حقایقی در مورد بتن

اولین بتن تولید شده در تاریخ به 2650 سال قبل از میلاد توسط «Imhotep»، معمار، شیمیدان و دکتر بزرگ مصری بر می گردد. او سودا سوزآور را در آب حل کرد و محلول را با سنگ آهک محلی و خاک رس سفید به نام کائولن مخلوط نمود. این مخلوط پس از 30 روز قرار گرفتن در معرض گرمای خورشید سفت ‌شد و به مقاومت فشاری 25 تا 40 مگاپاسکال رسید. سودا سوزآور زمانی تولید می‌شد که آهک سوخته با کربنات سدیم از ناترون در مصر مخلوط می‌شد، به همین دلیل است که حتی امروزه سدیم به عنوان Na نامیده می‌شود.با ما همراه باشید تا حقایقی درمورد بتن را با شما به اشتراک بگذاریم.

این بتن باستانی برای دستیابی به استحکام به گرما نیاز داشت، در حالی که بتن مدرن برای رسیدن به استحکام به آب نیاز دارد. ساخت و ساز ساختمان‌های اطراف ما با استفاده از انواع مصالح بسته به هدف و مکان ساختمان اتفاق میفتند. مصالح ساختمانی سنتی مانند آجر، چوب، سنگ، آهک، کاشی‌های سفالی برای قرن‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند و درست از دوره ودایی بر بسیاری از تمدن‌ها تسلط داشته‌اند.

سیمان در اوایل دهه 1850 اختراع شد و اکنون پس از آب پرمصرف‌ترین ماده است. بتن مخلوطی از سنگدانه‌های درشت و ریز، آب و سیمان است. سیمان و بتن در حال حاضر به بخشی جدایی ناپذیر از تمام ساخت و سازها در سراسر جهان تبدیل شده‌اند. با افزودن فولاد، این مخلوط‌ها به بتن سیمانی تقویت شده (بتن مسلح) تبدیل می‌شوند. مصرف سرانه این مصالح ساختاری در سراسر جهان بسیار جالب است. مشاهده می‌شود که در اکثر سازه‌ها نزدیک به 2 تا 3 درصد فولاد حاصل از حجم ناخالص بتن برای ساخت هر سازه استفاده می‌شود.

حقایقی در مورد مقاومت فشاری بتن

مقاومت فشاری بتن بسیار زیاد است اما در کشش با داشتن نزدیک به 10 درصد مقاومت فشاری عملکرد ضعیفی دارد. به همین دلیل است که بسیاری از طراحان مقاومت کششی بتن را به کلی نادیده می‌گیرند و از فولاد برای مقاومت در برابر کشش استفاده می‌کنند. وقتی از دو سر طناب می‌کشیم، طناب در حالت کشش است و وقتی کیک تولد با چاقو بریده می‌شود کیک در معرض برش قرار می‌گیرد و وقتی بادام زمینی را خرد می‌کنیم فشرده می‌شود. این مدل نیروها به تن نیز وارد می‌شوند.

بتن سیمانی همراه با فولاد که به نام RCC شناخته می‌شود، به کامپوزیت بهتری برای هر نوع سازه‌ای تبدیل می‌شود که در معرض بارهای سنگینی مانند زلزله، سونامی، انفجار مقاومت می‌کند. ترکیبی خاص از نسبت‌های اجزای بتن، بتن با مقاومت فشاری خاصی تولید می‌کند. به طور معمول بتن مورد استفاده در اکثر سازه‌ها از 20 مگاپاسکال تا 100 مگاپاسکال متغیر است. این بتن با مقاومت فشاری خود به‌ عنوان M10، M15، M20، M25، M30، M35  نام‌گذاری می‌شود، یعنی برای 10، 15، 20، 25، 30، 35 مگاپاسکال پس از 28 روز عمل آوری در آب از خود مقاوم نشان می‌دهند. اهرام جیزه تحت فشاری کمتر از 10 مگاپاسکال قرار دارند، در حالی که استحکام آنها حتی پس از 4500 سال نزدیک به 40 مگاپاسکال افزایش پیدا کرده است.

حقایقی در مورد تولید بتن

معمولاً پیمانکاران با عدم مراجعه به طراحی سازه یا عدم توجه به عیار بتن ارائه شده توسط مهندس سازه، مصالح را بر اساس تجربه خود نسبت می‌دهند. اما این مهم از نظر فنی صحیح نیست و نمونه‌های زیادی وجود دارند که ساختمان‌های بتنی به دلیل استفاده از بتن کم‌ عیار دچار شکست شده‌اند. تخمین زده می‌شود که 5 درصد از فضای خالی هوای داخل بتن فقط 30 درصد از مقاومت را از بین می‌برد.

