بتن چیست؟

بتن حاصل اختلاط سه ماده سیمان و آب و سنگدانه می باشد. تناسب درست این اجزاء با یکدیگر منجر به خمیری می شود که می توان آنرا قالب گیری کرد و پس از مدتی این خمیر سخت شده و شکل قالب را به خود می گیرد. ساخت مخلوطهای بتنی رفتاری تابع سوسپانسیون ها داشته و رفتار رئولوژی آن شبیه به یک سوسپانسیون است. مواد نامحلولی که در یک بستر سیال پخش شده اند و این پخش شدگی باید با همگنی مناسبی همراه باشد و فازهای این مخلوط از همدیگر جدایش نداشته باشند. تشکیل یک مخلوط بتنی همگن و یکنواخت قدم اول برای رسیدن به یک بتن با کیفیت است. دانش طرح اختلاط بتن با هدف رسیدن به این مخلوط همگن، با رئولوژی مناسب می باشد. تئوریهای مختلفی برای درک رفتار این مخلوط ایجاد شده و روشهای استاندارد کاملی برای کنترل کیفیتهای مورد نیاز تدوین شده است.

اجزای اصلی تشکیل دهنده بتن:

1. آب
2. سیمان
3. سنگدانه

بتن ابتدا ماده ای نرم و حتی روان می باشد، این ماده به مرور زمان سفت شده و در نهایت سخت و شکننده می شود. سفت شدن بتن ناشی از یک واکنش پیچیده شیمیایی بین آب و سیمان است که محصول این واکنش باعث چسبندگی قدرتمند سنگدانه ها به یکدیگر می شود. مخلوط آب و سیمان را خمیر سیمان می گویند که در ابتدا کاملا خمیری و روان بوده و تدریجا سخت می شود و در حالت سخت هم با آن خمیر سیمان می گویند که لابلای سنگدانه ها قرار می گیرد. واکنش آب و سیمان را واکنش هیدراتاسیون می گویند که یک واکنش بسیار پیچیده می باشد که هنوز مکانیسمهای آن به درستی درک نشده است و همچنان تحقیقات بر روی آن ادامه دارد.

درک بهتر بتن با تقسیم آن به دو بخش:

برای درک بتن، بهتر است آنرا به دو بخش زیر تقسیم کنیم و با تعریف مجزای هر بخش که شامل تعریف جداگانه آن بخش و بررسی خصوصیات آن است، به ادامه مطلب بپردازیم:

1. سنگدانه
2. خمیر سیمان

سنگدانه

سنگدانه، در واقع همان شن و ماسه می باشد که در طیفی از اندازه ها باید در کنار هم باشند. پیوستگی دانه بندی شن و ماسه در بتن، باعث تراکم بهتر و بالاتر در بتن می باشد. چارچوب کیفی سنگدانه ها در استاندارد ASTM C33 گردآوری شده است.

خصوصیات مهمی که سنگدانه باید داشته باشد به شرح ذیل می باشد:

1. استحکام مناسب: مقاومت سنگدانه باید بالاتر از خمیر سیمان سخت شده باشد. سنگدانه ها معمولا سیلیسی و یا آهکی می باشند و بسته به مورفولوژی آنها مقاومتهای مختلفی از خود نشان می دهند. سنگدانه های با استحکام کم علاوه بر اینکه می توانند مقاومت بتن نهائی را کاهش دهند، در زمان آماده سازی و حمل بتن نیز به تدریج خرد شده و این مسئله باعث عدم یکنواختی در کیفیت بتن شده و مشکلاتی را به همراه دارد.
2. دانه بندی مناسب: دانه بندی سنگدانه باید به گونه ای باشد که پس از تراکم کمترین فضای خالی بین سنگدانه ها باشد. این کار را می توان با آزمون دانسیته توده سنگدانه متراکم به دست آورد. با فرض ثابت بودن وزن مخصوص سنگدانه، هر چقدر دانسیته یک مخلوط در حالت توده ای افزایش یابد، به معنی متراکم تر بودن آن مخلوط می باشد. از اختلاط سنگدانه های با سایز مختلف به شرایطی بهینه می رسیم که بالاترین تراکم را به دست می آوریم که کمترین فضای خالی (void) بین سنگدانه ها را خواهیم داشت و در واحد حجم ثابت، کمترین خمیر سیمان مصرف می شود.

3. شکل مناسب: هرچه سنگدانه های مصرفی سطح صاف تر و گردگوشه باشند، فضای خالی کمتری خواهیم داشت و همچنین اصطکاک کمتری بین سنگدانه ها بوجود می آید. اصطکاک بین سنگدانه ها یکی از چالشهای تکنولژی بتن می باشد چون با افزایش اصطکاک روانی بتن کاهش می یابد و برای جابجائی بتن نیازمند نیروی بیشتری می باشیم. ولی از طرفی صاف بودن سنگدانه ها چسبندگی آنها را به خمیر سیمان می کاهد و باعث کاهش مقاومت در بتن می شود ولذا برای رسیدن به شرایط بهینه بهتر است خصوصیات فوق در شرایط بهینه ای در سنگدانه مشاهده شود.

