بتن (Bitume) به هر ماده یا ترکیبی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد می گویند. بتن ممکن است از انواع مختلف سیمان ونیز پوزولانها، سرباره کورهها، مواد مضاف، گوگرد، مواد افزودنی، پلیمرها، الیاف و غیره تهیه گردد.
در ساخت بتن ممکن است حرارت، بخار،آب،اتوکلاو، خلأ، فشارهای هیدرولیکی و متراکم کنندههای مختلف استفاده گردد.انواع مختلفی از سیمان ها که شامل پوزولانها، سولفورها، پلیمرها، الیافهای مختلف و افزودنیهای متفاوتی هستند، تولید میگردند.
بتن چیست
بتن از پر کاربردترین مصالح ساختمانی می باشد. از ویژگیهای اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن می باشد. تولید انواع بتن با استفاده از حرارت، بخار، اتوکلاو، تخلیه هوا، فشار هیدرولیکی ویبره و قالب انجام میپذیرد. بتن محصولی است که از مخلوط آب با سیمان آبی و سنگدانههای مختلف در اثر واکنش آب با سیمان در شرایط محیطی خاصی با ویژگی های خاص حاصل میشود بتن 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 کرده است.
کاربردهای بتن
از سال 2006 به بعد، هر ساله حدود 7.5 میلیارد متر مکعب بتن ساخته شده است، یعنی به ازای هر نفر بیش از یک متر مکعب بتن ساخته شده است. بتن از با دوام ترین مصالح ساختمانی می باشد، و در مقایسه با سازه های چوبی بسیار در برابر آتش مقاوم است. سازه های ساخته شده از بتن عمر طولانی دارند. انوع مختلف بتن عبارتند از: بتن سبک ، بتن معمولی و بتن سنگین ، بتن مگر ، بتن پیش تنیده ، بتن آماده ، بتن پیش ساخته ، بتن شفاف ، بتن مسلح ، فوم بتن و بتن عایق و غیره است.
سازه های بتنی انبوه
سازه های بتنی بزرگ مانند سدها، موانع ناوبری، زیرساخت های بزرگ و موج شکن های بزرگ در طول هیدراسیون سیمان و انبساط آن گرمای بیش از حدی تولید می نمایند. به منظور کاهش این اثرات معمولا از خنک کننده ها در طول ساخت و ساز استفاده می گردد، در سازه های بتنی بزرگ از روش های مختلفی به منظور خنک کردن مخلوط استفاده می کنند.
در سازه های بتنی بزرگ، استفاده از غلتک متراکم کننده بتن است، که نسبت به مخلوط بتن معمولی از آب و سیمان کمتری استفاده می نماید و به طور کلی در محل جاری نمی گردد. به جای آن در لایه های ضخیم به عنوان یک ماده نیمه خشک ریخته شده و با استفاده از غلتک های متراکم کننده به یک توده قوی و متراکم تبدیل می شود. به دلیل استفاده از سیمان کمتر در این روش، بتن غلطکی نسبت به بتن معمولی نیاز کمتری به خنک کننده دارد.
امروزه کاربرد این ماده در شرایط خاص مورد استقبال مصرف کنندگان آن قرار گرفته است. اکنون 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 می شود. مسئله دوام بتن در محیطهای مختلف امروزه 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. بر همین اساس در بعضی 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 هستند.
تاریخچه بتن
کشتی بتن سبک در ایالات متحده آمریکا در طول جنگ سال های 1914 تا 1918ساخته شد و موفقیت آن منجر به تولید USS Selma (یک کشتی جنگی) شد. در سال 1953 و 1980، دوام کشتی سلما با گرفتن نمونه هایی از هسته در منطقه خط آبی تعیین گردید. در هر دو آزمایش میزان خوردگی بسیار کم بود.
