تکنولوژی بتن چیست؟

تکنولوژی بتن علمی است که به موجب آن می‌توان متریالی مستحکمی ساخت و برای سال‌ها بتوان از آن بهره برداری کرد. با درک عمیق‌تر مفهوم تکنولوژی بتن می‌توان نظارت دقیق‌تری روی مواد تشکیل دهنده آن مانند سیمان، سنگدانه‌های ریز (ماسه) و سنگدانه‌های درشت (شن) و آب داشت. در حقیقت، فناوری بتن به بررسی خواص بتن و کاربردهای عملی آن در صنعت می‌پردازد. برای درک عمیق‌تر مفهوم تکنولوژی بتن با ما همراه باشید.

درباره تکنولوژی بتن

بتن مصالح ساختمانی متشکل از سیمان، سنگدانه‌های ریز و درشت و آب که با گذشت زمان سخت می‌شود. سیمان پرتلند نوع رایج سیمان برای تولید بتن است. تکنولوژی بتن به بررسی خواص بتن و کاربردهای عملی آن می‌پردازد. در ساخت و ساز، از بتن برای ساخت پی‌ها، ستون‌ها، تیرها، دال‌ها و سایر عناصر باربر استفاده می‌شود. مواد اتصال دهنده به غیر از سیمان، انواع دیگری هستند که شامل آهک و قیر برای بتن آسفالتی جهت ساخت جاده خواهند بود.

انواع سیمان برای کارهای بتنی دارای خواص و کاربردهای متفاوتی هستند. برخی از انواع سیمان عبارتند از سیمان پرتلند معمولی (تیپ یک، تیپ دو، تیپ سه و غیره)، سیمان پوزولان (PPC)، سیمان سخت شونده سریع، سیمان مقاوم به سولفات و سایر هستند. مواد به نسبت‌های خاصی مخلوط می‌شوند تا استحکام لازم را به دست آورند. استحکام مخلوط به صورت M5، M10، M15، M20، M25، M30 و سایر مشخص می‌شود که در آن M نشان دهنده مخلوط و 5، 10، 15 و سایر به عنوان مقاومت فشاری آنها در کیلونیوتن بر مترمربع است.

نسبت آب به سیمان نیز نقش مهمی ایفا می‌کند که بر خواص مختلفی مانند کارایی، استحکام و دوام تأثیر می‌گذارد. نسبت آب به سیمان کافی برای تولید بتن قابل کار مورد نیاز است. هنگامی که آب با مواد مخلوط می‌شود، سیمان با آب واکنش می‌دهد و واکنش هیدراتاسیون شروع می‌شود. این واکنش به مواد کمک می‌کند تا ماتریس سختی را تشکیل دهند که مواد را به یکدیگر متصل می‌کند و آن را به یک ماده سنگ مانند بادوامی تبدیل می‌کند.

بتن را می‌توان به هر شکلی در محل ریخت. از آنجایی که بتن یک ماده پلاستیکی در حالت تازه است، از اشکال و اندازه‌های مختلف قالب‌ها برای ارائه اشکال مختلفی مانند مستطیل، دایره و سایر موارد استفاده می‌شود. اعضای مختلف سازه‌ای مانند تیرها، دال‌ها، پایه‌ها، ستون‌ها، لنگه‌ها و غیره با بتن ساخته می‌شوند. انواع مختلفی از مواد افزودنی نیز وجود دارند که برای ارائه خواص خاصی استفاده می‌شوند.