   سنگدانه های ورقه ای و سوزنی هم باعث کاهش روانی بتن می شوند و هم استحکام بتن نهائی را کاهش می دهند و لذا این خاصیت ظاهری سنگدانه باید تحت کنترل باشد.

4. تمیزی سطح سنگدانه: هرچه سطح سنگدانه ها تمیزتر باشد، چسبندگی بهتری با خمیر سیمانی واقع می شود و به همین خاطر معمولا سنگدانه ها طی یک فرآیند شستشو تا حد امکان تمیز می شوند. گل و لای چسبیده به سنگدانه ها اثرات مخربی در بتن روان و همچنین بتن سخت شده به جا می گذارد.

خمیر سیمان

این ماده از سیمان و آب تشکیل شده است که برای درک بهتر جزئیات آن، هر قسمت به صورت جداگانه در ادامه مقاله توضیح داده شده است.

• سیمان

سیمان در اصطلاح لاتین به معنی چسب می باشد. سیمان پرتلند یک سیمان هیدرولیکی می باشد به این معنا که برای چسباندن اجزا به یکدیگر نیاز به آب دارد. از واکنش آب و سیمان محصولات با سطح مؤثر بالا تولید شده و رشد می کنند که چسبندگی بالائی به سطوح دارند. این ذرات کریستالی شبکه ای سیلیکاتی بوده که با نسبتهای مختلف در کریسال خود آب دارند و به کلسیم سیلیکات هیدرات معروفند.
سیمان یک نمک حاصل واکنش یک باز معدنی و چند اسید معدنی می باشد. آهک بخش بازی سیمان می باشد و سیلیس، آلومینا و اکسید آهن نقش اسیدی را در تشکیل سیمان بازی می کنند. این مواد با نسبت معین در کوره های کلینکر در دماهای بالا با یکدیگر وارد واکنش شده و تشکیل محصول کلینکر را می دهد که به شکل کلوخه می باشد. نهایتا این کلوخه ها همراه با مقداری گچ داخل آسیاب کاملا پودر شده و آماده عرضه به مصرف می باشند.

ذرات سیمان در سطح میکروسکوپی، ساختار همگنی نداشته و از چند فاز تشکیل شده است. فازهای کلسیم سیلیکات، کلسیم آلومینات و کلسیم آلومینوفرات فازهای اصلی سیمان هستند. کلسیم سیلیکات بخش اصلی سیمان را تشکیل می دهد که در دو شکل دی کلسیم سیلیکات یا بلیت و تری کلسیم سیلیکات یا آلیت می باشد. این فازها در تماس با آب تشکیل کلسیم سیلیکات هیدرات می کنند. دی کلسیم سیلیکات یا همان بلیت مقدار کمتری آب مصرف کرده و مقدار کمتری آهک آزاد تولید می کند و به همین دلیل محصولات با مقاومت بالاتری تولید می کند ولی سرعت واکنش آن پائین تر است ولذا کسب مقاومت های بلند مدت سیمان با این بخش می باشد. آلیت مقاومت های کوتاه مدت را باعث می شود و جذب آب بالاتری داشته و آهک آزاد بیشتری تولید می کند.
تری کلسیم آلومینات فازی از سیمان می باشد که حاصل واکنش آهک و اکسید آلومینیوم است. این فاز وظیفه گیرش اولیه سیمان را به همراه دارد. واکنش آن با آب بسیار شدید و گرمازاست بطوریکه باید سرعت این واکنش را کاهش داد. گچ مصرفی در سیمان به منظور کنترل سرعت هیدراتاسیون تری کلسیم آلومینات می باشد. محصولات هیدراتاسیون آلومینات مقاومت پائینی دارند.
تترا کلسیم آلومینو فرات ناشی از واکنش آهک با آلومینیوم اکساید و اکسید آهن می باشد. اکسید آهن به منظور کمک ذوب در فرآیند تولید سیمان به کار می رود و دلیل رنگ تیره سیمان مربوط به همین اکسید می باشد. هیدراتاسیون آلومینوفرات منجر به محصولات آلومیناتی شده که مقاومت بالائی در بتن ایجاد نمی کنند.
مخلوط آب و سیمان تشکیل یک سوسپانسیون با روانی مختلف می دهد. هرچه نسبت آب به سیمان افزایش یابد، این خمیر روان تر شده و ویسکوزیته این سوسپانسیون کاهش می یابد. این دو ماده پس از تماس با هم شروع به واکنشهای شیمیایی کرده که باعث تشکیل محصولاتی در سطح سیمان شده که بار الکتریکی بالائی دارند.
بار الکتریکی ایجاد شده در سطوح ذرات سیمان یکنواخت نبوده و به همین دلیل دو قطبی های الکتریکی در سطح ایجاد می شود که باعث می شود ذرات سیمان یکدیگر را جذب کرده و تشکیل کلوخه بکنند. این کلوخه ها هنگام تشکیل، مقداری از آب محیط را بین خودشان به دام می اندازند و به این ترتیب آب بین ذرات کاهش می یابد. با گذشت زمان به تدریج بخشی از آب به مصرف واکنش سطحی رسیده و بخشی در دام کلوخه ها می افتند و همین امر باعث می شود علارغم اینکه تا چند ساعت خمیر سیمانی نرم می باشد، ولی تدریجا روانی خود را از دست می دهد. این افت روانی به دلیل کاهش در بخش سیال سوسپانسیون که همان آب می باشد اتفاق می افتد. دلیل دیگر اینست که تشکیل کلوخه ها منجر به ذرات بزرگتری شده که این ذرات بزرگتر اصطکاک بالاتری نسبت به یکدیگر دارند و این نیز دلیل دیگری بر کاهش روندگی خمیر سیمان می باشد.

