بتن چیست؟

بتن (Concrete) بعد از آب دومین ماده پُر مصرف در کره زمین است! درحقیقت، دنیا بدون بتن قابل تصور نیست زیرا توسعه شهرسازی مدرن وابسته به استفاده از این متریال محبوب است. دلیل استفاده از بتن تنها کاربردهای گسترده‌ اش نیست بلکه بیشتر به این خاطر است که این ماده کامپوزیت ویژگی‌ های منحصر به فردی دارد. اما بتن دقیقاً چیست و چرا از گذشته تا به امروز استفاده از آن ضرورتی اجتناب ناپذیر بوده است ؟ برای پاسخ با ما همراه باشید.

تاریخچه بتن

از اوایل سال 1300 قبل از میلاد، معماران در خاورمیانه از اهمیت سنگ آهک اطلاع داشتند. آنها می‌ دانستند که این ماده در ترکیب با آب به توده سختی تبدیل می‌ شود. تقریباً در همین زمان، یونانیان باستان شروع به استفاده از مخلوطی از آهک و سنگریزه برای ایجاد اعضای سازه‌ ای کردند.

سال 476 میلادی به عنوان انقلاب بتنی شناخته می‌ شود. از گنبد پانتئون تا قنات پونت دو گارد، بسیاری از برجسته‌ ترین جاذبه‌ های گردشگری با بتن ساخته شدند. استفاده از بتن پس از سقوط امپراتوری روم به طور قابل توجهی کاهش یافت و تنها در قرن هجدهم بود که دوباره بر سَر زبان‌‌ ها افتاد. این امر به دلیل دو نوآوری مهم بود که اولین آن کار «جان اسماتون» بود که بسیاری از تکنیک‌ های ساخت سیمان روم باستان را دوباره کشف کرد و دومی روش تولید آهک هیدرولیکی بود.

گنبد پانتئون در رم ایتالیا

اختراع سیمان پرتلند در سال 1824 دنیا را تغییر داد! سپس با اختراع بتن مسلح، کاربردهای استفاده از این ماده رو به فزونی رفت. امروزه استفاده از بتن بخش جدا ناپذیری از صنعت عمران و صنایع وابسته به آن است.

بتن چیست؟

بتن ماده ‎ای کامپوزیت (ماده مرکب یا چند سازه) و مصنوعی مانند سنگ است که از یک ماده اتصال دهنده (سیمان)، آب و سنگدانه‌‌ ها ساخته می‌ شود. نسبت مواد تشکیل دهنده که به «طرح اختلاط» معروف است، رابطه مستقیمی با مقاومت و کیفیت محصول نهایی دارد.

فرمول ترکیبات بتن به شرح زیر است:

بتن = ماده اتصال دهنده + سنگدانه ریز و درشت + آب + مواد افزودنی (اختیاری)

اکنون متوجه شدیم که سه ماده اصلی در ساخت بتن شامل سیمان، آب و سنگدانه‌‌ ها هستند. حالا با جزئیات بیشتر به نقش هر یک از این مواد می‌پردازیم:

• سیمان: سیمان مهمترین ماده تشکل دهنده بتن است. وقتی سیمان و آب با هم مخلوط می‌ شوند به صورت خمیری چسبناک در می‌ آیند و سنگدانه‌ های موجود در طرح اختلاط را به هم متصل می‌ کنند.
• آب: برای ایجاد خمیر سیمانی، وجود آب مهم است. از نظر شیمیایی آب با سیمان واکنش داده و ساخت بتن را عملی می‌ کند. مقدار آبی که در طرح اختلاط استفاده می‌ شود، نسبت آب به سیمان را تغییر می‌دهد. این مهم به نوبه خود بر مقاومت و خصوصیات این ماده کامپوزیت تأثیر می‌گذارد.
• سنگدانه: سنگدانه‌‌ ها به بهبود خواص بتن کمک می‌ کنند. سنگدانه‌ ها شامل شن (درشت دانه) و ماسه (ریزدانه) هستند. ویژگی‌ های شن مانند گِرد گوشه یا تیز گوشه بودن یا زبری بر مقاومت فشاری نهایی این ماده کامپوزیت تأثیر مستقیم دارند.

بتن چگونه ساخته می‌شود ؟

بتن ماده ‌ای بسیار ضروری و مفید برای کار های ساختمانی است. هنگامی که تمام مواد تشکیل دهنده با نسبت‌ های تعیین شده با هم ترکیب می‌شوند، سیمان و آب با یکدیگر واکنش هیدراتاسیون را آغاز می‌کنند تا محصول نهایی به یک توده سخت تبدیل شود.

