مبانی بتن

مبانی بتن

بتن اساسا آمیزه ­ای از دو جزء سنگدانه و خمیر است. خمیر، متشکل از سیمان پرتلند و آب، سنگدانه­ها (ماسه و شن،یا خرده سنگ­ها) را بر اثر واکنش شیمیایی سیمان و آب به هم می­چسباند و به صورت توده­ای سنگین در می­آورد.

سنگدانه­ها عموما به دو گروه سنگدانه­های ریز و درشت تقسیم می­شوند. سنگدانه­های ریز از ماسه طبیعی یا شکسته تشکیل شده­اند که اندازه بزرگ­ترین دانه آن  (9.5mm) است؛ سنگدانه­های درشت آن­هایی که اندازه­ی ذراتشان از دانه­ی باقی­مانده بر روی الک نمره 16( 1.16mm) شروع می­شود و اندازه­ی آن­ا تا “6 ( 150mm) تغییر می­کند. متداول­ترین اندازه بزرگ­ترین سنگدانه مورد استفاده  (19mm) یا   “1 (25mm) است.

خمیر از سیمان پرتلند،آب، و هوای محبوس یا هوایی که به­طور عمد در آن ایجاد شده باشد تشکیل می­شود. خمیر سیمان معمولا حدود 25 تا 40 درصد حجم کل بتن را در بر می­گیرد.حجم مطلق سیمان

معمولا بین 7 تا 15 درصد و حجم مطلق آب بین 14 تا 21 درصد است. مقدار هوا در بتن هوازایی شده بسته به اندازه بزرگ­ترین سنگدانه درشت می­تواند تا 8 درصد حجم بتن باشد.

از آنجا که سنگدانه­ها حدود 60 تا 75 درصد حجم کل بتن را تشکیل می­دهند، انتخاب آن­ها از اهمیت خاصی برخوردار است. سنگدانه ها باید از ذراتی با مقاومت کافی و با توانایی مناسب در برابر شرایط محیطی تشکیل شوند . برای استفاده مطلوب از خمیر سیمان و آب، سنگدانه­ها باید دانه­بندی پیوسته­­ای داشته باشند. فرض را بر این می­گیریم که از سنگدانه­های مناسبی استفاده می­شود،جز در جایی که خلاف آن تصریح شود.

کیفیت بتن تا حد زیادی به کیفیت خمیر سیمان بستگی دارد. در بتنی که به نحوه صحیحی ساخته شود، هر یک از سنگدانه ­ها کاملا با خمیر پوشانده می­شوند و تمامی فضاهای خالی بین سنگدانه­ها به طور کامل با خمیر پر می­شوند.

کیفیت بتن سخت شده، در مورد مجموعه خاصی از مصالح و شرایط عمل آوری، از طریق نسبت مقدار آب مصرفی به مقدار سیمان تعیین می­شود. برخی از مزایای ناشی از کاهش مقدار آب را در زیر برمی­شماریم:

-افزایش مقاومت فشاری و خمشی

-کاهش تراوایی، و در نتیجه افزایش قابلیت آب­بندی و کاهش جذب آب

-افزایش مقاومت در برابر عوامل اقلیمی و آب و هوایی

-پیوستگی بهتر، بین لایه های متوالی بتن، و بین آرماتور و بتن

-کاهش تغییرات حجمی در اثر تر و خشک شدن

-کاهش امکان تر ­خوردگی ناشی از جمع شدگی

هرچه آب کم­تری استفاده شود کیفیت بتن بهتر می­شود،به شرطی که بتوان به نحو صحیحی متراکم کرد. با مقادیر کم­تر آب اختلاط، مخلوط­های سفت­تری به دست می­آیند که با تراکم به صورت لرزاندن، می­توان مخلوط­های سفت­تر را مصرف کرد. برای بتنی با کیفیت معین، مخلوط­های سفت­تر با صرفه ترند. بنابراین ایجاد تراکم از طریق لرزاندن، کیفیت بتن را بهبود می­بخشد و آن را با صرفه می­کند.

