بتن و خصوصیات  

بتن و فولاد دو نوع مصالحی هستند که امروزه بیشتر از سایر مصالح در ساختمان انواع بناها از قبیل ساختمان پلها،ساختمان سدها، ساختمان متروها،ساختمان فرودگاه ها و ساختمان بناهای مسکونی و اداری و غیره به کار برده می شوند.و شاید به جرأت می توان گفت که بدون این دو پیشرفت جوامع بشری به شکل کنونی میسر نبودبتن به طور کلی محصولی است که از اختلاط آب با سیمان آبی و سنگدانه های مختلف در اثر واکنش آب با سیمان در شرایط محیطی خاصی به دست می آیدو دارای ویژگیهای خاص است. بتن اینک با گذشت بیش از ۱۷۰ سال از پیدایش سیمان پرتلند به صورت کنونی توسط یک بنّای لیدزی، دستخوش تحولات و پیشرفتهای شگرفی شده است.در دسترس بودن مصالح آن، دوام نسبتاً زیاد و نیاز به ساخت و سازهای فراوان سازه های بتنیاین ماده را بسیار پر مصرف نموده است. اینک حدود سه تا چهار دهه است که کاربرد این ماده ارزشمند در شرایط ویژه و خاص مورد توجه کاربران آن گشته است.

چند سالی است که مسأله پایایی و دوام بتن در محیط های مختلف و به ویژه خورنده برای بتن و بتن مسلح مورد توجه خاص قرار گرفته است. مشاهده خرابی هایی با عوامل فیزیکی و شیمیایی در بتن ها در اکثر نقاط جهان و با شدتی بیشتر در کشور های در حال توسعه، افکار را به سمت طرح بتن هایی با ویژگی خاص و با دوام لازم سوق داده است.

در این راستا در پاره ای از کشورها مشخصات و دستورالعمل ها و استانداردهایی نیز برای طرح بتن با عملکرد بالا تهیه شده و طراحان و مجریان در بعضی از این کشورهای پیشرفته ملزم به رعایت این دستورالعملها گشته اند.

افزودنی های خاص در شرایط ویژه :

برای ساخت بتن های ویژه در شرایط خاص نیاز به استفاده از افزودنی های مختلفی می باشد. پس از پیدایش مواد افزودنی حباب هواساز در سالهای ۱۹۴۰ کاربرد این ماده در هوای سرد و در مناطقی که دمای هوا متناوباً به زیر صفر رفته و آب بتن یخ می زند، رونق بسیار یافت. این ماده امروز یکی از پر مصرف ترین افزودنی ها در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است.

ساخت افزودنی های فوق روان کننده که ابتدا نوع نفتالین فرمالدئید آن در سالهای ۱۹۶۰ در ژاپن و سپس نوع ملامین آن بعداً در آلمان به بازار آمد شاید نقطه عطفی بود که در صنعت افزودنی ها در بتن پیش آمد. ابتدا این مواد برای کاستن آب و به دست آوردن کارایی ثابت به کار گرفته شد و چند سال بعد با پیدایش بتن های با مقاومت زیاد نقش این افزودنی اهمیت بیشتری یافت.

بتن های با کارآیی بسیار زیاد که چند سالی است از پیدایش آن در جهان و برای اولین بار در ژاپن نمی گذرد، تحول جدیدی در صنعت ساخت و ساز بتنی ایجاد کرده است. این بتن که نیاز به لرزاندن نداشته و خود به خود متراکم می گردد، مشکل لرزاندن در قالب های با آرماتور انبوه و محلهای مشکل برای ایجاد تراکم را حل نموده است. این بتن علیرغم کارایی بسیار زیاد خطر جدایی سنگدانه ها و خمیر بتن را نداشته و ضمن ثابت بودن کارایی و اسلامپ تامدتی طولانی می تواند بتنی با مقاومت زیاد و دوام و پایاپی مناسب ایجاد کند.

طرح اختلاط این بتن باید نسبت های خاصی را رعایت نمود. به عنوان مثال شن حدود ۵۰ درصد حجم مواد جامد بتن را تشکیل داده و ماسه حدود ۴۰ درصد حجم ملات انتخاب می شود. نسبت آب به مواد ریزدانه و پودری بر اساس خواص مواد ریز بین ۹/۰ تا ۱ می باشد. با روش آزمون و خطا نسبت دقیق آب به سیمان و مقدار ماده فوق روان کننده مخصوص برای مصالح مختلف تعیین می گردد. از این بتن با استفاده از افزودنی دیگری که گرانروی بتن را می افزاید در زیر آب استفاده شده است.