افزودنی‌هایی مانند پوزولان‌ها یا فوق روان ‌کننده‌ها در مخلوط گنجانده می‌شوند تا خواص فیزیکی مخلوط مرطوب یا مواد نهایی را بهبود ببخشند. این روزها انواع بتن برای ساخت و ساز ساختمان‌ها و سازه‌ها تولید می‌شوند. این‌ها دارای خواص و ویژگی‌های خاصی هستند که کیفیت ساخت و ساز را بر اساس نیاز بهبود می‌بخشد. در تکنولوژی بتن موارد زیر انجام می‌شوند:

آزمایشات اولیه برای تمام مصالح ساختمانی
توسعه طرح‌های بتن مرتبط با اجزاء سازنده
بهینه سازی مخلوط بتنی از جنبه فنی و اقتصادی
تهیه مفاهیم تضمین کیفیت
نظارت بر کلیه مصالح اولیه و نسبت طرح اختلاط
تعیین مشخصات فضای خالی هوا در بتن تازه و سخت شده
اندازه گیری ویسکوزیته ملات

مقاومت فشاری بتن

مقاومت فشاری بتن نشان دهنده استحکام عضو بتنی در برابر نیروهای فشاری است. به عنوان مثال، درجه M30 نشان می‌دهد که مقاومت فشاری مورد نیاز برای ساخت و ساز 30 مگاپاسکال است. بر اساس آزمایش‌های مختلف آزمایشگاهی، عیار بتن در نسبت‌های مخلوط ارائه می‌شود. به عنوان مثال، برای گرید M30، نسبت مخلوط می‌تواند 1:1:2 است که 1 نسبت سیمان، 1 نسبت ماسه و 2 نسبت سنگدانه درشت بر اساس حجم یا وزن مواد دارد.

مقاومت با مکعب یا سیلندر بتنی توسط مهندسان عمران در محل ساخت و ساز اندازه گیری می‌شود. نمونه بتنی به صورت مکعبی یا استوانه‌ای ساخته می‌شود که پس از سخت شدن به مدت 28 روز تحت عمل آوری قرار می‌گیرد. سپس تست مقاومت فشاری توسط دستگاه مخصوص انجام می‌شود. گریدهای معمولی بتن شامل M15، M20، M25 و سایر موارد هستند. برای کارهای سیمانی ساده، عموماً از گرید M15 استفاده می‌شود. برای ساخت بتن مسلح از حداقل بتن درجه M20 استفاده خواهد شد.

نحوه ساخت بتن

در تکنولوژی بتن، این محصول کامپوزیت به نسبت وزنی تولید یا مخلوط می‌شود. مقدار سیمان دو نوع طرح اختلاط از جمله اسمی و طرح اختلاط وجود دارد. مخلوط اسمی برای کارهای ساختمانی معمولی مانند ساختمان‌های مسکونی کوچک استفاده می‌شود. محبوب‌ترین ترکیب اسمی به نسبت 1:2:4 است. بتن با طرح اختلاط آنهایی هستند که نسبت اختلاط‌شان بر اساس آزمایشات آزمایشگاهی مختلف بر روی سیلندر یا مکعب برای مقاومت فشاری آن نهایی می‌شود. این فرآیند را طراحی ترکیبی نیز می‌نامند. این آزمایش‌ها برای یافتن مخلوط مناسب بر اساس مواد موجود محلی برای به دست آوردن استحکام مورد نیاز مطابق با طراحی سازه انجام می‌شوند.

یک طرح ترکیبی، صرفه جویی در استفاده از مواد تشکیل دهنده را ارائه می‌دهد. هنگامی که نسبت مخلوط مناسب مشخص شد، سپس مواد تشکیل دهنده آن به نسبت انتخابی مخلوط می‌شوند. برای اختلاط از دو روش یعنی اختلاط دستی یا اختلاط ماشینی استفاده خواهد شد. بر اساس کمیت و کیفیت مورد نیاز، روش مناسب اختلاط انتخاب می‌شود. در اختلاط دستی، هر یک از مواد را روی یک سطح صافی قرار می‌دهند و آب اضافه می‌کنند و آن را با ابزار دستی مخلوط می‌نمایند.