کارگران برای سهولت در بلند کردن و بتن ریزی، آب بیشتری اضافه می‌کنند تا سیال‌تر شود. در هر صورت برای یک کیسه سیمان نباید بیش از 30 تا 35 لیتر آب اضافه کرد. مقاومت بتن مورد نیاز برای یک پروژه، به اعمال بارهای شدید در طول عمر مفید آنها بستگی دارد. هیچکس انتظار نداشت که یک هواپیما بیاید و به برج‌های دوقلو شهر نیویورک برخورد کند و در داخل آن منفجر شود. مهندسان سازه باید پیش بینی کنند که چه بارهای شکستی ممکن است در طول عمر خود بر روی یک سازه وارد شوند.

آئین نامه‌های ساختمانی اطلاعات دقیقی را در مورد بارهای کلی و بارهای زلزله برای طراحی هر سازه‌ای در نظر می‌گیرند. پس از تجزیه و تحلیل کامل سازه، به مقاومت واقعی بتن مورد نیاز می‌رسد. اکثر مردم مواد تشکیل دهنده بتن را می‌شناسند، یعنی سیمان، ماسه، سنگدانه‌های درشت (ژله) و آب اما مطمئن نیستند که چه مقدار از هر کدام باید برای تولید بتن مناسب باید استفاده شود. گریدهای بتن مورد استفاده در ساخت و ساز ممکن است بسته به فاصله ستون، عمق تیر، عمق دال و سایر متفاوت باشند. اگرچه ساخت و ساز توسط پیمانکار انجام می‌شود اما برای هر فردی بسیار مهم است که نسبت مصالح را بشناسد تا کیفیت ساخت و ساز ساختمان حفظ شود.

طرح اختلاط بتن

دو روش برای تناسب مواد و طرح اختلاط وجود دارند که شامل موارد زیر هستند:

• طرح اختلاط وزنی
• طرح اختلاط حجمی

در جایی که روش دقیق‌تر تناسب، بچینگ توزین در کارخانه RMC (بتن مخلوط آماده) اتخاذ می‌شود، بچینگ حجمی هنگام اختلاط بتن در محل اتخاذ می‌شود (روش معمول بچینگ). در توزین، بچینگ مواد بر حسب وزن محاسبه می‌شود و اتخاذ آن در محل بسیار دشوار است زیرا به ترازوی توزین، سطح صاف برای قرار دادن ترازوی توزین و سایر نیاز داریم. این راه آسان‌تری برای تناسب مواد در کارگاه ساختمانی است.

خوب است که در مورد بچینگ حجمی مواد برای درجات مختلف بتن اطلاعات داشته باشید زیرا این نوع متناسب در سایت مورد استفاده قرار می‌گیرد. در عکس زیر لیستی از درجات مختلف بتن تا گریدهای M25 و نسبت‌های مربوط به موادی که معمولاً برای اختلاط محل با بچینگ حجمی مجاز هستند، آورده شده است:

در نمرات بالاتر، بتن باید با دقت طراحی شده و از تناسب با بچینگ حجمی خودداری شود.

حقایقی در مورد نقش آب در بتن

بتن با فرآیندی که هیدراتاسیون نامیده می‌شود، استحکام پیدا می‌کند. این را به طور خلاصه هیدراتاسیون سیمان در بتن می‌نامیم. وجود آب در بتن از زمان اختلاط آن تا زمانی که مقاومت کامل خود را به دست آورد، بسیار مهم است. از این رو آب در دو مرحله زیر به بتن اعمال می‌شود:

• افزودن آب به بتن در طول زمان اختلاط
• اعمال آب به سطح بتن پس از ریخته گری عضو سازه که به آن عمل آوری بتن می‌گویند.

بتن باید به گونه‌ای مخلوط شود که بتواند به راحتی به فضاهای بسیار تنگی که آرماتورهای در عنصر سازه‌ای جریان یابد. بتن قابل کار را می‌توان با افزایش محتوای آب در بتن به دست آورد، اما استفاده از آب اضافی باعث کاهش مقاومت بتن می‌شود. بنابراین هنگام اختلاط باید در افزودن آب به بتن دقت شود. با این حال، برای عیار مناسب بتن، نسبت آب به سیمان که توسط کد استاندارد (IS: 10262)  تجویز شده است، توصیه می‌شود.