بتن (به فرانسوی: Béton)، از ریشه لاتین (به لاتین: Bitume) در مفهوم وسیع به هر ماده یا ترکیبی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد گفته می‌شود. بتن ممکن است از انواع مختلف سیمان ونیز پوزولان‌ها، سرباره کوره‌ها، مواد مضاف، گوگرد، مواد افزودنی، پلیمرها، الیاف و غیره تهیه شود. همچنین در نحوه ساخت آن ممکن است حرارت، بخار آب، اتوکلاو، خلأ، فشارهای هیدرولیکی و متراکم کننده‌های مختلف استفاده شود.[۱] با توجه به گسترش و پیشرفت علم و پیدایش تکنولوژی‌های فراوان در قرن اخیر، شناخت بتن و خواص آن نیز توسعه قابل ملاحظه‌ای داشته است، به نحوی که امروزه شاهد کاربرد انواع مختلف بتن با مصالح مختلف هستیم که هر یک خواص و کاربری مخصوص به خود را داراست. در حال حاضر انواع مختلفی از سیمانها که شامل پوزولانها، سولفورها، پلیمرها، الیافهای مختلف و افزودنیهای متفاوتی هستند، تولید می‌شوند.

بتن از پر کاربردترین مصالح ساختمانی است. ویژگی اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن است. همچنین می‌توان خاطر نشان کرد که تولید انواع بتن با استفاده از حرارت، بخار، اتوکلاو، تخلیه هوا، فشار هیدرولیکی ویبره و قالب انجام می‌گیرد. بتن به طور کلی محصولی است که از مخلوط آب با سیمان آبی و سنگدانه‌های مختلف در اثر واکنش آب با سیمان در شرایط محیطی خاصی به حاصل می‌شود و دارای ویژگیهای خاص است. بتن اینک با گذشت بیش از ۱۷۰ سال از پیدایش سیمان پرتلند به صورت کنونی توسط یک بنّای لیدزی، دستخوش تحولات و پیشرفتهای شگرفی شده است. در دسترس بودن مصالح آن، دوام نسبتاً زیاد و نیاز به ساخت و سازهای فراوان سازه‌های بتنی چون ساختمان‌ها، سازه‌ها، سدها، پل‌ها، تونل‌ها و راه‌ها، این ماده را بسیار پر مصرف نموده است. اینک حدود سه تا چهار دهه است که کاربرد این ماده در شرایط خاص مورد استقبال کاربران آن قرار گرفته است. امروزه با پیشرفت علم و تکنولوژی مشخص شده است که صرف توجه به مقاوت به عنوان یک معیار برای طرح بتن برای محیطهای مختلف و کاربردهای مختلف نمی‌تواند جوابگوی مشکلاتی باشد که در درازمدت در سازه‌های بتنی ایجاد می‌گردد. چند سالی است که مسئله دوام بتن در محیط‌های مختلف مورد توجه قرار گرفته است. مشاهده خرابی‌هایی با عوامل فیزیکی و شیمیایی در بتن‌ها در اکثر نقاط جهان و با شدتی بیشتر در کشورهای در حال توسعه، افکار و اذهان را به سمت طرح بتن‌هایی با ویژگی خاص و با دوام لازم سوق داده است. در این راستا در پاره‌ای از کشورها دستورالعمل‌ها و استانداردهایی نیز برای طرح بتن با عملکرد بالا تهیه شده و طراحان و مجریان در بعضی از این کشورهای پیشرفته ملزم به رعایت این دستورالعمل‌ها گشته‌اند.

مواد تشکیل دهنده

سنگدانه‌ها در بتن تقریباً سه چهارم حجم آنرا تشکیل می‌دهند و ملات سیمان و آب یک چهارم برمبنای حجم، سنگدانه‌های مورد استفاده در بتن را به سه دسته تقسیم می‌کنند.

سیمان (Cement)[

سیمان پرتلند از مخلوط و آسیاب کردن سنگ آهک و خاک رس به نسبت ۳به۱، و پختن گرد همگن و یکنواخت زیر دمای ۱۰۰۰درجه، تا CO2 از سنگ آهک و آب شیمیایی از خاک رس جدا شوند. در گرمای زیر ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد آهک با سیلیس و رس ترکیب می‌شود. در گرمای بالای ۱۲۰۰درجه، رویه دانه‌های گرد داغ شده و ضمن عرق کردن به هم می‌چسبند و به صورت کلوخ‌های کلینکر درمی آیند. از سرد کردن کلوخ‌ها و سپس آسیاب کردن آنها با کمی سنگ گچ، سیمان تولید می‌شود.