خواص بتن تازه (خمیری) و سخت شده را می­توان با افزودن مواد افزودنی به بتن تغییر داد. مواد افزودنی در حین پیمانه کردن و غالبا به شکل مایع به بتن افزوده می­شوند. مواد افزودنی معمولا برای (1) تنظیم زمان گیرش یا سخت شدن؛ (2) کاهش آب اختلاط؛ (3) افزایش کارایی؛ (4) هوازایی عمدی؛ ()بهبود سایر خواص بتن به کار می­رود.

پس از تکمیل شدن مراحل تعیین نسبت اجزاء، پیمانه کردن، اختلاط، ریختن، تراکم، پرداخت، و عمل آوردن، که همه به طور صحیح انجام می­شوند، بتن سخت شده به یک مصالح ساختمکانی مقاوم، غیر قابل احتراق، پایا (با دوام)، مقاوم در برابر سایش، و عملا نفوذ­ناپذیر تبدیل می­شود که به نگهداری نیازی ندارد یا اگر هم نیاز داشته باشد، اندک است. بتن از این لحاظ که می­توان آن را برای مصرف در موارد تقریبا نا­محدودی به شکل­ها، رنگ­ها و بافت­های سطحی گوناگون درآورد، نیز یک ماده ساختمانی عالی به حساب می ­آید.

بتن تازه

بتنی که تازه مخلوط می­شود باید حالت خمیری یا نیمه­سیال داشته باشد، به گونه­ای که بتوان آن را با دست شکل داد. مخلوط بتنی را که خیلی تر باشد می­توان در قالب ریخت و شکل داد، اما چنین بتنی در حوزه تعریف بتن خمیری نمی­گنجد. بتن خمیری، بتنی شکل­پذیر است که قابلیت شکل­دهی و شکل­گیری آن مانند گل مجسمه­سازی باشد.

در هر مخلوط بتنی خمیری، سطح تمامی ذرات ماسه و دانه­های شن یا سنگ با دوغاب پوشانده می­شود و تمامی ذرات به صورت شناور در داخل یکدیگر قرار می­گیرند. اجزای تشکیل دهنده­ی یک مخلوط بتن خمیری در حین حمل­و­نقل از یکدیگر جدا نمی­شوند، و بتن پس از خشک شدن به مخلوطی همگن متشکل از تمامی اجزاء تبدیل می­شود. بتنی که حالت خمیری دارد، تکه­تکه نمی­شود، بلکه بدون این­که در آن جداشدگی پیش آید، به آرامی جریان می­یابد.

اسلامپ به عنوان معیاری برای روانی بتن به­کار می­رود. بتن با اسلامپ پایین از روانی سفت برخوردار است.

در عملیات اجرایی، برای سهولت بتن­ریزی، اعضای بتنی نازک و اعضای بتنی پرآماتور لازم است که مخلوط بتن کارایی کافی داشته باشد، البته هرگز منظور این نیست که بتن آبکی باشد. برای دستیابی به مقاومت مورد نظر، و برای آن­که مخلوط چه در هنگام حمل و چه در زمان ریختن، همگن بماند باید بتن حالت خمیری داشته باشد. اگرچه بتنی که حالت خمیری دارد برای بیشتر کارهای بتنی مناسب است، لیکن برای روان­تر کردن بتن در بتن­ریزی اعضای نازک یا اعضای پرآماتور می­توان از مواد افزودنی فوق­روان­کننده استفاده کرد.

