تعریف و کاربرد بتن

همه ما نام بتن را حداقل یک بار شنیده‌ایم و اگر کسی رشته تحصیلی‌اش نیز عمران باشد، بیشتر با آن سر و کار داشته است.برای اینکه بدانیم کاربرد بتن چیست وترکیبات بتن شامل چه چیزهایی است، بهتر است مقاله زیر را دنبال کنید.  امروزه استفاده از محصولاتی مثل افزودنی بتن ، روان کننده بتن و فوق روان کننده بتن در سازه های ساختمانی بسیار مرسوم است و میتوانید جهت اطلاع از قیمت افزودنی بتن به سایت ما مراجعه بفرمایید. البته در گذشته نه چندان دور، ساختمان‌های فولادی رواج داشت ولی با توسعه دانش تکنولژی بتن و استفاده از مواد شیمیائی افزودنی بتن، مشخصات کیفی بتن به قدری بهبود یافته که استفاده از بتن به جای مصالح فولادی ممکن و مقرون به صرفه شده است و هر روزه شاهد رواج ساختمان‌های بتنی حوزه ساخت و ساز بوده ایم.

این مقاله هم بخوانید : بتن چیست؟

این سازه های بتنی نقاط قوت و ضعف گوناگونی دارند. مقاومت های بالای فشاری، ضدآب بودن، مقاومت در برابر آتش سوزی، عایق صوتی بودن، شکل پذیری آسان از نقاط قوت بتن می باشد و مقاومت شیمائی پائین در برابر برخی مواد شیمیائی، مقاومت پائین کششی و وزن بالا از نقاط ضعف بتن محسوب می شوند. در این مقاله سعی شده است کلیاتی درباره بتن به اختصار ارائه و جمع بندی گردد.

ترکیبات بتن از چیست؟

بتن از اجزای مختلفی تشکیل شده است که به طور کلی عبارتند از:

• سیمان پرتلند
• آب
• شن و ماسه
• هوا
• افزودنی های بتن

ماده اصلی چسبندگی در بتن، سیمان است که حدود 7 الی 15 درصد از کل حجم آن را تشکیل می‌دهد. آب از دیگر اجزای تشکیل دهنده بتن است و سهمی بین 14 الی 21 درصد را دارد. شن و ماسه نیز حدود 60 الی 75 درصد از کل حجم آن را تشکیل می‌دهند که تقریبا بیشترین سهم را دارا می‌باشند. مواد مضاف نیز به مقدار جزئی در تولید این ماده دخیل هستند و صرفا به دلیل ایجاد خواص مطلوب، در آن‌ها استفاده می‌شوند.

نقش سیمان در بتن

سیمان یکی از اجزای تشکیل دهنده این ماده می‌باشد که بسته به میزان سیمان در بتن چسبندگی را درآن به وجود می‌آورد. میزان استحکام بتن هم به مقدار سیمان در بتن بستگی دارد. سیمان از نظر شیمیائی یک نمک می باشد که حاصل واکنش چند اکسید اسیدی و یک اکسید قلیائی می باشد. اجزاء اصلی واکنش تشکیل سیمان عبارتند از:

• آهک
• سیلیس
• آلومینا
• اکسید آهن
• سولفات کلسیم

آهک بخش قلیائی در تولید سیمان می باشد. سیلیس، آلومینا و اکسید آهن اکسیدهای اسیدی در تشکیل سیمان هستند. سولفات کلسیم یک افزودنی می باشد که پس از تشکیل سیمان به آن افزوده می شود و نقش تنظیم سرعت واکنش هیدراتاسیون سیمان را دارد.

سنگ آهک، رس و سنگ آهن مواد اولیه در تولید سیمان می باشد. این مواد در کوره های مناسب در دماهای بالا به صورت مذاب با هم واکنش کرده و تشکیل کلینکر را می دهند. سپس این کلینکر در آسیابهای مناسب به صورت پودر در می آید که در این مرحله سولفات کلسیم و یا همان گچ به مقدار مناسب به آن افزوده می شود.

محصول نهائی سیمان که یک نمک می باشد به شکل یک آلیاژ بوده فازهای مختلف در کنار همدیگر قرار دارند که دارای ساختار پیچیده ای می باشند ولی به اختصار آنها را به چهار دسته تقسیم بندی می کنند.

• تری کلسیم سیلیکات (آلیت)
• دی کلسیم سیلیکات (بلیت)
• تری کلسیم آلومینات (سلیت)
• تترا کلسیم آلومینوفریت (فریت)

البته که ترکیبات متنوعی به شکل ناخالصی در بافت سیمان حضور دارند که مقدار آنها بستگی به ناخالصی های موجود در مواد اولیه متغیر است.