در اختلاط ماشینی از انواع مختلف ماشین آلات استفاده می‌شود. در این حالت مواد به مقدار لازم برای مخلوط شدن و تولید بتن تازه اضافه خواهند شد. هنگامی که این به اندازه کافی مخلوط شد، به محل ریخته گری منتقل شده و در قالب ریخته می‌شود. انواع مختلفی از قالب‌ها موجود هستند که بر اساس استفاده انتخاب می‌شوند.

بتن ریخته شده برای مدت زمان معینی بر اساس نوع عضو سازه در قالب‌ها اجازه می‌گیرد تا مقاومت کافی را بدست آورد. پس از برداشتن قالب، عمل آوری با روش‌های مختلفی انجام می‌شود تا رطوبت از دست رفته ناشی از تبخیر جبران شود. واکنش هیدراتاسیون نیاز به رطوبتی دارد که مسئول گیرش و افزایش قدرت است. بنابراین عمل آوری به طور کلی حداقل 7 روز پس از برداشتن قالب ادامه می‌یابد.

انواع ساختار برای استفاده از بتنی

بتن به طور کلی در دو نوع ساخت و ساز، یعنی ساخت و ساز بتن ساده و ساخت و ساز بتن مسلح استفاده می‌شود. بتن ساده زمانی استفاده می‌شود که عضو بتنی فقط در معرض نیروهای فشاری قرار می‌گیرد و خم نمی‌شود. هنگامی که یک عضو بتن در معرض خمش قرار می‌گیرد، برای مقاومت در برابر نیروهای کششی به آرماتورها نیاز است زیرا بتن از نظر کشش در مقایسه با فشار ضعیف است. به طور کلی، مقاومت بتن در کشش تنها 10 درصد مقاومت آن در فشار است.

تقریباً از تکنولوژی بتن به عنوان راهکاری عالی برای همه انواع سازه‌ها مانند ساختمان‌های بتنی مسکونی، سازه‌های صنعتی، سدها، جاده‌ها، تونل‌ها، ساختمان‌های چند طبقه، آسمان خراش‌ها، پل‌ها، پیاده روها و بزرگراه‌ها و سایر استفاده می‌شود. مراحل ساخت نیز عبارتند از:

تعیین مقدار مناسب مواد
مخلوط کردن
بررسی کارایی
حمل بتن
بتن ریزی در قالب
ویبره برای تراکم مناسب
حذف قالب پس از مدت زمان مناسب
عمل آوری عضو با روش‌های مناسب

خصوصیات اجزای بتن

سنگدانه‌های درشت و ریز حدود 75 درصد جرم معینی از بتن را اشغال می‌کنند و بقیه 25 درصد فضا، توسط حفره‌های آب، سیمان و هوا پر می‌شوند. وظایف سنگدانه‌ها و خمیر سیمان به طور کلی دارای سه عملکرد اصلی زیر است:

توده‌ای از ذرات را فراهم می‌کند که در برابر بارهای اعمال شده، سایش، نفوذ رطوبت و عمل آب و هوا مقاومت می‌کند.
تغییرات حجمی ناشی از فرآیند گیرش و سفت شدن و تغییرات رطوبت در خمیر سیمان را کاهش می‌دهد.
سنگدانه‌ها ارزان قیمت هستند و به عنوان پرکننده برای خمیر سیمانی عمل می‌کنند.

خواص سنگدانه‌های بتن

خصوصیات معدنی: به ویژه بر استحکام، دوام و کشش بتن تأثیر می‌گذارد.
مشخصات سطحی ذرات: تأثیر قابل توجهی بر کارایی بتن تازه و چسبندگی در بتن سخت شده دارد.
دانه بندی ذرات: تأثیر قابل توجهی بر کارایی، چگالی و اقتصاد بتن دارد.
مقدار در واحد حجم: تأثیر قابل توجهی بر روی تغییرات هزینه و حجم به دلیل خشک شدن دارد.