اختلاط

پنج ماده اصلی تشکیل دهنده بتن به صورت جداگانه، سیمان، آب، هوا، سنگدانه ریز و سنگدانه درشت هستند. برای اطمینان از این­که در ضمن ترکیب این مواد  مخلوطی همگن تولید شود، باید دقت و سعی کافی به عمل آید. ترتیب ریختن این مواد به داخل مخلوط­کن، نقش مهمی در یکنواختی محصول نهایی دارد. با همه این­ها، با تغییر ریختن مواد، هکچنان می­توان بتن خوبی تولید کرد. بر حسب چگونگی ترتیب ریختن مواد در مخلوط­کن، باید زمان افزودن آب، تعداد کل چرخش دیگ مخلوط­کن؛ و سرعت چرخیدن آن تنظیم شود. اندازه هر پیمانه نسبت به اندازه دیگ مخلوط­کن؛ فاصله زمانی بین پیمانه کردن و اختلاط؛ و طراحی، شکل­بندی، و شرایط دیگ و تیغه­های مخلوط­کن از عوامل مهم در اختلاط به شمار می­­آیند. مخلوط­کن­های مناسب که به درستی راه­اندازی و نگهداری می­شوند آن­هایی هستند که در حین مخلوط کردن بتن، مصالح هر پیمانه را به کمک غلتاندن، بر روی هم خواباندن، و مالیدن بر روی یکدیگر، از یک سر به سر دیگر منتقل کنند.

کارایی (کارپذیری)

سهولت در ریختن، متراکم کردن، و پرداخت کردن مخلوط بتن تازه را کارایی (کارپذیری) آن می­نامند. بتن باید کارپذیر باشد، اما نباید بیش از اندازه دستخوش آب­انداختگی یا جداشدگی باشد. آب­انداختگی بتن، عبارت است از حرکت آب به سمت سطح بتن تازه ریخته شده که در اثر نشست مواد جامد شامل سیمان، ماسه و شن در داخل توده بتن ایجاد می­شود. نشست ذرات جامد پیامد جمع آثار لرزاندن و وزن ذرات است.

آب­انداختگی بیش از اندازه، نسبت آب به سیمان را در نزدیکی سطح بالایی بتن افزایش می­دهد و لایه­ای ضعیف با پایایی (دوام) کم در سطح بالایی بتن به وجود می­آورد، مخصوصا اگر عملیات پرداخت زمانی انجام گیرد که آب ناشی از آب­انداختگی حضور داشته باشد. به سبب تمایل بتن تازه به جداشدگی دانه­ها و آب انداختگی، بهتر است بتن حتی­الامکان نزدیک به محل نهایی خود حمل و در آنجا ریخته شود. هوازایی در بتن ، کارایی آن را بهبود می­بخشد و از گرایش بتن به جداشدگی و آب ­انداختگی می­کاهد.

تراکم

لرزاندن، ذرات بتن تازه را به حرکت در می­آورد و اصطحکاک بین آن­ها را کم می­کند و به مخلوط خواص حرکتی یک سیال غلیظ را می­بخشد. تراکم به کمک لرزاندن، بهره­گیری از مخلوط سفت را میسر می­کند و بنابراین می­توان از نسبت بیش­تری درشت­دانه و نیز از نسبت کم­تری ریزدانه در ساخت مخلوط سود جست. هرچه حداکثر اندازه سنگدانه در بتن با دانه­بندی پیوسته بزرگ­تر باشد، حجم کم­تری برای پر شدن توسط خمیر سیمان باقی­می­ماند و از این­رو آب و سیمان کم­تری کافی مورد نیاز خواهد بود. با تراکم کافی می­توان علاوه بر مخلوط­های سفت از مخلوط­های زبرتر نیز استفاده مرد که این موضوع به بهبود کیفیت بتن و صرف­جویی اقتصادی در ساخت آن می­انجامد.

اگر مخلوط بتنی چندان کارا (کارپذی) باشد که بتوان آن را به راحتی با میله­کوبی دستی در محل متراکم کرد، استفاده از لرزاندن مزیتی ندارد. در چنین مخلوط­هایی، احتمال جدا شدن دانه­ها  هنگام لرزاندن وجود دارد. تنها زمانی­که از مخلوط­های سفت و زبرتر استفاده می­شود، می­توان کاملا از مزایای تراکم به کمک لرزاندن بهره گرفت.

لرزاندن مکانیکی برای متراکم کردن مخلوط­های سفت مزایای زیادی دارد. لرزاننده­های پرفرکانس، امکان ریختن بتن­هایی را فراهم می­آورند که متراکم کردن آن­ها با دست در بسیاری از شرایط، غیر عملی است. مخلوط بتن با روانی سفت (اسلامپ پایین) را می­توان در قالب­هایی که فاصله میلگردهای آن­ها به هم نزدیک است، به صورت مکانکی لرزاند و متراکم کرد. برای متراکم کردن با دست، باید از بتنی با روانی بسیار شل­تر استفاده شود.

