بتن چیست و انواع بتن کدامند؟ کاربرد و مزایا
در این مقاله از کارگشا به دنبال یک تعریف کلی از بتن هستیم و با بیان تاریخچه‌ای از بتن، انواع آن، تولید، بتن ریزی و نحوه عمل آوری آن به دنبال معرفی بتن هستیم. در ادامه با ما همراه باشید.
تعریف بتن
از نظر لغوی بتن ریشه‌ای فرانسوی (Béton) دارد و از کلمه لاتین (Bitume) گرفته شده که به معنی ترکیب یا ماده‌ای چسبنده با خاصیت سیمانی شدن است. در زبان انگلیسی بتن کانکریت (concrete) خوانده می‌شود و در فارسی هم به دلیل اینکه فناوری آن در ایران ساخته نشده است نیز واژه‌ای برای آن هم به وجود نیامده است و به دلیل روابط خارجی زیاد با فرانسه نام بتن استفاده بیشتری نسبت به سایر نام‌ها دارد.
تاریخچه بتن
طبق شواهد به دست آمده از کاوش‌های باستان شناسی از بتن برای اولین بار در روم باستان برای ساخت سازه کولوسئوم و گنبد پانتئون به طور گسترده استفاده شده است.
پس از فروپاشی روم، استفاده از بتن نیز کاهش پیدا کرد و تقریباً تا سده 18 از این ماده ساختمانی با ارزش کمتر استفاده می‌شد. در حال حاضر بتن پرمصرف‌ترین ماده ساختمانی در جهان است که با مواد مختلف مانند انواع پلیمرها مخلوط شده و ویژگی‌های جدید و منحصر به فردی به آن اضافه شده است.
بتن چیست؟
مسلماً بتن‌های امروزی با بتن‌هایی که در روم استفاده می‌شدند تفاوت‌های زیادی دارد. بتن‌های امروزی از مخلوط سه ماده اصلی سیمان پرتلند، آب و سنگدانه ساخته می‌شود. سیمان پرتلند نیز خود از موادی مانند پودر سنگ آهک، خاکستر بادی، پوزولان، سرباره کوره، گوگرد و بسیاری از دیگر مواد افزودنی ساخته می‌شود.
انواع بتن
با توجه به مواد افزودنی که به ترکیب سیمان پرتلند، آب و سنگدانه اضافه می‌شود و یا روش خاصی که برای تهیه بتن اتخاذ می‌شود، انواع مختلف بتن به وجود می‌آید که در زیر به طور خلاصه به آنها اشاره شده است.
بتن ساده
بتن ساده از آب، سیمان و سنگدانه تهیه شده است و وزن مخصوصی برابر با 2200 تا 2500 کیلوگرم بر متر مکعب و مقاومتی بین 200 تا 500 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع دارد. در ساخت بتن ساده از هیچ گونه مواد افزودنی استفاده نشده است.
بتن مسلح یا تقویت شده
بتن مسلح به منظور افزایش مقاومت کششی سازه‌هایی که با بتن ساخته می‌شوند، تهیه می‌شود. بتن مسلح همانطور که از نامش پیداست به وسیله آرماتورها (میلگردها شبکه بندی شده) مقاومت شده است.
ناگفته نماند که جدا از آرماتور از دیگر متریال مانند چوب و بامبو نیز برای تقویت بتن استفاده می‌شود. برای اطلاع بیشتر در این باره به مقاله «بتن تقویت شده با بامبو» مراجعه کنید.
بتن سبک
همانطور که گفته شده وزن مخصوص بتن بین 2200 تا 2500 کیلوگرم بر متر مکعب است ولی بتن‌های سبک وزن مخصوص کمتر از 1920 کیلوگرم بر متر مکعب دارند. بتن ساده را می‌توان با اضافه کردن موادی مانند فوم و استفاده از سنگ‌دانه‌های سبک مانند پرلیت و لیکا و با روش‌های خاص مانند اتوکلاو و اضافه کردن پودر آلومینیوم سبک کرد و فوم بتن، بلوک بتنی اتوکلاو و بلوک بتنی لیکا تولید کرد.
بتن پیس تنیده
بتن پیش تنیده بتنی است که در آنها از آرماتورهای درون بتن پیش از اجرا و بارگذاری روی سازه کشیده شده یا به اصطلاح تنیده شده‌اند. بتن از پیش تنیده در پروژه‌های بزرگ که مقاومت کششی زیادی نیاز دارند اجرا می‌شود.
بتن پیش ساخته
بتن پیش ساخته به بلوک‌های بتنی در ابعاد و اندازه‌های مختلف گفته می‌شود که در کارخانه ساخته می‌شود و در کارگاه به وسیله تکنیک‌های مختلف اجرا می‌شوند.
بتن با وزن مخصوص بالا
بتن ساده وزن مخصوصی برابر با 2200 تا 2500 کیلوگرم بر متر مکعب دارد و بتن با وزن مخصوص بالا به طور طبیعی دارای وزن مخصوص بین 3000 تا 4000 کیلوگرم بر متر مکعب است. از این بتن در ساخت نیروگاه‌های هسته‌ای، موشکی، باند فرودگاه‌ها و سایر پروژه‌های مشابه استفاده می‌شود.