خواص خمیر سیمانی در بتن

خمیر سیمانی این یک ماده چسبنده است که از هیدراتاسیون سیمان و آب حصال می‌شود. پس از افزودن آب به سیمان، مخلوط شروع به هیدراته شدن کرده و به شکل ژل در می‌آید. سیمان برای هیدراتاسیون 23 درصد از وزن خود و 15 درصد برای پر کردن فضای خالی ژل نیاز دارد. بنابراین برای هیدراتاسیون کامل سیمان، 38 درصد آب وزن سیمان مورد نیاز است. اگر آب بیشتری به سیمان و خمیر اضافه شود، تبخیر شده و حفره‌های مویرگی ایجاد خواهد شد و در نتیجه ساختار خمیر به شکل عسلی در می‌آید. این موضوع باعث کاهش مقاومت و سایر خواص بتن می‌شود. ژل حدود 2/1 برابر حجم سیمان خشک را اشغال می‌کند و خمیر سیمان را با سنگدانه‌های ریزی تشکیل می‌دهد. مقاومت بتن به خصوصیات فیزیکی این ژل بستگی دارد.

وظایف خمیر سیمانی در بتن

وظایف اصلی خمیر سیمان به شرح زیر است:

روانکاری سنگدانه درشت را فراهم می‌کند.
فضاهای خالی بین سنگدانه‌های بی‌اثر را پر می‌کند.
یک توده پلاستیکی را فراهم می‌کند که می‌تواند به هر شکلی قالب گیری شود.
استحکام و آب بندی بتن را در حالت سخت شده فراهم می‌کند.

خواص خمیر سخت شده به عوامل زیر بستگی دارد:

خصوصیات سیمان
نسبت آب به سیمان
کامل بودن هیدراتاسیون سیمان

طرح اختلاط بتن

در تکنولوژی بتن باید به طرح اختلاط توجه ویژه‌ای داشت. در بتن تازه، سنگدانه درشت در خمیر سیمان معلق می‌شود. در این حالت خمیر سیمان نه تنها باید سنگدانه‌ها را بپوشاند، بلکه باید فضاهای خالی بین آن‌ها را نیز پر کند. قوام جرم توسط سیالیت خمیر، دانه بندی و شکل ذرات سنگدانه کنترل می‌شود. تقریباً برای همه کارها، قوام پلاستیکی مطلوب است زیرا مخلوط خیلی مرطوب یا خشن باعث تولید محصولات معیوبی می‌شود.

در مورد بتن سخت شده، مقاومت و تخلخل یکی از تابع‌های چگالی خمیر است که به نوبه خود با نسبت آب به سیمان در مخلوط کنترل می‌شود. بنابراین محدودیت‌های عملی برای نسبت سیمان، آب و سنگدانه (درشت و همچنین سنگدانه ریز) در بتن معمولی وجود دارند. نسبت‌های کلی مخلوط‌های عملی در نمودار پایینی شکل 1.1 نشان داده شده‌اند. همه مخلوط‌ها از یک قوام هستند.

در این شکل نسبت سیمان به سنگدانه ترکیبی از 1:3 تا 1:9 متغیر است. از شکل مشاهده می‌شود که حجم سنگدانه‌ها از 66 درصد برای نسبت 1:3 تا 76 درصد برای نسبت سنگدانه سیمان 1:9 و نسبت سیمان از 16 درصد به 7 درصد سیمان ساخت و سنگدانه 82 درصد متغیر است. بنابراین در مخلوط‌های بدون چربی، مقدار سیمان حتی کمتر از 50 درصد از مخلوط‌های غنی است.