آبگیری (هیدراسیون)، زمان گیرش، سخت شدن

خاصیت چسبندگی خمیر سیمان پرتلند ناشی از واکنش شیمیایی بین سیمان و آب است که به آن آبگیری سیمان می­گویند.

سیمان پرتلند ترکیب شیمیایی ساده­ای نیست بلکه آمیزه­ای از چندین ترکیب است. تری کلسیم سیلیکات،دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینوفریت چهار ترکیب شیمیایی­اند که 90 درصد وزن سیمان پرتلندر یا بیش­تر را تشکیل می­دهند. علاوه بر این ترکیبات اصلیف چندین ترکیب دیگر نیز در فرایند آبگیری آن نقش مهمی دارند. انواع گوناگون سیمان پرتلند دارای این چهار ترکیب اصلی به نسبت­های متفاوت­اند.

با بررسی کلینکر یا کلوخه (محصول کوره که برای تهیه سیمان پرتلند آسیاب می­شود) در زی میکروسکوپ می­توان بسیاری از ترکیبات جداگانه سیمان را تشخیص داد و مقدارشان را تعیین کرد. با همه این­ها ریزترین دانه­ها را نمی­توان تشخیص داد. قطر میانگین نمونه ذره سیمان تقریبا (m10) یا حدود یک­صدم میلی­متر است. اگر همه ذرات سیمان دارای قطر میانگین باشند، هر کیلوگرم سیمان پرتلند دارای حدود 300 میلیارد دانه خواهد بود، اما چون اندازه ذرات بسیار متفاوت است، درحقیقت حدود 1550 میلسارد دانه در هر کیلوگرم سیمان می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان یافت می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان پرتلند در حدود 400 متر مربع است.

دو ترکیب سیلیکات کلسیم تری کلسیم سیلیکات و دی کلسیم سیلیکات) که حدود 75 درصد وزن سیمان پرتلند را تشکیل می­دهند با آب واکنش برقرار می­کنند و دو ترکیب جدید کلسیم هیدروکسید و کلسیم سیلیکات هیدرات را تولید می­کنند. کلسیم سیلیکات هیدرات مهم­ترین ماده چسباننده در بتن به شمار می­آید. خواص مهندسی بتن مانند گیرش و سخت شدن، مقاومت، ثبات ایعادی و مانند این­ها، عمدتا به ژل کلسیم سیلیکات هیدرات بستگی دارند. درواقع این ماده قلب بتن است.

ترکیب شیمیایی کلسم سیلیکات هیدرات تا حدودی متغیر است، لیکن نسبت آهک (CaO) به سیلیکات (SiO₂) آن حدود 1.5 است. سطح کلسیم سیلیکات هیدرات در حدود 300 متر مربع بر گرم است. ذرات چندان ریزند که آن­ها را فقط می­توان با میکروسکوپ­های الکترونی دید. این ذرات در خمیر سیمان سخت شده، گروه­های به هم چسبیده متراکمی را در بین سایر اجزای بلوری شده و باقی­مانده دانه­های سیمان آب نگرفته (هیدرات نشده) تشکیل می­دهند. این ذرات به دانه­های ماسه و سنگدانه درشت نیز می­چسبند و اصولا همه چیزی را به هم می­چسبانند. تشکیل این ساختار سیمانی، همان خاصیت چسبانندگی خمیر سیمان است که عامل گیرش، سخت شدن و کسب مقاومت در سیمان را تشکیل می­دهد.

وقتی بتن خود را می­گیرد، حجم آن تقریبا بدون تغییر باقی­می­ماند؛ اما بتن سخت شده دارای حفره­هایی است که با آب­و­هوا پرشده­اند و مقاومتی ندارند. مقاومت خمیر سیمان مربوط به قسمت توپر آن است و عمدتا در کلسیم سیلیکات هیدرات و اجزای بلورین آن موجود است.

