تاریخچه و کاربرد بتن

بتن از هزاران سال پیش توسط رومی‌ها استفاده می شده اما نه به شکل امروزی بلکه بصورت ترکیبی از پودر آهک + گرد آجر + خاکستر مواد آتشفشانی و به همراه موادی مثل سنگ برای راه‌ها و کانال‌های آبی، همچنین در ساخت معبد پانتئون از پوزولان که شبیه سیمان امروزی است و در جزیره پوزولی ایتالیا تولید می‌شد، استفاده شده است. در کشور ما هم در مناطق شمالی خلیج فارس برای ساخت خانه‌ها از ملاتی از ساروج که به نام خمیر ساروج شناخته می شد و ساختار هیدرولیکی خاصی داشته بهره می بردند. در کل شواهد و مستندات زیادی در رابطه با استفاده از بتن در طول تاریخ به اشکال مختلف همراه با ملات چسبنده وجود دارد. پس از گذشت قرن ها کاربرد بتن و ویژگی‌های آن دچار تغییر و تحولات اساسی بخصوص در ویژگی‌ها و ساختار شد و به شکل امروزی با ترکیبات جدید (سنگدانه، سیمان به شکل امروزی و آب) در آمد و امروزه از مصالح جدا نشدنی ساختمان سازی است.

بتن چیست؟

کلمه بتن از واژه ای فرانسوی گرفته شده و در کل به هر مصالحی با خاصیت چسبندگی بالا اشاره دارد، اجزای تشکیل دهنده بتن شامل سنگدانه (شن، ماسه و ریزدانه شامل رس و لای به مقدار کنترل شده)، سیمان و آب می باشد. برای حصول کاربرد های مختلف بتن می توان هریک از اجزا و ارکان بالا را به نسبت های مختلف مخلوط کرد و همچنین برای دستیابی به ویژگی های خاص بتن می توان از “افزودنی های بتن” استفاده کرد. خاصیت و ویژگی عمده و شناخته شده بتن مقاومت بالا در برابر تنش فشاری است اما در برابر تنش کششی بسیار ضعیف است برای رفع این مشکل از طرح و اجرای میلگرد داخل بتن استفاده می شود. در کشور ایران هم بدلیل دسترسی آسان به مصالح بتنی (مانند شن، ماسه و سیمان)، قیمت پایین و نیروی انسانی فراوان در زمینه آرماتور بندی استفاده از اسکلت‌های بتنی رواج دارد.

اجزای بتن:

بتن استفاده شده در سازه دارای اجزای تشکیل دهنده ای است که بدون آنها کاربرد لازم را از خود نشان نمی دهد این اجزا باید با نسبت های وزنی و حجمی محاسبه شده توسط استانداردهای معتبر دنیا و تامین کردن الزامات فیزیکی و شیمیایی مختلف طبق همین استانداردها با یکدیگر مخلوط شود که به این نسبت های مشخص طرح اختلاط بتن گفته می‌شود.

دانه بندی بتن:

بدست آوردن نسبت مناسبی از سنگدانه‌های مختلف (شن، ماسه و ریزدانه شامل رس و لای بمقدار مشخص) برای دستیابی به یک مجموعه سنگدانه یکدست و دارای مقاومت بالا در برابر نیروها و تنش‌های مختلف برای بتن ضروری است. مجموعه سنگدانه بدست آمده از این روش با یک نمودار تحت عنوان نمودار دانه بندی تعریف می شود. داشتن شیب مثبت برای نمودار یک مزیت محسوب می شود که نشانگر این است که مجموعه سنگدانه‌های ما شامل تمام محدوده ابعادی لازم و مطلوب دانه‌های ریز و درشت می‌باشد. برای حصول یک مجموعه سنگدانه با مقاومت بالا شکل ظاهری سنگدانه‌ها نیز مهم است، سنگدانه های با زاویه تیز و به اصطلاح تیزگوشه اصطکاک بیشتری نسبت به هم دارند و بیشتر درگیر می‌شوند و مقاومت و استحکام را بالا می‌برند. اما سنگدانه‌های گردگوشه و پولکی مقاومت کمتری تولید می کنند و مناسب دانه بندی نیستند.