روند ساخت بتن در ابتدا با طرح اختلاط شروع می‌ شود. اما باید به این مرحله توجه زیادی داشت! مخلوطی که خمیر سیمانی کافی برای پُر کردن فضای بین سنگدانه‌‌ ها را نداشته باشد، مقاومت فشاری بتن را کاهش می‌ دهد. برعکس، ترکیبی که خمیر سیمانی زیادی داشته باشد، احتمال ترک خوردن محصول نهایی را افزایش می‌دهد.

درحقیقت، خمیر سیمانی باید سنگدانه‌‌ ها را به طور کامل بپوشاند و هیچگونه فضای خالی ایجاد نکند. از سویی دیگر اسلامپ (کارایی و روانی) نباید خیلی زیاد باشد تا خمیر حالتی شُل به خود بگیرد و سنگدانه را به سمت پایین هدایت کند. در این مرحله، با تعیین نسبت آب به سیمان و درصد میزان هر یک از سنگدانه‌‌ ها، فرآیند ساخت بتن آغاز می‌ شود.

به طور کلی، پارامترهای مؤثر در طرح اختلاط بتن شامل موارد زیر هستند:

• اسلامپ
• مقاومت فشاری
• سنگدانه‌ها
• نوع سیمان
• نسبت آب به سیمان

مخلوط از طریق یک واکنش شیمیایی معروف به هیدراتاسیون شروع به سخت شدن می‌ کند. هنگامی که محصول نهایی به درستی در میکسر مخلوط شد، حالا زمان ریختن بتن در قالب شروع می‌ شود. سپس ویبره کردن مخلوط بعد از ریختن به کاهش حباب‌ های هوا و ایجاد مخلوطی همگن کمک می‌ کند.

اهمیت استفاده از بتن

هر کجا سازه‌ ای دیده می‌ شود، بتن نیز وجود دارد. استفاده از بتن در ساخت و ساز های امروزی مهم است زیرا سازه‌ ها مقاومت و پایداری خود را از این ماده کامپوزیت می‌ گیرند. ثانیاً، متریالی ارزان است و به اشکال مختلف قالب گیری می‌ شود.

بتن با استفاده از مواد طبیعی تولید می‌ شود. از این رو سازگار با محیط زیست بوده و قابل بازیافت است. می‌ توان بتن بازیافتی را خُرد کرد و به عنوان سنگدانه خشک برای تهیه محصول جدید استفاده کرد. تا زمانی که فعالیت‌ های ساختمانی در جهان در جریان هستند، تقاضای مداوم برای استفاده از بتن وجود خواهد داشت.

مزایای بتن

• اقتصادی‌تر از فولاد است.
• مقاومت فشاری زیادی دارد.
• هزینه نگهداری بتن عملاً صفر است.
• ممکن است به عنوان یک ماده ضد صدا استفاده شود.
• با دوام بوده و مقاومتش در طول زمان افزایش می‌ یابد.
• کاربرد های زیادی دارد.
• به عنوان یک ماده ضد آب عمل می‌ کند.
• به راحتی قابل کنترل است و به هر شکل دلخواه در قالب ریخته می‌ شود.
• مواد تشکیل دهنده بتن همیشه در دسترس هستند.
• سطح آن توانایی مقاومت در برابر سایش را دارد.
• در معرض حمله مورچه یا موریانه قرار نمی‌ گیرد.
• در برابر آتش مقاومت بسیار بالایی دارد.
• می‌توان آن را پمپ کرد و در موقعیت‌ های دشوار مورد استفاده قرار داد.
• کپک نمی‌ زند و پوسیدگی در آن را ایجاد نمی‌ شود.

معایب بتن

• مقاومت کششی کمی دارد (این مشکل با فولاد و تشکیل بتن مسلح قابل حل است)
• تهیه اتصالات انقباضی برای جلوگیری از جمع شدگی (Shrinkage) لازم است.
• وزن سازه را افزایش می‌ دهند، به طوری که ساختار تحت خزش قرار می‌ گیرد.
• برای رسیدن به نهایت مقاومت به زمان نیاز دارد.
• شکل‌ پذیری (Ductility) کمی دارد.
• طرح اختلاط آن دشوار بوده و نیاز به تخصص و علم مهندسی دارد.
• برای محیط‌ های قلیایی و سولفاته باید از سیمان مخصوص استفاده شود زیرا سیمان معمولی به راحتی متلاشی می‌شود.

