بتن چیست؟ مواد سازنده بتن کدام است؟

بتن چیست؟

بتن (Concrete)، ترکیبی از شن، ماسه یا سنگ‌های خردشده با دانه‌بندی‌های مختلف (سنگدانه‌های ریز و درشت) است که توسط یک خمیر سیمانی به یکدیگر متصل شده‌اند. البته با توجه به خواص مورد نیاز، امکان استفاده از افزودنی‌های شیمیایی مانند کندگیر کننده، روان کننده و غیره یا افزودنی‌های معدنی مانندخاکستر بادی، سرباره و غیره نیز وجود دارد. سخت شدن مخلوط بتن، نتیجه یک فرآیند شیمیایی بین آب و سیمان است.

بتن سخت شده (Hardened Concrete) را می‌توان به عنوان یک سنگ مصنوعی در نظر گرفت که در آن، فضای بین ذرات بزرگ‌تر (سنگدانه‌های درشت) توسط ذرات کوچکتر (سنگدانه‌های ریز) و فضای بین سنگدانه‌های ریز توسط سیمان پر شده‌اند. در یک مخلوط بتنی، مواد سیمانی و آب باعث تشکیل خمیری با عنوان خمیر سیمان (Cement Paste) می‌شوند. وظیفه خمیر سیمان، پر کردن فضای خالی بین سنگدانه‌های ریز، پوشاندن سطح سنگدانه‌های ریز و درشت و پیوند بین تمام ذرات در حین فرآیند سخت شدن یا گیرش است.

 

تاریخچه  بتن

قدیمی‌ترین اثر از یک سازه بتنی، مربوط به حدود 7000 سال قبل از میلاد است که در سال 1985 میلادی و طی یک عملیات راه‌سازی در فلسطین کشف شد. این سازه، یک کف بتنی، آهکی است که حدس زده می‌شود از حرارت دادن به سنگ آهک و ترکیب کردن آن با آب و سنگدانه ساخته شده باشد. بررسی‌های صورت گرفته نشان می‌دهند که بلوک‌های سنگی مورد استفاده در ساخت هرم بزرگ جیزه (2500 سال قبل از میلاد)، توسط یک ماده سیمانی بهم متصل شده‌اند.

حدود 500 سال قبل از میلاد، هنر ساخت ملات آهکی در یونان باستان شکل گرفت. این نوع ملات به طور گسترده در ساخت قصرها و معابد یونانی به کار گرفته می‌شد. در حدود سال 200 قبل از میلاد، رومی ها یک نوع خاص از خاکستر آتشفشانی استخراج شده از محدوده «پوتزولی» (Pozzuoli) واقع در کشور ایتالیا را با آهک مخلوط کردند و دریافتند که این ترکیب مقاومت بیشتری نسبت به مواد ساخته شده پیشین دارد. بعدها این ماده با نام «پوزولان» (Pozzolan) شناخته شد. بسیاری از سازه‌های پوزولانی رومی‌ها، یونانی‌ها، هندیان و مصریان که هزاران سال پیش ساخته شده‌اند، اکنون قابل مشاهد هستند. همین موضوع، پایداری بسیار خوب سازه‌های بتنی و دلیل تداوم استفاده از آن در طی چند هزار سال گذشته تا امروز را نمایش می‌دهد.

مواد سازنده بتن

بتن ترکیبی از شن، ماسه، سنگ‌های خرد شده یا دیگر سنگدانه‌ها است که توسط یک خمیر چسبنده در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند. خواص این ماده به ترکیبات مورد استفاده در آن و نسبت مخلوط کردن این مواد بستگی دارد. به طور کلی، اجزا تشکیل دهنده بتن عبارت هستند از:

 

1)سیمان

یک بایندر هیدرولیک است که در ساخت بتن به کار می‌رود. بایندرهای هیدرولیک موادی هستند که در صورت ترکیب با آب شروع به سفت شدن می‌کنند. خمیر سیمان (ترکیب آب با سیمان) طی یک واکنش شیمیایی به نام «هیدراتاسیون» یا آبپوشی سفت می‌شود. واکنش هیدارتاسیون هم در هوای آزاد و هم در زیر آب رخ می‌دهد.

 

از بین مواد اصلی تشکیل دهنده بتن، سیمان تنها جزئی است که خود از ترکیبات دیگر تشکیل می‌شود. پرکابردترین نوع سیمان مورد استفاده برای ساخت بتن، سیمان پرتلند (Portland Cement) است. برای ساخت سیمان پرتلند، سنگ آهک، ماسه سنگ، شیل، آهن، رس و خاکستر بادی در یک کوره استوانه‌ای ریخته می شوند. سپس، مخلوط به دست آمده در معرض دمای بالای 1600 درجه سلسیوس قرار می‌گیرد. با خروج آب و کربن دی اکسید در طی این فرآیند، ترکیب جدیدی با عنوان «کلینکر» به وجود می‌آید. با سایش کلینکر (تبدیل آن به ذرات ریز) و مخلوط کردن آن با ژیپس، سیمان پرتلند به دست می‌آید. طبق استاندارد اروپا، سیمان به پنج گروه زیر تقسیم می‌شود:

