پیمانکاران بتن از مهمترین ذینفعان در بیشتر کارهای ساختمانی هستند. در حالی که برخی از سازه‌های پایدار از چوب خالص و شیشه ساخته می‌شوند، بیشتر ساختمان‌های تجاری و صنعتی هنوز از سیمان و آجر ساخته می‌شوند.سیمان یکی از انواع مصالح ساختمانی هستند که نقش مهمی در ساخت ساختمان دارند. امروز، ما اصول، اهمیت و مزایای انواع مختلف سیمانِ مورد استفاده در صنعت ساختمان‌سازی را بررسی خواهیم کرد.
بتن چیست؟
گفتیم که انواع آجر مانند آجر سفال یا آجر سه گل و همچنین سیمان از مهم ترین مصالح ساخت و ساز هستند. سیمان یک عنصر حیاتی و مهم است که در ساختمان‌های شخصی و تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیمان پس از مخلوط شدن با آب و مدتی انتظار، به دلیل یک فرآیند شیمیایی معروف به هیدراتاسیون، جامد و سخت می‌شود. بتن مصالح دیگر ساختمان را به هم متصل می‌کند و ماده‌ای است که به طور گسترده در فرآیند ساخت و ساز استفاده می‌شود و با مخلوط کردن سنگدانه، سیمان، سنگ‌های کوچک، ماسه، شن و آب ساخته می‌شود. همه‌ی اجزا به هم پیوند می‌خورند و ماده‌ای سنگ مانند ایجاد می‌کنند.
رومی‌ها بتن مبتنی بر سیمان هیدرولیکی را اختراع کردند. انگلیسی‌ها آن را بهبود بخشیدند و آن را در دنیای مدرن رواج دادند. پانتئون در رم یکی از بهترین نمونه‌های معماری رومی است که تا به امروز همچنان باقی مانده است و دارای گنبدی به قطر ۴۲ متر از بتنِ ریخته است.
موارد استفاده‌ی سیمان در ساخت و ساز
سیمان احتمالاً پرکاربردترین ماده‌ی ساخته شده توسط بشر است. از بتن برای ساخت موارد زیر استفاده می‌شود:
- سنگفرش‌ها
- سازه‌های معماری
- فوندانسیون‌ها
- بزرگراه‌ها
- جاده‌ها و پل‌ها
- روگذرها
- پارکینگ‌ها
- دیوارها و پایه‌های ستون دروازه‌ها
- نرده‌ها و تیرها
سیمان چگونه عمل می‌کند
این ماده از یک مایعِ قالب‌پذیر به یک جامدِ سفت و سخت تبدیل می‌شود. امروزه در جهان، بتن به یک واقعیت زندگی مدرن تبدیل شده است. سالانه شش میلیارد تن بتن در سراسر جهان استفاده می‌شود. افزودن ماسه، سنگدانه‌های ریز و سنگدانه‌های درشت تا چند سانتی متر باعث ساخت بتن می‌شود. این ماده متخلخل است که خصوصیات آن به انواع مختلف فضای منافذ بستگی دارد. حفره‌های هوا در فرآیند مخلوط شدن (اختلاط) درون منافذ مویرگی به دام می‌افتند، فضاهایی که آب حاصل از اختلاط آنها را اشغال می‌کند.
بتن دارای مقاومت تراکم‌پذیرِ ناشی از تخلخل کلی خمیر سیمان و مقدار و شکل سنگدانه‌ها است.
سیمان در ساخت و ساز امروز
به دلیل خوردگی فولاد تقویت کننده‌ای که از کلرید و یون‌های دیگر از نمک‌های جاده، مناطق دریایی و خاک‌های زمینی حاصل می‌شود، بتن در زیرساخت‌های فعلی با سرعت بالایی در حال خراب شدن است.
امروزه، تمرکز بر جنبه‌ی انتقال بتن است که شامل ضریب انتشار، نفوذپذیری و جذب است. بتن یک کامپوزیت پیچیده است که نیاز به بهبود، نظارت و کنترل دارد.
مقدار آب در مخلوط با مقدار سیمانی که نسبت آب / سیمان نامیده می‌شود مقایسه می‌گردد. هرچه نسبت آب – سیمان کمتر باشد، بتن قوی‌تر است و دارای مقاومت بالاتر و نفوذپذیری کمتری است. کیفیت‌های مورد انتظار از بتن عبارتند از: مقاومت در برابر یخ‌زدگی و ذوب شدن و مواد شیمیایی ضد یخ، مقاومت در برابر آب، نفوذپذیری کم، مقاومت در برابر سایش و استحکام قابل توجه است.