هرچه خمیر سیمان حفره­های کم­تری داشته باشد، بتن مقاوم­تر است. بنابراین، هنگام اختلاط بتن نباید آبی بیش­تر از آنچه که دقیقا برای خمیری شدن و کارا (کاراپذیر) کردن بتن لازم است، به کار برده شود. حتی مقدار آبی که در این حالت به کار می­رود، معمولا بیش­تر از آبی است که برای آبگیری(هیدراسیون) کامل سیمان پرتلند مورد نیاز است. حداقل نسبت وزنی آب به سیمان برای آبگیری کامل سیمان تقریبا 0.22 تا0.25 است.

گاهی آگاهی از مقدار گرمایی که در روند آبگیری سیمان آزاد می­شود، در برنامه­ریزی اجرایی سودمند است. در زمستان، گرمای آبگیری کمک می­کند تا بتن در برابر آسیب­های ناشی از یخبندان محافظت شود.بت همه این­ها، چنین گرمایی می­تواند در سازه­های حجیم مانند سدها زیانبار باشد، زیرا می­تواند به ایجاد تنش­های نامطلوبی در حین سرد شدن و و پس از سخت شدن بتن بیانجامد. سیمان پرتلند نوع 1، در خلال سه روز کمی بیش از نیمی از گرمای آبگیری خود را آزاد می­کند سیمان نوع 3، که سیمانی با مقاومت اولیه زیاد است، تقریبا همان درصد گرمای خود را در زمانی خیلی کوتاه­تر از سه روز آزاد می­کند. گرمای کل آزاد شده سیمان نوع 2 با گرمازایی متوسط، کم­تر از دو نوع دیگر است و برای رها کردن فقط نیمی از گرما­ی خود، به مدت زمانی بیش از سه روز نیاز دارد. از آنجا که گرمای آبگیری پایین از اهمیت زیادی برخوردار است، باید مصرف سیمان پرتلند نوع 4 که سیمانی با گرمای آبگیری پایین است، در نظر گرفته شود.

آگاهی از میزان واکنش بین سیمان و آب اهمیت دارد زیرا این میزان، مشخص کننده زمان گیرش و سخت شدن سیمان است. واکنش اولیه باید به اندازه کافی آهسته صورت گیرد تا زمان لازم را برای حمل و ریختن بتن فراهم آورد. با همه این­ها، پس از ریختن و پرداخت کردن بتن، سخت شدن سریع آن مورد نظر است. گچی که هنگام آسیاب کردن کلینکر سیمان به آن اضافه می­شود، به عنوان تنظیم کننده میزان آبگیری اولیه سیمان پرتلند عمل می­کند. ریز آسیاب کردن، مواد افزودنی، مقدار آب اضافه شده، و دمای مصالح در هنگام اختلاط از سایر عواملی­اند که بر میزان آبگیری تاثیر می­گذارند.

بتن سخت شده

عمل آوری مرطوب

مادام که سیمان هیدرات نشده (آبگیری نشده) همچنان موجود باشد، افزایش مقاومت بتن نسبت به زمان ادامه می­یابد، مشروط بر این که بتن مرطوب باقی بماند یا رطوبت نسبی داخل بتن بیش از 80 درصد باشد و دمای بتن نیز مناسی و مطلوب باقی بماند. وقتی رطوبت نسبی داخل بتن به حدود 80 درصد کاهش یابد یا دمای بتن به زیر دمای یخبندان برسد، در این صورت هیدراسیون و افزایش مقاومت عملا متوقف می­شوند.

هرگاه بتن پس از یک دوره خشک شدن دوباره اشباع (مرطوب) شود، هیدراسیون بار دیگر آغاز می­شود و مقاومت نیز همچنان افزایش خواهد یافت. با همه این­ها، بهتر است عمل­آوری مرطوب بتن از زمانی که ریخته می­شود تا زمانی که به کیفیت مطلوب می­رسد پیوسته ادامه یابد، زیرا اشباع مجدد بتن دشوار است.