سیمان ها بسته به نسبت بین این فازها به چند دسته تقسیم می شوند و انواع سیمان عبارتند از :

1. سیمان تیپ 1: سیمان معمولی می باشد
2. سیمان تیپ 2: سیمان مناسب محیطهای با سولفات متوسط
3. سیمان تیپ 3: سیمان زودگیر
4. سیمان تیپ 4: سیمان کندگیر
5. سیمان تیپ 5: سیمان مقاوم سولفات

نقش آب در بتن

به طور کلی می توان بتن را به دو بخش تقسیم کرد:

1. خمیر سیمان
2. سنگدانه

خمیر سیمان، سوسپانسیون ذرات سیمان در آب می باشد و هرچقدر که نسبت آب به سیمان افزایش یابد، این سوسپانسیون رقیق تر و روان تر می شود.

آب دو نقش را در خمیر سیمان و به تبع آن در بتن بازی می کند:

1. باعث روانی خمیر سیمان می شود و که به روانی بتن منجر می شود.
2. به عنوان واکنشگر با سیمان در واکنش هیدراتاسیون سیمان شرکت می کند که محصولات اصلی این واکنش باعث چسبندگی بر روی سطوح سنگدانه شده و پس از سخت شدن کلیت بتن را یکپارچه و سخت می کنند.

آب آزاد بتن:

میزان بهینه آب مورد نیاز واکنش هیدراتاسیون، حدود 22 درصد وزنی سیمان می باشد که در این شرایط، خمیر حاصله بسیار خشک بوده و فاقد کارپذیری و روانی است. به همین دلیل معمولا در بتن بیش از نیاز واکنشی آب مصرف می شود که آب مازاد با هدف کسب کارپذیری و روانی مناسب استفاده می شود. این آب مازاد، پس از سخت شدن خمیر سیمان، با فشار اسمزی به سمت سطح بتن حرکت کرده و تبخیر می شوند. مسیر این حرکت، کانالهای موئینه ای می شوند که همیشه در بافت بتن سخت حضور خواهند داشت و بافت بتن را متخلخل و تراوا می کنند. هرچه میزان آب آزاد در تولید بتن بیشتر شود، بتن متخلخل تر و به تبع آن کم مقاومت تر می شود. به همین دلیل لازم است که میزان آب در کمترین حد ممکن تنظیم شود. استفاده از روان کننده های بتن، باعث می شود که با میزان آب کمتر، به روانی مورد نیاز دست یابیم و بتن های با مقاومت بیشتر به دست آوریم.

رئولوژی بتن:

رئولوژی علمی است که به واکنشهای یک سیال در برابر نیروهای وارده می پردازد. ویسکوزیته و تنش تسلیم دو پارامتر شناخته شده در بررسی های رئولوژی بتن می باشند.

ویسکوزیته بتن، مقاومت بتن در برابر جاری شدن است. هر چه بتن با سرعت بیشتری جاری شود، بتن ویسکوزیته کمتری دارد.

تنش تسلیم، حداقل نیروی لازم برای ایجاد سیالیت در بتن است. این شاخص مرتبط به میزان اصطکاک سنگدانه ها در بتن می باشد. هرچه سطح اصطکاک و درگیری سنگدانه ها بیشتر باشد، تنش تسلیم بتن افزایش می یابد. برای سنجش تنش تسلیم معمولا از یک آزمون ساده به نام تست اسلامپ استفاده می شود. بتن تازه در یک مخروط متراکم شده و پس از برداشتن مخروط، میزان کاهش ارتفاع آنرا اندازه گیری می کنند. هرچه میزان کاهش ارتفاع مخروط اولیه بیشتر باشد اسلامپ بیشتر بوده و تنش تسلیم بتن کمتر می باشد. تنش تسلیم بتن با افزایش نسبت حجمی خمیر سیمان به سنگدانه کاهش می یابد. همچنین تنش تسلیم با پیشرفت واکنش هیدراتاسیون سیمان افزایش می یابد و به مرور بتن روانی خود را از دست می دهد. این مسئله ناشی از تشکیل محصولات واکنش می باشد که سطح اصطکاک اجزا را بیشتر کرده و از طرفی باعث چسبندگی اجزا به یکدیگر می شوند.