کاربردهای بتن

• سازه‌ های متعارف شهری
• جاده‌ ها
• پل‌‌ ها
• پیاده‌رو ها
• پارکینگ‌ ها
• تونل‌‌ ها
• کاربرد های معماری و تزئینی
• سنگفرش خیابان‌‌ ها
• آب گذرها و فاضلاب‌‌ ها
• سد ها
• سازه‌ های دریایی

انواع بتن

بتن به انواع زیر تقسیم می‌شود:

• بتن معمولی
• بتن سبک
• بتن پلیمری
• بتن مسلح
• بتن پیش تنیده
• بتن پیش ساخته
• بتن شیشه‌ای
• بتن خودمتراکم کننده
• بتن هوادی شده
• بتن الیافی
• بتن هوشمند
• بتن قابل پمپاژ
• بتن مکیده
• بتن اسفنجی
• و بتن های دیگر

کارپذیری بتن

کارپذیری مخلوط بتن تازه به معنای ریختن، پمپاژ، پخش کردن، پر کردن، لرزش، بدون کاهش کیفیت بتن است. کارپذیری بستگی به محتوای آب، سنگدانه (توزیع شکل و اندازه)، مقدار سیمان دارد و می‌ تواند با افزودن مواد افزودنی شیمیایی مانند فوق روان کننده اصلاح شود.

بالا بردن محتوای آب یا افزودن مواد افزودنی شیمیایی باعث افزایش کارایی بتن می‌ شود. آب زیاد منجر به افزایش آب انداختگی یا تفکیک سنگدانه‌ ها می‌ شود (وقتی سیمان و سنگدانه‌ ها شروع به جدا شدن می‌ کنند)، بتن حاصل نیز کیفیتش پایین می‌ آید. هر ترکیبی از عوامل مختلف ممکن است منجر به مخلوطی شود که بیش از حد سخت است و روانی مناسبی ندارد. در نتیجه به پایان رساندن کار بتن ریزی نیز دشوار خواهد بود.

کارآیی را می‌توان با آزمایش اسلامپ بتن اندازه گیری کرد. اسلامپ به طور معمول با پر کردن یک مخروط به ارتفاع 30 سانتی متر محاسبه می‌ شود. مخروط با انتهایی پهن در سطح صاف و غیر جاذب قرار می‌ گیرد. سپس در سه لایه با حجم مساوی پر می‌ شود تا لایه یکپارچه شود.

هنگامی که مخروط با دقت برداشته می‌ شود، مواد محصور شده به دلیل گرانش مقدار مشخصی افت می‌ کنند. یک نمونه نسبتاً خشک، بسیار کم ریزش می‌ کند و ارزش اسلامپ یک یا دو اینچ (25 یا 50 میلی متر) از یک فوت (305 میلی متر) را دارد. یک نمونه بتنی نسبتاً مرطوب ممکن است تا هشت اینچ سقوط کند.

کارایی را می‌ توان با استفاده از تست جدول مندرج در مقررات ملی ساختمان اندازه گیری کرد. اسلامپ را می‌ توان با افزودن مواد افزودنی شیمیایی مانند نرم کننده یا فوق روان کننده بدون تغییر نسبت آب و سیمان افزایش داد. برخی از مواد افزودنی دیگر، به ویژه مواد افزودنی برای جذب هوا، می‌توانند اسلامپ مخلوط را افزایش دهند.

عمل آوری بتن

بتن برای دستیابی به مقاومت و دوام مطلوب باید در حین عمل آوری مرطوب شود. در حین این فرآیند، هیدراتاسیون ایجاد می‌ شود و اجازه می‌ دهد هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) تشکیل شود. بیش از 90 درصد مقاومت نهایی مخلوط معمولاً ظرف چهار هفته به دست می‌آید و 10 درصد باقیمانده طی سال‌ ها یا حتی دهه‌ ها به دست خواهد آمد.

تبدیل هیدروکسید کلسیم در بتن به کربنات کلسیم، در اثر جذب CO2 طی چندین دهه، بتن را بیشتر تقویت می‌ کند و باعث مقاومت بیشتر در برابر آسیب می‌ شود. با این حال، این واکنش کربناسیون، PH محلول منافذ سیمان را کاهش می‌ دهد و می‌ تواند باعث خوردگی میله‌ های تقویت کننده شود.

هیدراتاسیون و سخت شدن بتن در سه روز اول بسیار مهم است. خشک شدن سریع و کوچک شدن غیر طبیعی به دلیل عواملی مانند تبخیر در هنگام قرار دادن، ممکن است منجر به افزایش تنش‌ های کششی در زمانی شود که هنوز بتن مقاومت کافی پیدا نکرده و در نتیجه ترک خوردگی و جمع شدگی بیشتری را تجربه می‌کند.

در صورت مرطوب نگه داشتن بتن در طول فرآیند، می‌توان مقاومت اولیه آن را افزایش داد. به حداقل رساندن فشار قبل از درمان، ترک خوردگی را به حداقل می‌ رساند. بتن با مقاومت بالا، برای هیدراته شدن سریع تر طراحی شده است و اغلب با افزایش استفاده از سیمان که باعث افزایش جمع شدگی و ترک خوردگی می‌ شود، همراه است.