میزان آب از 16 تا 18 درصد حجم کل بتن متغیر است. مقدار آب برای مخلوط 1:3 18 درصد، 16 درصد برای مخلوط 1:6 و 17.3 درصد برای مخلوط 1:9 می‌باشد. بنابراین از مطالب فوق واضح است که محتوای آب عملاً برای همه مخلوط‌ها ثابت می‌باشد، در حالی که محتوای سیمان به طور قابل توجهی متفاوت است. از این رو در مخلوط‌های بدون چربی از نسبت آب به سیمان بیشتری استفاده می‌شود. بنابراین برای همان قوام، یک رابطه نزدیک بین غنای مخلوط و نسبت سیمان به آب وجود دارد.

نمودار بالایی شکل 1.1 نسبت نسبی سیمان، آب ترکیبی و آب آزاد را در حجم کل خمیر مخلوط‌ها نشان می‌دهد که در نمودار پایین نشان داده شده است. از نمودار مشاهده می‌شود که در هر واحد خمیر، مقدار آب ترکیب شده عملاً برای همه مخلوط‌ها یکسان می‌ماند. همچنین برای تولید یک مخلوط با کارپذیری بالا، حدود 70 درصد آب بیشتر از مقدار لازم برای هیدراتاسیون سیمان نیاز است.

در واقع حدود 25 تا 30 درصد آب برای هیدراتاسیون سیمان مورد نیاز است که به یک مخلوط یا کارپذیری بالا تبدیل می‌شود. بنابراین خمیرهایی که نسبت آب به سیمان بالایی دارند، نسبت به خمیرهایی که نسبت آب به سیمان پایینی داشته است، حاوی آب آزادی هستند. از آنجایی که آب آزاد فضای منافذ موثری را اشغال می‌کند، خمیر در مخلوط‌های بدون چربی، ساختار متخلخل بیشتری نسبت به مخلوط‌های غنی دارد. در واقع خواص بتن توسط ساختار فیزیکی ژل (خواص بتن تازه) کنترل می‌شود.

مزایای بتن

بتن به دلایل زیر نسبت به سایر مصالح ساختمانی برتری دارد:

بتن را می‌توان به راحتی به هر شکل دلخواهی قالب گیری کرد.
بتن با هر مقاومت فشاری دلخواه قابل تهیه است.
با استفاده از فولاد همراه با بتن، می‌توان هر نوع سازه‌ای ساخت.
بتن سبک و مقاوم در برابر آتش است.
مواد مورد استفاده در تولید بتن به راحتی در دسترس هستند.
می‌توان بتن را پمپ کرد و حتی در مکان‌های بسیار سخت در قالب ریخت.
سرعت و سهولت در ساخت اعضای یکپارچه سازه‌ها را فراهم می‌کند.
نمای معماری خوبی به سازه می‌دهد.
کاملا بادوام است و در معرض حمله مورچه یا موریانه قرار نمی‌گیرد.
هزینه تعمیر نگهداری سازه بسیار کاهش پیدا می‌کند (نسبت به سازه فولادی).
مقاوم در برابر آتش است و همچنین می‌تواند به عنوان عایق صدا با جایگزینی سنگدانه درشت یا با سنگدانه سبک یا استفاده از فوم بتن استفاده شود.

کلام آخر

اجزای بتن شامل سیمان، سنگدانه‌های ریز و درشت و آب هستند. مخلوط سیمان پرتلند و آب را خمیر می‌گویند. بنابراین بتن را می‌توان مخلوطی از خمیر سیمانی و سنگدانه‌ها نامید. گاهی به جای سنگدانه از سنگ نیز استفاده می‌شود. خمیر سیمان، سطح سنگدانه‌های ریز و درشت را در صورت مخلوط شدن کامل می‌پوشاند و آنها را به هم می‌چسباند.

بلافاصله پس از اختلاط اجزاء، واکنش هیدراتاسیون شروع می‌شود که این مهم در نهایت باعث سخت شدن بتن می‌شود. کل این روند به ظاهر ساده در مفهومی به نام تکنولوژی بتن قرار می‌گیرد که هدفش تولید بتن برای هرگونه نیاز با توجه به مسائل اقتصادی، محیطی زیستی و غیر است.