در سال 1984، توماس هولم برآورد کرد که بیش از 400 پل در سراسر جهان به ویژه ایالت متحده آمریکا و کانادا از بتن سبک ساخته شده اند. پژوهش با خاک رس منبسط شده انجام شد و موسسه Slate اثبات نمود که بسیاری از پل ها در شرایط خوبی می باشند. مجله ACI Material در سال 1994 ( نوشته شده توسط Diona Marcia, Andrian Loani, Mihai Filip و Ian Pepenar)، نشان داد که بتن سبک در ژاپن از سال 1964 به عنوان پلت فرم ایستگاه راه آهن مورد استفاده قرار می گرفته است. مطالعه ی سال 1983 بر روی مقاومت این بتن ثابت کرد عمق کربناته در بتن سبک مشابه بتن معمولی می باشد. با وجود اینکه برخی شکاف در این بتن گزارش شد اما نشان دهنده مشکل ساختاری نبود. ساختار دوم که شامل بتن سبک و بتن معمولی بود که برای 13 سال در آب دریا بود به منظور نفوذ نمک مورد بررسی قرار گرفت.
به طور کلی خواص بتن سبک را می توان با انجام تست های آزمایشگاهی نشان داد، اما عملکرد کلی مواد این نوع بتن تنها با کارایی آن در میدان و با انجام آزمایش میدانی بر روی ساختار بتن سبک مشخص می گردد. بتن سبک در کاربرد های دریایی و کشتی سازی موفق می باشد.
ویژگی های ساختاری بتن
بتن دارای ویژگی های مختلفی می باشدکه این ویژگی ها تقریبا در تمام انواع بتن از جمله بتن آماده ، بتن پیش ساخته ، بتن سبک ، بتن سنگین ، بتن معمولی و غیره وجود دارد.
- حالت ارتجاعی (Elasticity): ضریب الاستیسیته بتن تابعی از ضریب الاستیسیته سنگ دانه ها و ماتریس سیمان و تناسب نسبی آنها می باشد.ضریب الاستیسیته بتن در سطوح با استرس کم نسبتا ثابت است اما در سطوح با استرس بیشتر با گسترش شکاف ماتریس، شروع به کاهش می یابد.
- انبساط و انقباض بتن : ضریب انبساط حرارتی در بتن بسیار پایین می باشد. اما با این حال اگر پیش بینی برای گسترش بتن نشده باشد، فشار بسیار زیادی ایجاد می گردد که موجب بروز شکاف در بخش هایی از ساختار که توانایی تحمل فشار و یا چرخه های انبساط و انقباض را ندارند، می گردد.
- ترک خوردگی ناشی از تنش: اعضای بتن ممکن است با اعمال بار، دچار تنش شوند. این نوع ترک خوردگی در تیرهای بتن رایج تر می باشد.
- ترک خوردگی ناشی از انقباض بتن: ترک ناشی از انقباض زمانی رخ می دهد که اعضای بتن در نتیجه خشک شدن، تاثیرات حرارتی و یا انقباض خود به خود دچار تغییر حجمی محدود (انقباض) گردند.
- خزش: منظور جابه جایی و یا تغییر شکل دائمی مواد به منظور از بین بردن استرس موجود در بتن است. اگر بتن مدت زمان طولانی را تحت فشار باشد مستعد خزش می باشد.
- نگهداری آب : بتن ساخته شده از سیمان پرتلند دارای آب است. با این حال برخی از انواع بتن مانند بتن متخلخل (بتن نفوذ پذیر) اجازه عبور آب را می دهند، از این رو یک جایگزین عالی برای سنگ فرش جاده ها هستند.
تفاوت بتن و سیمان
بتن و سیمان مواد مشابهی نمی باشند. سیمان در واقع فقط یک جزء از بتن است. بتن از سه جز پایه تشکیل شده است: آب، سنگ دانه ها (سنگ، ماسه، و یا شن) و سیمان پرتلند. سیمان، معمولا به صورت پودر، هنگامی که با آب و سنگدانه مخلوط می شوند به عنوان یک عامل اتصال عمل می نماید. در نهایت این ترکیب و یا مخلوط بتن، به یک ماده سخت و با دوام تبدیل می شود .
سیمان پرتلند: سیمان و آب یک خمیر را شکل می دهند که سنگ دانه ها و ماسه را در مخلوط می پوشانند. این خمیر باعث چسبیدن سنگ دانه ها و ماسه به یکدیگر می شوند.