مقاومت بتن تا سه سال افزایش می‌ یابد. این مهم به عناصر و شرایط بهره برداری از ساختار بستگی دارد. افزودن الیاف پلیمری کوتاه مدت می‌تواند باعث کاهش تنش‌ های ناشی از انقباض در حین عمل آوری شود و مقاومت فشاری اولیه و نهایی را افزایش دهد. 

عمل آوری صحیح بتن منجر به افزایش مقاومت و نفوذ پذیری کمتری می‌ شود و از ترک خوردگی در محل خشک شدن زودرس سطح جلوگیری می‌ کند. همچنین باید از بتن مراقبت کرد تا از یخ زدگی یا گرم شدن بیش از حد آن جلوگیری شود. عمل آوری نادرست می‌ تواند باعث پوسته پوسته شدن، کاهش قدرت، مقاومت سایشی ضعیف و ترک خوردگی شود.

بتن آماده

بتن آماده نوعی از بتن است که با توجه به سفارش مشتری در یک کارخانه مخلوط شده و سپس به محل پروژه تحویل داده می‌ شود تا بلافاصله مورد استفاده قرار گیرد. تفاوت اصلی بین بتن آماده و بتن معمولی، محل اختلاط آن است. بتن آماده در خارج از سایت مخلوط شده و با یک کامیون میکسر به محل تحویل داده می‌ شود.

بتن آماده چندین مزیت به شرح زیر دارد:

• کیفیت بالای بتن
• قیمت کمتر
• صرفه جویی در وقت
• سازگار با محیط زیست

بازیافت بتن

تخریب بتن برای ایجاد فضایی مناسب برای ساختارهای جدید، حجم زیادی زباله بتنی ایجاد می‌ کند. متداول‌ ترین روش برای دفع این زباله‌ ها، ریختن آن‌ ها در محل دفن زباله است که می‌ تواند هوا و آب را آلوده کند. این امر باعث شده است که کشورهای بیشتری اهمیت بازیافت زباله‌ های بتنی را در نظر بگیرند.

بازیافت بتن استفاده از آوار ناشی از سازه‌ های بتنی تخریب شده است. بتن خُرده شده می‌ تواند برای شن و ماسه جاده‌ ای، حفره‌ ها، دیوارهای نگهدارنده، محوطه سازی یا سنگدانه درشت برای بتن جدید استفاده شود.

مزایای بتن بازیافتی عبارتند از:

• کمک به سلامت محیط ریست
• کاهش آلودگی حمل و نقل به محل‌ های دفن زباله
• کاهش هزینه حمل مواد و ضایعات
• صرفه جویی فضای دفن زباله
• بازگشت به چرخه ساخت و ساز
• کاهش هزینه تولید سنگدانه های درشت (شن)

بتن بازیافتی را می‌توان در دیوارها به عنوان سنگ‌ های ساختمانی استفاده کرد. قطعات کوچک‌ تر نیز به عنوان شن برای پروژه‌ های ساختمانی جدید استفاده خواهند شد. بتن بازیافتی در حوزه جاده سازی و راه سازی نیز به کار گرفته می‌شود.

سنگ فرش‌ های بتنی را می‌ توان در جای خود شکسته و به عنوان یک لایه پایه برای روسازی آسفالت از طریق فرایندی به نام آوار برداری استفاده کرد. بتن خرد شده  می‌ تواند به عنوان ماده اولیه (به جای شن) برای ساخت بتن جدید مورد استفاده قرار گیرد.

از بتن بازیافتی با درجه بندی خوب و از نظر زیبایی می‌ توان به عنوان سنگ و مالچ محوطه سازی استفاده کرد. گابیون‌ های سیمی را می‌ توان با بتن خرد شده پر کرد و به عنوان دیوارهای نگهدارنده از آن استفاده نمود (به جای حصارکشی).

کلام آخر

بتن ماده‌ ای است که مقاومت فشاری بسیاری بالایی دارد و می‌ تواند در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، کم هزینه است و به راحتی در محل کارگاه ساختمانی تولید می‌ شود. درحقیقت، این ماده کامپوزیت امکان ساخت سریع و با کیفیت بالا را فراهم می‌ کند. سازه‌ های بتنی اغلب با طراحی و ساخت اصولی تا سال‌ ها مورد بهره برداری قرار می‌ گیرند و در برابر زلزله، طوفان و خطرات محیطی مقاومت می‌ کنند. در پایان باید گفت: «بتن همچنان ماده‌ای باورنکردنی است!»