 

CEM I: سیمان پرتلند (تیپ 1)

CEM II: سیمان کامپوزیتی (تیپ 2 عمدتا متشکل از سیمان پرتلند)

CEM III: سیمان سرباره ای (تیپ 3)

CEM IV: سیمان پوزولان (تیپ 4)

CEM V: سیمان کامپوزیتی (تیپ 5)

 

2)سنگدانه

معمولا ترکیبی از شن (ذرات درشت) و ماسه (ذرات ریز) با دانه‌بندی مشخص است. سنگدانه‌ها به عنوان بافت دانه‌ای بتن، توسط خمیر سیمانی در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند. این مواد، 70 تا 80 درصد وزن بتن را تشکیل می‌دهند. استفاده از سنگدانه‌هایی با اندازه و کیفیت بهینه، خواص نهایی بتن را بهبود می‌بخشد.

سنگدانه‌ها به صورت طبیعی (در بستر رودخانه‌ها) و صنعتی (سبک و بازیافت شده) قابل دسترسی هستند. به منظور دستیابی به کیفیت بالای بتن، این مواد شسته می‌شوند و توسط فرآیندهای مکانیکی (سنگ شکنی، سرند کردن و مخلوط کردن) به دانه‌بندی‌های مختلف درمی‌آیند. از ویژگی‌های سنگدانه‌های خوب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

سنگدانه‌ها باید پیوند محکمی با خمیر سیمانی سفت شده برقرار کنند.

سنگدانه‌ها نباید در فرآیند سفت شدن سیمان خللی ایجاد کنند.

سنگدانه‌ها نباید بر روی دوام بتن، تاثیر منفی داشته باشند.

 

3)آب

کیفیت آب مورد استفاده در ساخت بتن‌ها به منبع آن بستگی دارد. طبق استاندارد EN1008، انواع آب به موارد زیر تقسیم می‌شوند:

آب آشامیدنی: این آب برای ساخت بتن مناسب است.

آب بازیافتی: آبی که در طی فرآیندهای ساخت بتن‌ها بازیافت می‌شود نیز عموما برای استفاده مجدد مناسب است. البته میزان مواد جامد درون آن نباید بیشتر از یک درصد وزن کل سنگدانه‌ها باشد.

آب زیرزمینی: این آب نیز می‌تواند برای ساخت بتن‌ها مناسب باشد اما محتوای آن باید مورد بررسی قرار گیرد.

    آب دریا (آب شور): استفاده از آب دریا در ساخت بتن‌های معمولی ایرادی ندارد اما نباید از این نوع آب در ساخت بتن‌های مسلح یا پیش تنیده استفاده کرد. دلیل این موضوع، احتمال واکنش شیمیایی کلراید با میله‌های تقویت‌کننده است.

آب فاضلاب: به کار بردن این آب در ترکیب بتن‌ها مناسب نیست.

 

4)افزودنی

مواد مایع یا پودرهایی هستند که قبل یا در حین مخلوط کردن به ترکیب بتن اضافه می‌شوند. میزان افزودنی مورد استفاده به مقدار سیمان بستگی دارد. افزودنی‌های بتن، تاثیر قابل توجهی بر روی خواص مخلوط تازه یا سخت شده می‌گذارند. تاثیر این مواد به صورت شیمیایی یا فیزیکی است. افزودنی‌ها به دو دسته شیمیایی و معدنی تقسیم می‌شوند. در بخش مربوط به افزودنی‌های بتن، به معرفی انواع افزودنی‌های شیمیایی و معدنی خواهیم پرداخت.

 

5)انواع افزودنی شیمیایی

به شش گروه دیرگیر کننده، حباب ساز، کاهنده آب، تسریع کننده، کاهنده جمع شدگی، روان کننده و ضد خوردگی تقسیم می‌شوند. در ادامه، به معرفی هر یک از این افزودنی‌ها و تاثیر آن‌ها بر روی خواص بتن می‌پردازیم.

 

6)دیرگیر کننده بتن

دیرگیر کننده شروع واکنش شیمیایی مورد نیاز برای گیرش را به تاخیر می‌اندازد. این نوع از افزودنی‌ها معمولا برای مقابله با شروع زودهنگام گیرش به دلیل گرمای زیاد محیط مورد استفاده قرار می‌گیرند. به کارگیری دیرگیر کننده در هنگام ساخت پیاده‌روها باعث افزایش زمان موجود برای پرداخت بتن تازه، کاهش هزینه‌های اضافی ناشی از راه‌اندازی سایت بچینگ و کاهش احتمال رخ دادن ترک می‌شود. اضافه کردن دیرگیر کننده به دال بتنی، مقاومت این سازه در برابر ترک‌خوردگی را افزایش می‌دهد.