• آب

آب مصرفی در خمیر سیمان دو نقش را بازی می کند. مهمترین نقش آن، واکنشگری در واکنش هیدراتاسیون با سیمان می باشد. حدود 20 درصد وزنی سیمان آب نیاز است تا واکنش هیدراتاسیون کامل انجام شود. نقش دوم آب در خمیر سیمان، پخش کنندگی سیمان و تشکیل یک سوسپانسیون با کارپذیری لازم می باشد. معمولا برای اینکه یک خمیر روان داشته باشیم نیاز است که 50 درصد وزنی سیمان و بالاتر آب به سیمان اضافه کنیم. مقدار آب مازاد بر آب واکنشگر را آب آزاد می گویند. هرچه این مقدار آب آزاد بیشتر شود، خمیر روانی بیشتری خواهد داشت ولی از طرف دیگر با افزایش آب دانسیته خمیر سیمان کاهش می یابد.

این آب آزاد پس از انجام واکنش هیدراتاسیون سیمان تدریجا با فشار موئینگی از بدنه خمیر به بیرون دفع می شود و از سطح بتن تبخیر می شود. جریان آب خروجی از خمیر سیمان کانالی موئینه از خود به جای می گذارد که پس از سخت شدن خمیر و تبخیر شدن آب، بصورت کانالهای خالی باقی می ماند. این کانالها باعث اسفنجی شدن خمیر و کاهش مقاومت فشاری آن می شود. از طرف دیگر این کانالها درگاهی جهت نفوذ آب از سطح به داخل خمیر می شود. هرچه مقدار آب آزاد خمیر بیشتر باشد، تعداد کانالها و قطر آنها افزایش می یابد.

از طرفی هرچه مقدار آب آزاد خمیر بیشتر باشد، دانسیته خمیر کاهش می یابد. واکنش هیدراتاسیون، محصولاتی با دانسیته بالاتری نسبت به خمیر خواهد داد که باعث انقباض در خمیر می شود ولذا با افزایش آب آزاد خمیر، جمع شدگی و انقباض بیشتری در خمیر تجربه می شود. این جمع شدگی باعث ایجاد تنش در خمیر شده و باعث ترکهایی در خمیر می شود که به کاهش کیفیت خمیر سیمان و نهایتاً بتن می شود.

خمیر سیمان علاوه بر نقش واکنش پذیری و سخت شوندگی در بتن که منجر به چسبندگی سنگدانه ها به یکدیگر می شود، نقش سیالیت در سوسپانسیون بتن را دارد. در این سوسپانسیون، خمیر سیمان نقش پخش کننده و سنگدانه ها نقش پخش شونده سوسپانسیون را بازی می کنند. هرچه نسبت حجمی خمیر سیمان به سنگدانه ها افزایش یابد، سنگدانه ها فاصله بیشتری از یکدیگر داشته و اصطکاک کمتری با هم دارند و بتن روانی بیشتری دارد هرچند افزایش خمیر سیمان باعث افزایش قیمت تمام شده بتن شده و از طرفی مقاومت ابعادی بتن را کاهش می دهد.

بالا بودن نسبت خمیر در بتن باعث افزایش گرمای هیدراتاسیون در بتن نیز می شود که کنترل این دما خود نیازمند تمهیدات خاص می باشد. به همین دلیل بسته به طرح مخلوط بتنی و نیازمندیهای بتن در سنین مختلف، نسبت خمیر به سنگدانه متفاوت طراحی می شود. در بتن ریزی های حجیم و جائی که بتن با روانی کم لازم است معمولا از نسبت کمتر خمیر استفاده می شود و در مواردی که نیاز به بتن با روانی بالاتر می باشد، نسبت خمیر افزایش می یابد.

استفاده از افزودنی های شیمیایی بتن نزدیک به یک قرن هست که وارد صنعت بتن شده است و با رشدی قابل توجه تا به امروز ادامه داشته است. بتن های امروزی چه از لحاظ مقاومت های مکانیکی و چه از نظر دوامی قابل قیاس با گذشته نیست و این کیفیت مدیون دانش شیمی افزودنی بتن می باشد.