نقش سیمان در بتن:

سیمان ترکیبی از چهار عنصر C4AF. 4CaO·Al2O3·Fe2O3 است. مواد رایج مورد استفاده برای تولید سیمان شامل سنگ آهک، سنگ گچ یا مارن است که با شیل، خاک رس، تخته سنگ، سرباره کوره انفجار، ماسه سیلیس و سنگ آهن ترکیب می شود. این مواد وقتی در دمای بالا گرم می شوند، ماده ای شبیه سنگ ایجاد می کنند که بصورت پودر ریز آسیاب می شود و ما معمولاً آن را سیمان می پنداریم. متداول‌ترین روش برای تولید سیمان پرتلند روش تولید خشک است. اولین قدم این است که مواد اولیه اصلی، عمدتا سنگ آهک، خاک رس و سایر مواد را استخراج کنیم. پس از استخراج سنگ خرد می شود. این شامل چندین مرحله است. اولین مرحله قطر سنگ را تا حداکثر اندازه حدود 6 اینچ کاهش می دهد. سپس سنگ برای کاهش تا حدود 3 اینچ یا کوچکتر به دستگاه های سنگ‌شکن ثانویه یا آسیاب‌های چکشی منتقل می‌شود. سنگ خرد شده با مواد دیگر مانند سنگ آهن یا خاکستر بادی ترکیب و به کوره سیمان انتقال داده می‌شود. در کوره‌های سیمان تمام ترکیبات تا دمای 2700 درجه فارنهایت در لوله‌های غول آسا بصورت دوار می چرخند، مصالح سبک و ریز به بالای کوره هدایت می‌شوند و اجزای دیگر به پایین کوره که حرارت سوزان شعله وجود دارد سرازیر می شوند، اجزای اضافی بصورت گاز خارج می شوند و محصول اولیه در تولید سیمان که کلینکر است بدست می آید. پس از سرد کردن کلینکرها در کارخانه سیمان کلینرها پودر می شوند و در پایان سیمان بدست آمده، آماده استفاده در محل مورد نظر برای ساخت بتن است. سیمان برای بتن به منزله آرد برای نان است و عضوی جدانشدنی از کل مجموعه بتن است، در واقع سیمان به سنگدانه‌ها خاصیت چسبندگی القا می‌کند و اجزای دانه ای بتن را کنار هم نگه می‌دارد.

نسبت آب به سیمان برای بتن (w/c):

نسبت آب به سیمان، نسبت وزنی آب به وزن سیمان مورد استفاده در مخلوط بتن است. نسبت کم آب به سیمان منجر به مقاومت و دوام بیشتر می شود، اما ممکن است کار با مخلوط بتن و شکل گیری آن را دشوار کند(کارایی). برای بتن با استحکام بیشتر، می توان همان نسبت‌های پایین تر را به همراه یک ماده افزودنی روان کننده برای افزایش جریان‌پذیری و کارایی استفاده کرد.

نمونه از کاربرد بتن آرماتوربندی شده:

1. آرماتور بندی در حجم وسیع در پورتوریکو

1. ساختمان FlatIron در نیویورک

اختراع بتن آرمه، صنعت ساختمان سازی را در قرن نوزدهم متحول کرد و اجازه داد اولین آسمان خراش‌ها، مانند ساختمان Flatiron، در نیویورک ساخته شوند، که هنوز هم پس از گذشت دهه‌ها خودنمایی می کند. اما اگر آسمان خراش‌ها با استفاده از بتن خالص ساخته می شدند، در برابر نیروهای کششی ناشی از زلزله و بادهای شدید آسیب‌پذیر می‌بودند. بنابراین میلگردها که به نام آرماتور هم شناخته می شوند به بازار ارائه شدند. نقش آرماتور در بتن مقاومت در برابر تنش‌های کششی ناشی از نیروهای جانبی است.

در حال حاضر در سراسر دنیا از بتن به همراه آرماتور استفاده می‌شود و در کشور ما نیز استفاده از بتن‌آرمه بصورت روزافزون در حال افزایش است و بخاطر این که نیروی انسانی بیشتری در حوزه بتن آرمه و همچنین آرماتوربندی نسبت به سازه‌های فلزی فعالیت می کنند، استفاده از ساختمان های بتن آرمه رواج بیشتری دارد.