اکثر دیرگیر کننده‌ها به عنوان کاهنده آب و حباب ساز نیز عمل می‌کنند. شکر، به عنوان یک ماده دیرگیر کننده شناخته می‌شود. به ازای 0.06 درصد از این ماده خوراکی در یک واحد آب مورد استفاده برای ساخت بتن، زمان گیرش یک ساعت و 20 دقیقه افزایش می‌یابد.

 

7)حباب ساز بتن

حباب ساز، می‌تواند دوام بتن را در برابر تغییرات شدید دمایی افزایش دهد. این نوع از افزودنی‌ها باعث بهبود کارایی، کاهش آب انداختن و کاهش وارفتگی می‌شوند. حباب ساز، عملکرد در سرمای شدید و تغییرات آب و هوایی مداوم را بهبود می‌بخشد.

از دیگر مزیت‌های افزودنی حباب ساز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مقاومت بالا در برابر خیس شدن و خشک شدن مداوم

کارایی بالا

دوام بالا

حباب ساز مانند یک سپر فیزیکی در برابر ترک‌های ناشی از تنش‌هایی است که به دلیل افزایش حجم آب بر اثر تغییرات دمایی به وجود می‌آیند. این افزودنی‌ها با تمام افزودنی‌های دیگر سازگار هستند. با این وجود، به ازای استفاده از هر یک درصد حباب ساز، مقاومت فشاری به میزان پنج درصد کاهش می‌یابد.

 

8)کاهنده آب بتن

امکان ایجاد یک اسلامپ دلخواه در نسبت آب به سیمان پایین‌تر از حد معمول را فراهم می‌کند. این نوع از افزودنی‌ها برای دستیابی به یک مقاومت مشخص با به کارگیری سیمان کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

9)کاهنده آب

با اضافه کردن کاهنده آب به بتن، خواص بتن بهبود می‌یابد و امکان استفاده از آن در شرایط سخت نیز فراهم می‌شود. این افزودنی معمولا در ساخت عرشه پل، لایه‌های بتنی با اسلامپ پایین و ترمیم بتن کاربرد دارد.

 

10)تسریع کننده بتن

به منظور بهبود نرخ افزایش استحکام یا کاهش زمان گیرش آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. کلسیم کلراید به عنوان رایج‌ترین تسریع کننده شناخته می‌شود. اگرچه، وجود این افزودنی در بتن می‌تواند احتمال خوردگی تقویت‌کننده‌های فولادی (آرماتور) را نیز افزایش دهد. البته با تحکیم مناسب، پوشش کافی و طرح اختلاط مناسب می‌توان از رخ دادن مشکلات مربوط به خوردگی جلوگیری کرد. کاربرد اصلی تسریع کننده، تغییر خواص بتن در آب و هوای سرد است.

 

11)کاهنده جمع شدگی بتن

در حین مراحل اولیه اختلاط به ترکیب بتن اضافه می‌شود. این افزودنی می‌تواند مدت زمان جمع شدگی اولیه و بلند مدت را کاهش دهد. کاهنده جمع شدگی برای شرایطی با احتمال رخ دادن ترک‌های ناشی از آب رفتگی یا وجود وجود ترک‌های نامطلوب برای مسائل اقتصادی یا فنی کاربرد دارد. در برخی از موارد، این افزودنی باعث کند شدن روند افزایش مقاومت در مراحل اولیه و نهایی گیرش می‌شود.

 

12)روان کننده بتن

برای ساخت یک بتن روان با اسلامپ بالا (بین 17 تا 23 سانتی‌متر) به منظور استفاده در سازه‌هایی با تقویت‌کننده‌های زیاد به کار می‌رود. یکی دیگر از کاربردهای اصلی این افزودنی، ساخت بتن با مقاومت بالا در نسبت آب به سیمان 0.3 تا 0.4 است. تحقیقات نشان داده‌اند که ترکیب روان کننده با اکثر سیمان‌ها می‌تواند باعث افزایش کارایی شود. مانعی برای استفاده از این افزودنی به همراه حباب ساز وجود ندارد. البته در این حالت میزان حباب ساز به کار رفته نسبت به حالت معمولی بیشتر خواهد بود.

 

13) ضد خوردگی بتن

یکی از انواع ویژه افزودنی‌ها محسوب می‌شود. این افزودنی به منظور کند کردن روند خوردگی تقویت‌کننده‌های فولادی داخل بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. ضد خوردگی می‌تواند میزان هزینه‌های ناشی از تعمیر و نگهداری سازه‌های بتن مسلح را در یک بازه 30 تا 40 ساله به طور قابل توجهی کاهش دهد. این نوع از افزودنی‌ها، تاثیر کمی بر روی مقاومت نهایی دارند. با این وجود، سرعت افزایش مقاومت در مراحل اولیه گیرش را افزایش می‌دهند. ضد خوردگی‌های ساخته شده از کلسیم نیترات، زمان گیرش را در بازه‌های دمایی مختلف عمل آوری کاهش می‌دهند. البته در صورت ترکیب این افزودنی با کندگیر کننده، اثر آن در کاهش زمان گیرش خنثی می‌شود.