مواد افزودنی عبارتند از افزودنی‌هایی که برای دستیابی به اهداف خاصی به مخلوط اضافه می‌شوند. وقتی شتاب دهنده‌های افزودنی به بتن اضافه می‌شوند، زمان گیرش بتن را کاهش می‌دهند و مقاومت را تسریع می‌کنند. میزان کاهش در زمان گیرش متفاوت است. مواد افزودنی تأخیری اغلب در شرایط آب و هوای گرم برای تأخیر در زمان گیرش استفاده می‌شوند. استفاده از خاکستر بادی باعث کاهش گرمای تولید شده توسط بتن می‌شود.
برای آشنایی بیشتر با تاریخچه آجر به این صفحه مراجعه نمایید.
مزایای استفاده از بتن در ساخت و ساز
در بین تمام مصالح ساختمانی مورد استفاده در جهان، بتن به دلیل مزایای منحصر به فرد خود در مقایسه با سایر مواد، بیشترین کاربرد را دارد. ۱۰ مزیت قابل توجه بتن در پایین توضیح داده شده است.
بتن اقتصادی است
در مقایسه با مواد سیمانی مهندسی شده برای ساخت و ساز، هزینه‌ی تولید بتن سیمانی بسیار کم است. همچنین، در مقایسه با فولاد، پلیمرها و سایر مصالح ساختمانی، بتن ارزان و به طور گسترده در سراسر جهان در دسترس است. مواد اصلی تشکیل‌دهنده‌ی بتن سیمان، آب و سنگدانه‌ها هستند. تمام این مواد با هزینه‌ی اندک به راحتی در بازارهای محلی موجود است.
بتن در دمای محیط سخت می‌شود
بتن در دمای معمولی اتاق یا دمای محیط بسته، سفت و محکم می‌شود. این علت این است که سیمان یک ماده‌ی غیرآلیِ پیوند خورده در دمای پایین است. بنابراین می‌توان از بتن صرف نظر از شرایط آب و هوایی محیط استفاده کرد و در صورت لزوم با مواد افزودنی آن را بهینه کرد.
بتن قابلیت تغییر شکل دارد
بتن تازه روان بوده و در حالت مایع است. از این رو، می‌توان بتن را در اشکال و اندازه‌های دلخواه در محل ساخت ایجاد کرد. با تنظیم مخلوط می‌توان بتن را در اشکال و پیکربندی‌های پیچیده ریخت.
بتن با بهره‌وری انرژی در تولید همراه است
میزان انرژی مورد نیاز برای تولید بتن در مقایسه با فولاد کم است. برای بتن سیمانی ساده، فقط ۴۵۰-۷۵۰ kWh/ton انرژی لازم است و انرژی بتن آرمه ۸۰۰-۳۲۰۰ kWh/ton است. تولید فولاد سازه‌ای به انرژی ۸۰۰۰ kWh/ton یا بیشتر برای ساخت نیاز دارد که تقریباً ۳ تا ۱۰ برابر انرژی مصرفی است.
بتن از خصوصیات عالی مقاومت در برابر آب برخوردار است
اگرچه مواد شیمیایی موجود در آب می‌تواند باعث ایجاد خوردگی در بتن و بتن آرمه شود، اما بتن می‌تواند در برابر آب در مقایسه با چوب و فولاد مقاومت کند، بدون اینکه دچار زوال جدی شود. با توجه به این خاصیت، بتن برای کاربردهای زیر آب و غوطه‌وری مانند سازه‌های ساختمانی، خطوط لوله، سدها، کانال‌ها، آسترها و سازه‌های ساحلی ایده‌آل است. آب خالص برای بتن مضر نیست، حتی برای بتن آرمه، مواد شیمیایی محلول در آب مانند سولفات‌ها، کلریدها و دی‌اکسیدکربن باعث خوردگی نمی‌شوند.
بتن دارای مقاومت در برابر دمای بالا است
بتن بهتر از چوب و فولاد در برابر درجه حرارت بالا مقاومت می‌کند. هیدرات سیلیکات کلسیم، C-S-H، که چسب اصلی در بتن است، می‌تواند تا ۹۱۰ درجه سانتیگراد مقاومت کند. بتن رسانای بدِ گرما است و می‌تواند مقدار قابل توجهی از گرمای محیط را ذخیره کند. بتن می‌تواند ۲-۶ ساعت در برابر گرما مقاومت کند و زمان کافی برای عملیات نجات در صورت بروز آتش‌سوزی را فراهم می‌کند. این ماده برای فولاد نسوز استفاده می‌شود و در دمای بالا و کاربردهای انفجار نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
قابلیت مصرف و بازیافت ضایعات
بسیاری از ضایعات صنعتی می‌توانند به عنوان جایگزین سیمان یا سنگدانه‌ها بازیافت شوند. این ضایعات عبارتند از خاکستر بادی، سرباره که همچنین GGBFS نامیده می‌شود یا سرباره‌ی کوره‌های انفجاری، گرانول شیشه‌ای، و حتی لاستیک‌های وسیله نقلیه ساییده شده در بتن. بنابراین تولید بتن می‌تواند تأثیرات زیست محیطی ناشی از ضایعات صنعتی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. استفاده از این مواد زائد باعث بهبود خصوصیات بتن می‌شود. بنابراین، کیفیت سازه به خطر نمی‌افتد.