بتن پلیمری
در بتن پلیمری علاوه بر آب، سیمان و سنگدانه، مواد پلیمری هم در ساخت آن شرکت دارند که چسبندگی ذرات سنگدانه درون بتن کمک می‌کنند.
بتن با مقاومت عادی
بتن عادی به بتنی گفته می‌شود که مقاومت آن بین 10 تا 40 مگا پاسکال بوده و زمان گیرش اولیه آن با توجه به شرایط آب و هوایی بین 30 تا 90 دقیقه است.
بتن با مقاومت بالا
بتن مقاوم به بتنی گفته می‌شود که بیش از 40 مگا پاسکال مقاومت دارد. بتن با مقاومت بالا با کاهش نسبت آب به سیمان تا 0/35 تهیه می‌شود.
بتن خود تراکم
در بتن ریزی مرحله‌ای وجود دارد که در آن به وسیله میله‌های ویبراتور اقدام به خروج هوا از بتن می‌شود و به این ترتیب بتن تراکم بیشتری به دست می‌آورد. بتن خود متراکم با وزن خود متراکم شده و نیاز به استفاده از ویبراتور و ایجاد لرزش ندارد. برای اطلاع بیشتر درباره بتن خود متراکم به مقاله «بتن خود متراکم (SCHPC) چیست؟» مراجعه کنید.
بتن پاششی
بتن پاششی همان بتن ساده است ولی محتوای آب آن به دلیل شیوه اجرای مخصوص آن، بیشتر از بتن ساده است. بتن پاششی به سطح آرماتور آماده به کمک نازل پاشیده می‌شود و هرچه فشار هوای نازل بالاتر باشد عملیات تراکم بتن به مراتب بهتر انجام می‌شود.
بتن اکسپوز
بتن اکسپوز بتنی است که در ترکیبات آن از سنگدانه استفاده نشده است و برای اجرای نمای داخلی و خارجی کاربرد دارد. برای اطلاع بیشتر از بتن اکسپوز به مقاله «مجری بتن اکسپوز کیست و چگونه او را پیدا کنیم؟» مراجعه کنید.
بتن مگر
بتن مگر به لایه از بتن ساده گفته می‌شود که به منظور زیرسازی فونداسیون بر روی محل اجرای سازه اجرا می‌شود و معمولاً ضخامت حدود 10 سانتی‌متری دارد. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه به مقاله «صفر تا صد زیرسازی ساختمان و اجرای بتن مگر» مراجعه کنید.
تولید بتن
بتن معمولاً در دو محل یا در کارگاه و یا در کارخانه تولید سیمان تولید می‌شود. برای پروژه‌های کوچک مانند ساختمان‌های یک تا چند طبقه معمولاً بتن به صورت آماده از شرکت‌های تولید بتن خریده شده و توسط تراک میکسر به محل کارگاه آورده می‌شود.
برای بتن ریزی پروژه‌های بزرگ مانند مجتمع‌های مسکونی، تجاری و … معمولاً یک کارگاه کوچک تولید بتن به نام بچینگ در محل ساخت سازه برپا شده و بتن در لحظه تولید و اجرا می‌شود. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه به مقاله «ماشین آلات تولید و اجرای بتن» مراجعه کنید.
بتن ریزی
بتن ریزی به فرایندی گفته می‌شود که در آن بتن آماده شده در محل اجرای خود تخلیه می‌شود. برای تولید بتن مسلح پیش از اجرای بتن، آرماتوربندی انجام می‌شود ولی برای اجرای بتن‌هایی که برای ساخت فونداسیون از آنها استفاده می‌شود آرماتور بندی نیازی نیست.
پیش از تخلیه بتن مهندس سازه باید نمونه گیری کرده و مشخصات بتن آماده شده را با بتنی که سفارش داده شده است، بسنجد. پس از آن وقتی بتن در محل ریخته شده با استفاده از ویبراتور باید هوای به دام افتاده خارج شود و بتن به تراکم برسد. برای اطلاع از جزئیات بتن ریزی به مقاله «نکات اجرایی بتن ریزی فونداسیون که هر ناظر و پیمانکاری باید بداند!» مراجعه کنید.
عمل آوری بتن
عمل آوری عبارت است از حفظ رطوبت بتن تا زمانی که واکنش بین سیمان و آب تکمیل شود. این عمل می‌تواند به وسیله عایق کاری موقت، پاشش آب یا تولید بخار صورت گیرد. از دیدگاه عملی، حفظ رطوبت بتن برای 7 روز توصیه می‌شود. در شرایطی که این کار ممکن نباشد حداقل زمان عمل آوری بتن نباید کمتر از 2 روز باشد.
