بتن با کارایی بالا

بتن با کارایی بالا در مقایسه با بتن معمولی از مقاومت، کارایی و دوام بالاتری برخوردار است. این بتن دارای خواص مکانیکی بسیار بالا است. این نوع بتن در محیط‌های سخت مقاومت بالایی دارد و در برابر خزش و جمع شدگی که باعث ترک خوردگی می‌شود،  مقاوم است. مقاومت فشاری این بتن 40 تا 80 مگاپاسکال است.

بتن آرمه

بتن مسلح از اشکال مختلف فولاد به عنوان تقویت کننده استفاده می‌کند. ترکیبی از بتن (با مقاومت فشاری بالا) و فولاد (با مقاومت کششی بالا) ویژگی‌های مقاومت منحصر به فردی را به این بتن می‌بخشد. بتن مسلح توانایی تحمل اشکال مختلف تنش در هر نوع بار را دارد.

بتن سبک

بتن سبک هر بتنی با تراکم کمتر از 240 کیلوگرم در متر مکعب را می‌گویند. این بتن اغلب به انواع بتن با سنگدانه‌های سبک، فوم بتن و بتن هوادهی اتوکلاو تقسیم می‌شود. بتن سبک به طور معمول توانایی‌های حرارتی و مقاومت در برابر آتش را بهبود می‎بخشد. با این حال، بیشتر در معرض خزش و جمع شدگی قرار دارد.

دیگر انواع بتن شامل موارد زیر است:

• بتن پلیمری
• بتن پیش تنیده
• بتن پیش ساخته
• بتن شیشه‌ای
• بتن خود متراکم کننده
• بتن الیافی
• بتن هوشمند
• بتن قابل پمپاژ
• بتن مکیده
• بتن اسفنجی

افزودنی ‌های بتن چیست ؟

افزودنی‌ها مواد اضافی مصنوعی یا طبیعی هستند كه می‌توانند دقیقاً قبل یا هنگام اختلاط به مخلوط بتنی اضافه شوند تا یک یا چند خاصیت بتن را تغییر دهند.

دو نوع افزودنی وجود دارد:

• مواد افزودنی مواد معدنی
• مواد افزودنی شیمیایی

مواد افزودنی معدنی

موارد زیر انواع افزودنی‌های معدنی هستند:

• خاکستر بادی
• بخار سیلیس
• سرباره کوره بلند
• خاکستر پوسته برنج

مواد افزودنی شیمیایی

مواد افزودنی شیمیایی انواع مختلفی دارند که عبارتند از:

• تسریع کننده‌ها:ماده‌ای که سرعت هیدراتاسیون سیمان را افزایش می‌دهد. این افزودنی زمان گیرش را کاهش داده و به عبارتی سرعت توسعه مقاومت را افزایش می‌دهد.
• کندگیرکننده‌ها:ماده‌ای که زمان گیرش خمیر سیمانی را به تأخیر میندازد.
• کاهنده آب:ماده‌ای که باعث افزایش کارایی ملات یا بتن تازه مخلوط شده بدون افزایش نسبت آب به سیمان می‌شود یا با کاهش نسبت آب به سیمان کارایی را حفظ می‌کند.
• حباب زا:ماده‌ای که باعث می‌شود هوا به صورت حباب‌های ریز در حین بتن ریزی در حین مخلوط به دام بیفتند. این ماده افزودنی مقاومت بتن در برابر انجماد و ذوب را افزایش می‌دهد.

کلام آخر

دنیایی که همیشه در حال تکامل است، به طور مداوم به راهکارهای جدید در ساخت و ساز نیاز دارد. در دنیای کنونی، بتن یکی از پُرکاربردترین مصالح ساختمانی است. دلیل این امر تنها انتخاب گسترده کاربردهایی نیست که بتن ارائه می‌دهد بلکه رفتار، قدرت، مقرون به صرفه بودن، دوام و انعطاف پذیری آن است که نقش حیاتی دارند. بنابراین، باید گفت: «دنیای امروز بدون بتن چیزی ناقص است!»