آب: آب برای واکنش شیمیایی با سیمان (هیدراتاسیون) و همچنین ارائه کارایی بهتر بتن مورد نیاز است. میزان آب در مخلوط در مقایسه با مقدار سیمان، نسبت آب به سیمان (w/c) نامیده می شود. هرچه نسبت w/c کمتر باشد، بتن قوی تر خواهد بو (قدرت بالاتر، نفوذ پذیری کمتر).
سنگ دانه ها: شن یک سنگ دانه مناسب برای استفاده در مخلوط بتن می باشد.
در فرآیند تولید بتن،نکته قابل توجهی وجود دارد: مخلوط بتن هنگامی که به تازگی ترکیب شده باشد حالت پلاستیک نرم و قابل انعطاف دارد و هنگامی که سفت می گردد بسیار قوی و بادوام خواهد شد. به دلیل همین ویژگی است که از بتن در آسمان خراش ها، پل ها، پیاده رو ها، شاه راه ها، خانه ها و سدها استفاده می شود.
برخی از انواع بتن عبارتند از بتن آماده ، بتن پیش ساخته ، بتن سبک، بتن پیش تنیده، بتن سنگین، بتن مگر، بتن مسلح، بتن خود تراکم، بتن عایق، فوم بتن، بتن معمولی و غیره.
مزیت های استفاده از بتن
تمام انواع بتن از یک نوع مواد تشکیل شده اند و مواد ساختاری تمام انواع بتن آب، سیمان و سنگدانه ها می باشند.
- دسترسی به مواد تشکیل دهنده بتن آسان می باشد.
- بتن به راحتی قابل حمل است
- بتن را می توان به راحتی در قالب های مختلف اعمال کرد
- بتن را به راحتی می توان از محل تولید به محل مورد نظر جابه جا نمود.
- برای پرکردن ترک و شکاف های موجود در تونل می توان بتن را در آنها اسپری و یا پمپ کرد.
- با استفاده از فولاد در ساختار بتن به منظور تقویت آن، می توان از بتن برای ساخت هر سازه ای استفاده نمود.
- ساختار یکپارچه بتن ، ظاهری بهتر به سازه می دهد و علاوه بر این استحکام آن را بیشتر می نماید.
- مقاومت فشاری بالای بتن موجب می گردد تا ساختار های بتنی از سازه های فلزی مقرون به صرفه تر باشند.
معایب استفاده از بتن
- مقاومت کششی بتن پایین است بنابراین به منظور جلوگیری از ایجاد ترک، باید بتن را تقویت نمود.
- در سازه های بلند، در صورت وجود پراکندگی زیاد دما در منطقه، نیاز به انبساط و گسترش اتصلات وجود دارد.
- به علت انقباض ناشی از خشک شدن و انبساط ناشی از رطوبت، بتن ممکن است دچار ترک گردد.از این رو اتصالات سازه ها برای جلوگیری از ترک خوردگی بتن ارائه می شوند.
- در صورت وجود نمک محلول در بتن در شرایط تماس با رطوبت موجب شوره زنی سطح بتن می گردد.
- سیمان ساخته شده از سیمان پرتلند معمولی، در شرایط حضور مواد قلیایی، سولفات و غیره، یکپارچه می گردد.
- افزایش میزان بارگیری موجب توسعه خزش ساختمان می گردد.
آزمون کیفیت بتن
بتن یک ماده مرکب می باشد ،متشکل از ترکیبی از سنگدانه ها که دانه های ریز و درشت هستند. در بتن ، سیمان پرتلند و آب به همراه مواد افزودنی و یا بدون مواد افزودنی بتن با سنگ دانه ها ترکیب می گردند.. به منظور تعیین کیفیت بتن در محل، باید آزمون کیفیت بر روی بتن انجام شود.
آزمون های رایج تعیین کیفیت بتن
- اسلامپ بتن (تست کارایی بتن): این آزمون کیفیت بتن، قبل از ترک بچینگ پلانت و در بدو ورود به محل، بر روی بتن انجام می گردد.
- آزمون مقاومت فشاری بتن
- تست نفوذ پذیری آب نیز یکی از آزمون های تعیین دوام بتن می باشد.
- آزمون نفوذ یون کلرید سریع
- آزمون جذب آب
- آزمون جذب آب سطحی اولیه در بتن