عمل آوری بتن نیز در به دست آوردن مقاومت کامل بتن به همان اندازه مهم است. اما کیورینگ چیست و چند روز برای عمل آوری بتن نیاز داریم؟ واکنش بین آب و سیمان گرمازا است و در نتیجه گرما تولید می‌شود. این گرما آب موجود در بتن را تبخیر می‌کند. بنابراین، برای ادامه واکنش از خارج، آب بر روی سطوح بتن عرضه می‌شود و این به عنوان عمل آوری بتن شناخته می‌شود. مقاومت بتن در هر یک از گریدها، نشان دهنده مقاومت فشاری در سن 28 روزگی آن است. بتن باید در تمام این 28 روز عمل آوری شود تا به مقاومت فشاری کامل خود برسد. تجربه به ما نشان می‌دهد که تغییرات مقاومت فشاری بتن در سنین مختلف در جدول زیر هستند:

از جدول مشاهده می‌کنیم که حدود 65 درصد مقاومت بتن در سن 7 روزگی و 90 درصد مقاومت بتن در 14 روزگی به دست می‌آید. در صنعت ساختمان، پیمانکاران در همان روز بعد از بتن ریزی، رویه بسیار بدی برای حذف قالب و پایه‌ها دارند. گاهی اوقات این عمل بسیار ناامن خواهد بود. زمان کنده قالب‌ها باید حداقل زمانی باشد که بتن برای تحمل وزن خود استحکام پیدا کند. زمان قالب برداری طبق جدول زیر است:

15 حقیقت جالب در مورد بتن

در ادامه به حقایقی در مورد بتن می پردازیم:

1- بتن با سیمان یکسان نیست

بسیاری از مردم بتن و سیمان را با هم اشتباه گرفته می‌گیرند و اغلب به این نتیجه می‌رسند که آنها یکسان هستند. با این حال، این دو با هم متفاوت هستند. بتن 60 تا 65 درصد سنگدانه است که مخلوطی از سنگ خرد شده، ماسه و شن می‌باشد. سپس با 20 تا 15 درصد آب و 10 درصد سیمان مخلوط می‌شود. درحقیقت، سیمان جزئی از بتن است.

2- در طول زمان قوی‌تر می‌شود

بتن در طول زمان با اختلاط و عمل آوری مناسب قوی‌تر می‌شود. هیدروکسید کلسیم در سیمان یافت می‌شود که پس از جذب دی اکسید کربن موجود در هوا به کربنات کلسیم تبدیل خواهد شد. کربنات کلسیم در سنگ آهک و مرمر یافت می‌شود و به دلیل این واقعیت که در آب محلول نیست و بعد از تماس با آب می‌تواند به خمیری سفت تبدیل شود.

3- در برابر دمای بالا مقاومت می‌کند

این ممکن است تعجب آور باشد اما بتن به طور کلی نقطه ذوب ندارد اما در عوض تجزیه می‌شود. از آنجایی که بتن مخلوطی از مواد است، هر یک نقطه ذوب خاص خود را دارند که از 1200 درجه تا 2500 درجه متغیر است.

4- بسیار سمی است

سیمانی که با بتن مخلوط می‌شود، برای بدن مضر است. بلعیدن سیمان بسیار مضر است و می‌تواند باعث تحریک جدی پوست، آسیب چشم و در نهایت، ممکن است باعث سرطان شود. به همین دلیل شستن دست‌ها پس از استفاده، پوشاندن یا دور نگه داشتن مناطق آلوده و پوشیدن لباس‌های محافظ برای جلوگیری از تماس پوست بسیار مهم است.

5- در مورد طراحی انعطاف پذیری دارد

ساخت و ساز بتن به طراحان این امکان را می‌دهد که تا حد امکان در هنگام طراحی اعضای سازه‌ای انعطاف پذیر باشند. این متریال به طراحان اجازه می‌دهد تا از اشکال و ویژگی‌های مختلف برای افزودن به هر پروژه ای استفاده کنند، خواه بازسازی خانه پروژه داخلی باشد یا یک آسمان خراش بزرگ! همچنین می‌توان بتن را در حین کار با تغییر ضخامت یا کیفیت در حین کار تغییر داد.

6-  خانه‌هایی با انرژی کارآمد ایجاد می‌کند

خانه‌هایی که به خوبی با دیوارهای بتنی مهر و موم شده ساخته شده‌اند، در ایجاد خانه‌های کم‌ مصرف در انرژی بسیار موثر هستند. علیرغم سایر مواد، بتن انتقال حرارت را در مقایسه با چوب کاهش می‌دهد. وقتی به نشت هوای خانه‌های چوبی نگاه می‌کنیم، چوب بیشترین درصد اتلاف انرژی را در خانه دارد.

7- دوستدار محیط زیست است

با توجه به کارایی خانه‌های بتنی، این محصول می‌توان در مصرف انرژی صرفه جویی کرد. علاوه بر این، بتن حداقل ضایعات را ایجاد می‌کند و می‌تواند به مقدار دقیق برای یک پروژه مخلوط شود. همچنین CO2 را جذب می‌نماید و به کاهش ردپای کربن آن در طول چرخه عمر خود کمک می‌کند که می‌تواند چندین دهه ادامه داشته باشد.