برای ساخت سازه های بتنی نیازمند بتنی هستیم که سیالیت و پایداری داشته باشد تا بتوانیم آنرا قالبگیری کرده و شکل دهیم. همانطور که در بخش قبل توضیح داده شد، بتن از دو بخش خمیر سیمان و سنگدانه تشکیل می شود. بخش سنگدانه که حجم عمده بتن را تشکیل می دهد بدون خمیر سیمان، خاصیت سیالیت و پمپ پذیری ندارد. خمیر سیمان باعث سیالیت در بتن می شود.

روانی بتن به دو عامل مرتبط می شود:

1. نسبت حجم خمیر مصرفی سیمان (حجم آب و سیمان) به حجم سنگدانه: با افزایش این نسبت، روانی بتن افزایش می یابد. از طرفی باید توجه داشت که بخش ضعیف بتن، خمیر سخت شده می باشد. خلل و فرج و کانالهای موئینه در این بخش هستند و آهک آزاد واکنش پذیر در همین قسمت است. لذا باید دقت کرد که میزان خمیر در کمینه ممکن تنظیم شود.
2. روانی خمیر سیمان: با افزایش روانی خمیر سیمان، روانی بتن تا حدی که بتن پایدار باشد و سنگدانه ها بتوانند در خمیر معلق بمانند، افزایش می یابد. وقتی روانی خمیر از حد معینی افزایش می یابد، بتن پایداری خود را از دست داده و خمیر سیمان توان لازم برای غوطه وری سنگدانه ها را از دست داده و سنگدانه ها تمایل به ته نشینی دارند.

ضمنا در نظر داشته باشید فروشگاه کپکو کالا ارائه دهنده انواع  روان کننده بتن و فوق روان کننده بتن می باشد که جهت اطلاع از قیمت این محصولات می توانید به فروشگاه www.capcokala.com مراجعه بفرمایید.

با توجه به موارد فوق، روانی خمیر تا حد معینی می تواند افزایش یابد که بتن پایدار بماند. از طرفی برای کسب خواص رئولوژی مناسب در بتن، توازنی بین روانی خمیر و نسبت حجمی خمیر به سنگدانه ایجاد می شود. خمیر سیمان، علاوه بر پر کردن فضاهای خالی بین سنگدانه ها، باید به میزان حداقلی مازاد در بتن باشد تا بین ذرات سنگدانه فاصله ایجاد کند. این میزان خمیر آزاد بسته به دانه بندی سنگدانه ها دارد. دانه بندی یکنواخت تر خمیر آزاد کمتری نیاز دارد و با افزایش سایز سنگدانه ها نیز میزان خمیر مازاد، کاهش می یابد. امروزه بتن های خود تراکم به شکلی تولید می شوند که بتن با وزن خود بتواند قالب ها را پر کرده و متراکم شود که این بتن علاوه بر داشتن روانی بالا باید پایداری مناسبی داشته باشد. اینگونه بتن ها فقط با استفاده از افزودنی های شیمیائی مناسب قابل حصول می باشند.

واکنش هیدراتاسیون سیمان:

ترکیب آب و سیمان باعث ایجاد واکنشهائی می شود که تحت عنوان واکنش های هیدراتاسیون معروفند. از آنجا که سیمان یک نمک شدیداً قلیائی است، پس از تماس با آب هیدراته شده و محیط آب را قلیائی می کند. این تماس اولیه منجر به تشکیل ترکیباتی سخت بر روی سطوح ذرات سیمان شده و فرآیند انحلال را کند می کند هرچند که آب با نفوذ این لایه سطحی عبور کرده و به تدریج انحلال ادامه می یابد و به موازات این مسئله، آب محیطی اشباع از یونهای کلسیم و هیدروکساید می شود. فشار اسمزی وارد شده بر سطح به تدریج افزایش یافته و نهایتا منجر به شکست لایه سطحی شده و واکنشهای سیمان وارد مرحله جدیدی می شود که به گیرش سیمان و نهایتا سخت شدن خمیر سیمان و بتن منجر می شوند. واکنشهای اولیه بتن ناشی از هیدراتاسیون فازهای آلومینا بوده و پس از گیرش سیمان، واکنشهای اصلی هیدراتاسیون شروع می شوند. در این مرحله محصولات کلسیم سیلیکات هیدرات تشکیل می شوند که دارای ساختار چند وجهی نانومتریک بوده و جذب سطحی بسیار قدرتمندی با یکدیگر و به سطوح سنگدانه ایجاد می کنند. این واکنش به مرور زمان ادامه می یابد و تا سالها تداوم دارد هرچند که از سرعت آن کاسته می شود. هیدراتاسیون سیمان یک واکنش گرمازا بوده که خصوصا در سنین اولیه، میزان این گرما متناسب با سرعت واکنش بالا می باشد که کنترل آن بخشی از تکنولژی بتن است. گرمای زیاد باعث افزایش سرعت در تشکیل محصولات شده و باعث ایجاد ناپایداری در ساختارهای کریستالی شود که منجر به کاهش در مقاومتهای بتن شود. بتن ریزی در هوای گرم و بتن ریزی های حجیم با چالش کنترل در سرعت واکنش هیدراتاسیون روبرو هستند که برای مدیریت آنها آئین نامه های جامعی تدوین شده اند.