آب (Water)[

کیفیت آب در بتن از آن جهت حائز اهمیت است که ناخالصی‌های موجود در آن ممکن است در گیرش سیمان اثر گذاشته و اختلالاتی به وجود آورند. همچنین آب نامناسب ممکن است روی مقاومت بتناثر نامطلوب گذاشته و سبب بروز لکه‌هایی در سطح بتن و حتی زنگ زدن آرماتور بشود.[۲] در اکثر اختلاط‌ها آب مناسب برای بتن آبی است که برای نوشیدن مناسب باشد.[۲] مواد جامد چنین آبی به ندرت بیش از ۲۰۰۰ قسمت در میلیون ppm خواهد بود به طور معمول کمتر از ۱۰۰۰ ppm می‌باشد. این مقدار به ازای نسبت آب به سیمان ۰٫۵ معادل ۰٫۰۵ وزن سیمان می‌باشد. معیار قابل آشامیدنبودن آب برای اختلاط مطلق نیست و ممکن است یک آب آشامیدنی به جهت داشتن درصد بالایی از یونهای سدیم و پتاسیم که خطر واکنش قلیایی دانه‌های سنگی را به همراه دارد، برای بتن سازی مناسب نباشد. به عنوان یک قاعده کلی هر آبی که PH (درجه اسیدیته) آن بین ۶ الی ۸ بوده و طعم شوری نداشته باشد می‌تواند برای بتن مصرف شود. رنگ تیره و بو لزوماً وجود مواد مضر در آب را به اثبات نمی‌رساند

مقدار آب مصرفی

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 نمی‌کند و واکنش نداده باقی می‌ماند. 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 می‌ماند که پس از سخت شدن بتن باعث پوکی آن و نتیجتاً 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 می‌شود. این نسبت برای سیمان پرتلند معمولی حدود ۲۵ درصد است. با این مقدار آب بتن فاقد کارایی لازم خواهد بود و معمولاً 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 می‌کند که در تعیین مقدار آب مورد نیاز حائز اهمیت است. این رطوبت اضافی (یا کمبود رطوبت) مقدار رطوبت مازاد (کمبود رطوبت) سنگدانه‌ها از حالت اشباع با سطح خشک SSD یا(Saturated Surface Dry)است.

عمل آوری

با ادامه یافتن Hydration مقاومت بتن افزایش می‌یابد و این واکنش عامل افزایش مقاومت بتن یا همان گیرش سیمان است. برای عمل آوری یا ادامه یافتن فرایند Hydration باید رطوبت نسبی حداقل ۸۰ درصد باشد. در صورتی که رطوبت کمتر از این مقدار شود عمل آوری متوقف شده و درصورتی رطوبت تسبی به بالای ۸۰ درصد بازگردد فرایند هیدراسیون یا Hydration دوباره شروع خواهد شد. به دلیل تبخیر قسمتی از آب مورد نیاز قبل از تکمیل واکنش بین آب و سیمان (که چندین روز طول می‌کشد) قسمتی از سیمان موجود در مخلوط بتن واکنش نداده باقی می‌ماند. پس از بتن ریزی باید بلافاصله توجه لازم به فرایند عمل آوری معطوف گردد. عمل آوری عبارت است از حفظ رطوبت بتن تا زمانی که واکنش بین سیمان و آب تکمیل شود. این عمل می‌تواند به وسیله عایقکاری موقت، پاشش آب یا تولید بخار صورت گیرد. از دیدگاه عملی، حفظ رطوبت بتن برای ۷ روز توصیه می‌شود. در شرایطی که این کار ممکن نباشد حداقل زمان عمل آوری بتن نباید کمتر از ۲ روز باشد.

سنگدانه‌ها (Aggregates)[

سنگدانه‌ها در بتن تقریباً سه چهارم حجم آنرا تشکیل می‌دهند از اینرو کیفیت آنها از اهمیت خاصی برخوردار است. در حقیقت خواص فیزیکی، حرارتی و پاره‌ای از اوقات شیمیایی آنها در عملکرد بتن تأثیر می‌گذارد. دانه‌های سنگی طبیعی معمولاً بوسیله هوازدگی و فرسایش و یا به طور مصنوعی باخرد کردن سنگ‌های مادر تشکیل می‌شوند.[۴] البته این مطلب نباید درمورد سنگدانه‌ها فراموش شود. سطح سنگدانه‌های اگر آغشته به گل و لای باشد باید سطح آن تمیز شود حتی الامکان باید شسته شود در صورت لزوم.[۵]