کاربرد در بتن آرمه
بتن دارای ضریب انبساط حرارتی قابل مقایسه‌ای با فولاد است: فولاد ۱.۲ x 10-5 و بتن ۱.۰-۱.۵ x 10-5. بتن به دلیل وجود CH و سایر مواد قلیایی، در محیط‌های خورنده از فولاد محافظت می‌کند. علاوه بر این، بتن به مقاومت فشاری اعضا و سازه‌های بتن آرمه کمک می‌کند.
بتن به هیچ نگهداری نیاز ندارد یا این نگهداری بسیار اندک است
سازه‌های بتنی برای محافظت از هوازدگی در مقایسه با سازه‌های فلزی یا چوبی که هوازدگی آنها اجتناب‌ناپذیر است، برای کاربرد منظم به روکش یا رنگ‌آمیزی نیاز ندارند. روکش باید به طور معمول تعویض و دوباره پیاده‌سازی شود، در نتیجه هزینه نگهداری بتن بسیار کمتر از فولاد یا چوب است.
بتن دارای کاربرد چند حالته است
یکی از مهمترین مزایای بتن قابلیت استفاده از آن به روش‌های مختلفی است. بتن را می‌توان با دست استفاده کرد، می‌توان ریخت، پمپاژ کرد، اسپری کرد، دوغاب کرد و همچنین برای کاربردهای پیشرفته مانند شاتکریت (بتن پاشیده) در تونل‌ها استفاده می‌شود.
انواع بتن
در فناوری بتن از نام‌های مختلفی برای انواع مختلف بتن استفاده شده است. این طبقه‌بندی بر اساس سه عامل است:
- نوع ماده‌ای که در ساخت آن استفاده شده است.
- ماهیت شرایط فشار.
- و تراکم (چگالی).
اکنون، در اینجا مختصری از انواع مختلف بتن ارائه شده است:
بتن ساده یا معمولی
این یکی از متداول‌ترین انواع بتن است. در این نوع بتن، مواد تشکیل دهنده‌ی ضروری عبارتند از سیمان، ماسه و سنگدانه‌های درشت که با مقدار مشخصی از آب طراحی و مخلوط می‌شوند.
نسبت ترکیبات اساسی ممکن است در محدوده وسیعی متفاوت باشد. یک طرح میکس که معمولاً کاربرد زیادی دارد و به طور گسترده به نام Nominal Mix Design معروف است، نسبتِ ۱: ۲: ۴ می‌باشد.
بتن ساده بیشتر برای ساخت روسازی و ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، جایی که مقاومت کششی خیلی زیادی لازم نیست. در ساخت سدها نیز استفاده می‌شود.
بتن سبک
هر نوع بتنی با تراکم کمتر از ۱۹۲۰ kg/m3 در گروه بتن سبک قرار می‌گیرد.
انواع مختلف سنگدانه‌هایی که در ساخت بتن سبک استفاده می‌شوند شامل مواد طبیعی مانند پوکه و اسکوریا، مواد مصنوعی مانند شیل‌ها و رس‌های منبسط شده و مواد فرآوری شده مانند پرلیت و ورمیکولیت است.
یک خاصیت مهم بتن سبک، رسانایی حرارتی بسیار کم آن است.
مثلاً رسانایی حرارتی – مقدار k برای بتن ساده ممکن است تا ۱۰-۱۲ باشد. اما رسانایی حرارتی بتن سبک حدود ۰.۳ است.
بتن‌های سبک، بسته به ترکیبی که دارند، برای عایق‌بندی حرارتی، برای محافظت از سازه‌های فلزی، و همچنین در عرشه‌های پل طولانی و حتی به عنوان بلوک‌های ساختمانی استفاده می‌شوند.
بتن با تراکم بالا
این نوع بتن را بتن سنگین نیز می‌نامند. در این نوع بتن، تراکم بین ۳۰۰۰-۴۰۰۰ Kg/m3 متغیر است.
این نوع بتن‌ها با استفاده از سنگ‌های خرد شده با تراکم بالا مثل سنگدانه‌های درشت تهیه می‌شوند. در میان چنین موادی، باریتس متداول‌ترین ماده‌ای است که وزن مخصوص آن ۴.۵ است.
این ماده بیشتر در نیروگاه‌های اتمی و سایر سازه‌های مشابه استفاده می‌شود زیرا در برابر انواع تابش‌ها محافظت ایجاد می‌کند.