سازه بتنی
سازه بتنی سازه‌ای است که در ساخت آن از بتن یا به طور معمول بتن آرمه، سیمان، شن، ماسه و فولاد به صورت میلگرد ساده یا آجدار استفاده شده باشد. در ساختمان در صورت استفاده از بتن آرمه در قسمت ستون‌ها و شاه تیرها و پی، آن ساختمان یک سازه بتنی محسوب می‌شود.
امروزه بسیاری از پل ها را با بتن آرمه می سازند. برای استفاده از پل های بلندتر و بیشتر شدن فاصله پایه پلها از تیر پیش تنیده استفاده می شود.
مزایای سازه های بتنی
- ماده اصلی بتن که شن و ماسه می‌باشد ارزان و قابل دسترسی است.
- سازه‌های بتنی که مطابق با اصول آیین نامه‌ای طراحی و اجرا شده اند، در مقابل شرایط محیطی سخت، مقاومتر از سازه‌های ساخته شده با مصالح دیگر هستند.
- به علت قابلیت شکل پذیری بالای بتن، امکان ساخت انواع سازه‌های بتنی نظیر پل، ستون و … به اشکال مختلف میسر است.
- سازه‌های بتنی در مقابل حرارت زیاد ناشی از آتش سوزی بسیار مقاوم اند. آزمایش‌ها نشان داده اند که در صورت ایجاد حرارتی معادل ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد برای یک نمونه بتن آرمه، حداقل یک ساعت طول می‌کشد تا دمای فولاد داخل بتن، که با یک لایه بتنی با ضخامت ۲٫۵ سانت پوشیده شده است، به ۵۰۰ درجه سانتی گراد برسد.
روش های طراحی سازه های بتن آرمه
به طور کلی هدف از طراحی یک سازه، تامین ایمنی در مقابل فروریختگی و تضمین عملکرد مناسب در زمان بهره برداری است. چنانچه مقاومت واقعی یک سازه بطور دقیق قابل پیش بینی بود و در صورتی که بارهای وارد بر سازه و اثرات داخلی آنها نیز با همان دقت قابل تعیین بودند، تامین ایمنی تنها با ایجاد ظرفیت باربری به میزان جزئی بیش از مقدار بارهای وارده ممکن می گشت.
لیکن عوامل نامشخص و خطاهای احتمالی متعددی در آنالیز، طراحی و ساخت سازه‌ها وجود دارند که یک حاشیه ایمنی را در طراحی سازه‌ها طلب می‌کنند. مهمترین ریشه‌ها و منابع این خطاها عبارتند از:
- بارهایی که در عمل به سازه وارد می‌شوند و همچنین توزیع واقعی آنها ممکن است با آنچه در بارگذاری سازه فرض شده است متفاوت باشند.
- رفتار واقعی سازه ممکن است با رفتار تئوریک سازه، که بر اساس آن نیرو های طراحی اعضا محاسبه می‌شوند، تفاوت داشته باشد.
- مقاومت واقعی مصالح به کار رفته در ساخت سازه ممکن است متفاوت از مقادیر فرض شده در محاسبات باشد.
- ابعاد قطعات و محل واقعی میلگردها ممکن است دقیقاً مطابق آنچه طراح در محاسبات خود فرض کرده نباشد.
بنابراین، انتخاب یک حاشیه ایمنی مناسب امر بسیار دشواری است که نحوه منظور نمودن آن، به صورت یکی از مشخصه‌های اساسی روش‌های طراحی در آمده است. به طور کلی طراحی سازه‌های بتن آرمه به سه روش زیر صورت می‌گیرد:
- تنش مجاز
- مقاومت نهایی
- روش طراحی بر مبنای حالات حدی
مقاومت بتن و بتن ریزی
هرچه از عمر بتن می گذرد، مقاومت آن افزایش می یابد. لیکن از افزایش مقاومت بتن بعد از ۲۸ روز بنا به عللی صرف نظر می گردد. دلیل اول ناچیز بودن آن و دلیل دوم این است که پس از ۲۸ روز، معمولا امکان بارگذاری روی سازه وجود دارد. از طرفی هرچه از عمر بتن می گذرد، ممکن است عوامل مخرب محیطی هم روی سازه اثر گذاشته و از مقاومت آن بکاهد.
به طور کلی دو روش برای اجرای بتن وجود دارد:
- مکانیزم سقوط آزاد
- پمپ کردن با فشار
در روش اول با کاهش میزان هوا رو به رو هستیم، زیرا حباب های هوا بسیار شکننده و سبک هستند بنابراین زمانی که به بتن ضربه ناگهانی وارد شود یا از ارتفاع بیشتر از دو متر ریخته شود ممکن است که حباب ها به سطح بیایند و از بین بروند.
در این فرآیند بیشتر، حباب های درشت تر از بین می روند. اما در مورد روش دوم در فشار زیاد حباب ها ممکن است آنقدر فشرده شوند تا جایی که در آب حل شوند.
هرچه حباب ها ریزتر باشند و کشش سطحی کمتر باشد برای انحلال در آب مساعدتر هستند بنابراین هرچه میزان فشار کمتر باشد میزان از دست رفتگی حباب های هوا کمتر خواهد بود.