آهنگ خشک شدن بتن

سخت شدن یا عمل­آوری بتن از طریق خشک شدن صورت نمی­گیرد. بتن (یا به عبارت دقیق­تر سیمان در بتن) برای هیدراسیون و سخت شدن به رطوبت نیاز دارد. خشک شدن بتن قط به نحوی غیرمستقیم به هیدراسیون و سخت شدن بستگی دارد. وقتی بتن خشک می­شود، روند کسب مقاومت آن هم متوقف خواهد شد، و درواقع خشک شدن بتن نمایانگر هیدراسیون کافی آن برای دستیابی به خواص فیزیکی مورد نظر نیست.

آگاهی بر میزان خشک شدن، در فهم خصوصیات یا شرایط فیزیکی بتن سودمند است. مثلا همچنانکه گفته شد برای این­که سیمان هیدرات شود، باید بتن در طول دوره عمل اوری در رطوبت کافی نگه داری شود. بتن تازه ریخته شده مقدار فراوانی آب دارد، اما همچنان که خشک شدن از سطوح به طرف داخل پیش می­رود، روند رشد مقاومت در هر عمقی فقط تا زمانی ادامه می­یابد که رطوبت نسبی آن نقطه بالای 80 درصد باشد.

مثالی متداول در این خصوص، عبارت است از سطح یک کف بتنی که عمل­آوری مرطوب مناسبی نداشته باشد. چون کف به سرعت خشک می­شود، بتن در سطح آن ضعیف شده و رفت­و­آمد روی آن ایجاد پودرشدگی می­کند. وقتی بتن خشک می­شود درست مانند چوب، کاغذ، و خاک رس (البته نه به آن شدت) جمع می­شود. جمع شدگی ناشی از خشک شدن، از دلایل اصلی ایجاد ترک است و پهنای این نوع ترک­ها تابعی از میزان خشک­شدگی است.

درحالی­که سطح بتن نسبتا به سرعت خشک می­شود، لیکن برای خشک شدن بتن داخلی زمان بسیار درازتری لازم است. میزان خشک شدن طبیعی و مصنوعی را برای یک دیوار یا یک دال بتنی به ضخامت 150mm (16in) که از دو طرف خشک می­شود را در نظر بگیرید، پس از گذشت 114 روز از خشک شدن طبیعی، هنوز بتن در بخش داخلی دیوار یا دال مرطوب است و مدت زمان 850 روز لازم است تا رطوبت نسبی در مرکز آن تا 50 درصد کاهش یابد.

مقدار رطوبت اعضای نازک بتنی که برای مدت چندین ماه در محیط با رطوبت نسبی 50% تل 90% خشک شده­اند، بسته به مواد متشکله بتن، مقدار آب اولیه بتن، شرایط خشک شدن، و اندازه عضو بتنی، حدود 1% تا 2% وزن بتن است.

ابعاد (اندازه) و شکل یک عضو بتنی آثار چشمگیری بر میزان خشک شدن دارند. اعضای بتنی با نسبت سطح به حجم زیاد(مانند دال­های کف) سریع­تر از حجم­های بزرگ بتنی با سطح کم (مانند پایه پل­ها) خشک می­شوند. بسیاری از خواص دیگی بتن سخت شده نیز تحت تاثیر مقدار رطوبت آن قرار می­گیرند که از آن میان می­توان الاستیته (کشسانی)، خزش، مقدار عایق­بندی، مقاومت در برابر آتش­سوزی، مقاومت در برابر سایش، رسانایی الکتریکی، و پایایی (دوام) را نام برد.

مقاومت

مقاومت فشاری را می­توان به عنوان حداکثر مقاومت اندازه­گیری شده آزمونه بتن یا ملات در برابر بارگذاری محوری تعریف کرد.