اندازه دانه‌های سنگی[

بتن عموماً از سنگدانه‌هایی به اندازه‌های مختلف که حداکثر قطر آن بین ۱۰ میلیمتر و۵۰ میلیمتر می‌باشد ساخته می‌شود. به طور متوسط از سنگدانه‌هایی با قطر ۲۰ میلیمتر استفاده می‌شود.[۶]توزیع اندازه ذرات به نام «دانه بندی سنگدانه» مرسوم است. به طور کلی دانه‌های با قطر بیشتر از چهار یا پنج میلیمتر به نام شن و کوچکتر از آن به نام ماسه نامگذاری شده‌اند که این حد فاصل توسط الک ۴٫۷۵ میلیمتری یا نمره چهار مشخص می‌گردد. حد پایین ماسه عموماً ۰٫۰۷ میلیمتر یا کمی کمتر می‌باشد. مواد با قطر بین ۰٫۰۶ میلیمتر و ۰٫۰۲ میلیمتر به نام لای(سیلت)و مواد ریزتر رسنامگذاری شده‌اند. گل ماده نرمی است که شامل مقادیر نسبتاً مساوی ماسه و لای و رس می‌باشد.

کانیهای مهم

کانیهای مهم و متداول سنگدانه‌ها در زمینه استفاده در بتن عبارتند از: کانی‌های سیلیسی (کوارتز، اوپال، کلسه دون، تریمیت، کریستوبالیت) فلدسپاتها، کانیهای میکا، کانیهای کربناتی، کانیهای سولفاتی، کانیهای سولفور آهن، کانیهای فرومنیزیم، کانیهای اکسیدآهن، زئولیت‌ها و کانیهای رس.[۷]

طبقه‌بندی براساس شکل ظاهری[

در استاندارد ASTM سنگها از لحاظ شکل ظاهری به پنج گروه تقسیم شده‌اند:کاملاً گرد گوشه، گرد گوشه، نسبتاً گرد گوشه، نسبتاً تیز گوشه و تیز گوشه.[۸]

در استاندارد BS این نامگذاری به صورت:گرد گوشه، بی شکل-بی نظم، پولکی، تیز گوشه، طویل، پولکی طویل می‌باشد.

افزودنی‌ها آرتاپ (Admixtures)[

ماده افزودنی بتن آرتاپ یا (Admixtures) ماده‌ای است به غیر از سیمان پرتلند، سنگدانه، و آب، که به صورت گرد یا مایع، به عنوان یکی از مواد تشکیل دهنده بتن و برای اصلاح خواص بتن، کمی قبل از اختلاط یا در حین اختلاط به آن افزوده می‌شود.[۱۰] مواد افزودنی به دو گروه مواد افزودنی‌های شیمیایی و مواد افزودنی‌های معدنی تقسیم می‌شوند.

انواع معمول مواد افزودنی بتن به شرح زیر است.

کاربرد دیرگیرکننده در مواد افزودنی بتن: کار مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن به تأخیر انداختن گیرش بتن است. مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن در بتن ریزی‌های حجیم استفاده می‌شود. مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن برای جلوگیری از ترک‌های ناشی از گیرش در بتن‌ریزی های پشت سر هم مناسب می‌باشد. مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن برای حمل بتن در فاصله‌های زیاد استفاده می‌شود.

از جمله از مواد افزودنی بتن می‌توان از ژل میکرو سیلیس میکروسیلیکا ژل سیلیکافیوم نام برد همچنین گروت انواع روان‌کننده‌ها فایبر نیز از انواع افزودنی بتن می‌باشند.

معمولاً به جای استفاده از یک سیمان بخصوص، این امکان وجود دارد که بعضی از خواص سیمانهای معمولی مورد استفاده را به وسیله ترکیب کردن آن با یک افزودنی تغییر داد. قابل توجه اینکه نباید عبارات "مواد ترکیبی" و "مواد افزودنی" با معانی مترادف به کار روند، زیرا مواد ترکیبی موادی هستند که در مرحله تولید به سیمان اضافه می‌شوند در حالی که مواد افزودنی در مرحله مخلوط کردن به بتن اضافه می‌شوند. افزودنی‌های شیمیایی اساساً عبارتند از:تقلیل دهنده‌های آب، کندگیر کننده‌ها و تسریع کننده‌های گیرش که در آیین نامه ASTM به ترتیب تحت عنوان‌های تیپ‌های C،B،Aطبقه‌بندی شده‌اند. دسته‌بندی افزودنی‌ها در استاندارد BS نیز مشابه می‌باشد. در ضمن افزودنی‌های دیگری نیز وجود دارند که هدف اصلی از کاربرد آنها محافظت بتن از اثرات زیان آور یخ زدگی و ذوب یخ است

تسریع کننده‌ها

افزودنی‌هایی هستند که سخت شدگی بتن را تسریع می‌کنند و مقاومت اولیه بتن را بالا می‌برند. چند نمونه از ت