محصولات واکنش هیدراتاسیون:

واکنش هیدراتاسیون آب و سیمان منجر به تشکیل طیف وسیعی از مواد، با ساختارهای متنوع می شود که نوع سیمان و ترکیب بندی فازهای سیمان و دمای واکنش هیدارتاسیون در آنها تاثیر اصلی را دارند. با اینحال محصولات واکنش را به دو دسته اصلی می توان تقسیم بندی کرد:

1. کلسیم سیلیکات هیدرات: این بخش که محصول اصلی و هدف واکنش هیدراتاسیون می باشد به اشکال مختلف و ساختارهای مختلف تشکیل می شوند که مهمترین آنها ساختاری می باشد که به توبرموریت معروفند. چسبندگی بالا و مقاومت مکانیکی و شیمیائی بالا از مشخصه های اصلی این ترکیبات می باشند.
2. آهک آزاد: محصول جانبی واکنش هیدراتاسیون می باشد که حجم قابل توجهی از خمیر سخت شده سیمان را تشکیل می دهد. این ماده مقاومت مکانیکی و شیمیائی کمی داشته و بخش ضعیف بتن می باشد. مهمترین حسن حضور آهک آزاد در بتن، حفظ قلیائیت در بتن بوده که باعث محافظت میلگردها در برابر خوردگی می شود. سیمانهائی که نسبت آهک آنها نسبت به بقیه ترکیبات بالاتر هستند، آهک آزاد بیشتری در فرآیند هیدراتاسیون آزاد کرده و مقاومتهای کمتری از خود نشان می دهند.

علاوه بر دو محصول اصلی فوق، کانالها و حفراتی در بتن سخت شده مشاهده می شوند که به دلیل وجود آب آزاد در تولید بتن استفاده شده است که در سطور بالا توضیح داده شد. در این کانالها و حفرات، بسته به محیط بتن، رطوبت و هوا حضور خواهند داشت. آب موجود در بتن می تواند در دماهای زیر صفر درجه سانتیگراد منجمد شده و با افزایش حجم ایجاد شده، ساختار بتن را تحت تنش قرار داده و مستهلک کنند. زمانی که این اتفاق به مقدار زیاد تکرار شود، بتن منهدم شده و مقاومت لازم را نخواهد داشت. این مسئله که به سیکل ذوب و انجماد معروف است یکی از عوامل کاهش دوام بتن در مناطق مرطوب و سردسیر می باشد. با کاهش نسبت آب به سیمان و کاهش این حفرات، مقاومت بتن در برابر سیکل ذوب و انجماد بیشتر می شود هرچند که از بین نمی رود. استفاده از مواد هوازا در بتن، یکی از رایجترین روشها برای محافظت بتن از این معضل می باشد که سالهای متمادی در صنعت بتن به کار می رود.

کلام آخر:

تمدن نوین بشری بی شک مدیون آمیزه ای به نام بتن است. آسمانخراشها، تونل ها، سدها، راه ها و بزرگراه ها، فرودگاه ها، بنادر، همه صنایع و همه المانهای اقتصادی تکیه بر بتن دارند. اگرچه که ظاهر امر، بتن ماده ای ارزان است ولی بار گرانی بر دوش دارد و بی توجهی به آن لطمات بسیار زیادی به اقتصاد و امنیت یک جامعه وارد می کند. کیفیت بتن می تواند عاملی در تمایز اقتصادی بین یک کشور با سایرین ایجاد کند.

برای رسیدن به کیفیت مطلوب بتن و ارتقا این دانش مهم، لازم است انواع دانش ها در کنار همدیگر قرار گیرند. علمی شیمی، مواد و متالورژی، مکانیک، رئولوژی و … در کنار هم می توانند به این مسئله بسیار حیاتی پاسخی مطلوب دهند.