8-  برای مدت طولانی دوام می‌آورد

بسته به درجه و مخلوط مناسب، بتن می‌تواند مدت زمان زیادی دوام بیاورد. پل‌های رومی که بیش از 2000 سال پیش ساخته شده‌اند، هنوز پابرجا هستند و امروزه نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. مشابه با حقایق ملموس سوم، با گذشت زمان، این با بسیاری از بناها و بناهای رومی که هنوز در اطراف هستند، قوی‌تر می‌شود.

9- بتن پرمصرف‌ترین ماده در جهان است

شاید تعجب آور نباشد که بتن به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع بیش از هر ماده دیگری در جهان از بتن استفاده می‌شود، شاید به این دلیل که سنگدانه‌ها و آب مورد استفاده برای ایجاد بتن تقریباً در همه جا موجود هستند. با این حال شاید تعجب برانگیزتر باشد اگر بدانیم که سالانه 20 میلیارد تن از بتن استفاده می‌شود و چین بزرگترین مصرف کننده بتن در جهان است.

10- رومیان باستان بتن را به کمال رساندند

بتن دوازده میلیون سال پیش به طور طبیعی در اسرائیل شکل گرفت و مصریان باستان از نوعی بتن در اهرام جیزه استفاده می‌کردند. اما این رومیان بودند که مهارت بتن را به دست آوردند. مشهورترین آن، پانتئون در رم است که در حدود سال 120 پس از میلاد ساخته شد که این هنوز هم بزرگترین سازه بتنی بدون تکیه گاه در جهان می‌باشد.

11-  سیمان پرتلند از سنگ آهکی با رنگ مشابه نامگذاری شده است

سیمان پرتلند که در سال 1824 توسط جوزف آسپدین ابداع شد، امروزه به طور گسترده به عنوان سنگدانه برای اکثر بتن‌ها استفاده می‌شود. آسپدین سنگ آهک و خاک رس را حرارت داد تا محصولی تولید کند که می‌تواند برای سنگ آهک محبوب پورتلند تبدیل شود. او به سرعت متوجه شد که می‌توان از آن برای ساخت خانه استفاده کرد و این ماده را به ثبت رساند.

12-  از بتن برای شناسایی هواپیماهای دشمن در جنگ جهانی دوم استفاده می‌شد

قابل توجه است که در آغاز جنگ جهانی دوم از آینه‌های صوتی بتنی برای ارائه هشدار اولیه در مورد نزدیک شدن هواپیما استفاده می‌شد. در ابتدا میکروفون‌هایی به آنها متصل بودند و برد شنیداری چشمگیر حدود 27 مایل داشتند.

13-  بتن برای پل‌ها و ساختمان‌های بلند استفاده می‌شود

تقریباً در تمام پل‌های بزرگراه‌ها از بتن برای عرشه استفاده می‌شود زیرا هم نگهداری آن آسان‌تر و هم ارزان‌تر از فولاد است. همچنان در ساخت ساختمان‌های بلند استفاده خواهد شد. بلندترین سازه بتنی جهان هتل و برج بین المللی ترامپ است که 423 متر ارتفاع دارد.

14- بتن برای چندین دهه به تقویت خود ادامه می‌دهد

پس از حدود چهار هفته، بتن به حدود 90 درصد مقاومت نهایی خود رسیده است. با این حال، به دلیل تبدیل هیدروکسید کلسیم به کربنات کلسیم، به دلیل جذب دی اکسید کربن در طول زمان، برای چندین دهه پس از آن به تقویت خود ادامه می‌دهد. برخی از باکتری‌ها نیز به تقویت بتن کمک می‌کنند.

15- برای ساختن بزرگترین سد جهان 16 میلیون متر مکعب سیمان مصرف شد

سد Three Gorges در استان هوبی چین بزرگترین بتن ریزی در یک پروژه واحد است اما بتن این سازه به یک بار ریخته نشد. در طول 17 سال ساخت، تقریباً یک میلیون متر مکعب سیمان در سال برای این پروژه بتن ریزی انجام شد.

 

کلام آخر

بسیاری از بتن شناسان قاطعانه بر این باورند که سازه‌ای که به خوبی تحت کنترل کیفیت دقیق و با حس هندسی بسیار خوب ساخته شده است، نمی‌تواند بیش از طول عمر یک انسان سالم دوام بیاورد. یکی ممکن است 30 سال و دیگری ممکن است 110 سال زندگی کند، بسته به نحوه حفظ سلامتی این مقدر متفاوت خواهد بود. ما بازخوردی از سازه بتنی بیش از 100 تا 150 سال نداریم اما هرم جیزه (از بتن آهکی) بیش از 4500 سال قدمت دارد. پس آیا می‌توان در آینده بتنی ساخت که 4500 سال دوام داشته باشد؟

 

منابع:

https://sciencewithkids.com/

https://theconcretenetwork.co./

https://ekaconcrete.com//