مقاومت فشاری معمولا بر حسب مگاپاسکال (نیوتون بر میلی­متر مربع، MPa) یا کیلوگرم بر سانتی­متر مربع (kg/cm²) در سن 28 روزه بیان می­شود، و آن را با f’_c نشان می­دهند. آزمایش تعیین مقاومت فشاری روی آزمونه­های بتن یا ملات انجام می­گیرد. مثلا، در آمریکا آزمایش تعیین مقاومت فشاری ملات بر روی آزمونه­های مکعبی 5x5x5cm انجام می­گیرد، درحالی­که مقاومت فشاری بتن به کمک آزمایش آزمون های استوانه­ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm تعیین می­شود.

مقاومت فشاری بتن یکی از خواص اصلی بتن است که در محاسبات طراحی مربوط به پل­ها، ساختمان­ها، و سایر سازه­ها، غالبا مورد استفاده قرار می­گیرد. بتن­هایی که معمولا بیشتر به کار می­روند دارای مقاومت فشاری بین 21MPa و 35MPa هستند. بتن­های پرمقاومت، دست کم دارای مقاومت فشاری 42MPa هستند. در عملیات ساختمانی از بتن­هایی با مقاومت فشاری 140MPa استفاده شده­است.

در طراحی روسازی­ها و سایر دال­های روی زمین، عموما از مقاومت خمشی بتن استفاده می­شود. درصورتی که برای مصالح مورد استفاده و اندازه عضو مورد نظر، یک رابطه تجربی بین مقاومت فشاری و مقاومت خمشی برقرار شده­باشد، می­توان مقاومت فشاری را به عنوان شاخصی از مقاومت خمشی به کار برد. مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی بتن با وزن معمولی، اغلب 0.62 تا 0.84 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) تخمین زده می­شود.

مقاومت کششی بتن حدود 8 تا 12 درصد مقاومت فشاری آن است و غالبا 0.42 تا 0.63 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) برآورد می­شود.

مقاومت پیچشی، بتن به مدول گسیختگی آن و ابعاد عضو بتنی بستگی دارد.

مقاومت برشی بتن بین 35% تا 80% مقاومت فشاری آن است. رابطه بین مقاومت فشاری و مقاومت­های خمشی، کششی، پیچشی، و برشی بتن به اجزای تشکیل دهنده بتن و شرایط محیطی بستگی دارد.

مدول ارتجاعی که با علامت E نشان داده می­شود، به صورت نسبت تنش عمودی به کرنش (تنجش) متناظر آن تعریف می­شود. مشروط بر این­که تنش عمودی(کششی یا فشاری) کم­تر از تنش حد ارتجاعی خطی ماده باشد. مدول ارتجاعی بتن با وزن معمولی بین 14000MPa تا 42000MPa تغییر می­کند و تقریبا 4770 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) است.

نسبت آب به سیمان و سن (یا عمر) بتن، یا میزان پیشرفت هیدراسیون (آبگیری) بتن از عوامل اصلی موثر بر مقاومت آن به شمار می­آیند. مقاومت­های فشاری را برای محدوده وسیعی از نسبت­های آب به سیمان در مراحل سنی مختلف مشاهده می­کنید. این آزمایش­ها بر روی آزمون ­های استوانه ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm انجام شده­اند. باید توجه داشت که مقاومت فشاری با افزایش سن بتن و با کاهش نسبت آب به سیمان، افزایش می­یابد.این عوامل بر مقاومت خمشی، مقاومت کششی و چسبندگی بین فولاد و بتن نیز تاثیر می­گذارند.

به ازای کارایی و مقدار مشخص سیمان، برای بتن هوازایی شده، آب اختلاط کم­تری از بتن هوازایی نشده نیاز دارد. امکان کم­تر بودن نسبت آب به سیمان برای بتن هوازایی شده، تا حدودی می­تواند کم­تر بودن مقاومت­های هوازایی شده را، به ویژه در مورد مخلوط­های با مقدار سیمان کم­ تا متوسط، جبران کند.

وزن مخصوص

وزن مخصوص بتنی که عموما در روسازی­ها، ساختمان­ها، و سازه­های دیگر به کار می­رود، در حدود 2240 تا 2400 کیلوگرم بر متر مکعب است. وزن مخصوص (دانسیته) بتن متغیر است و به مقدار و دانسیته نسبی  سنگدانه­ها، مقدار هوای محبوس یا مقدار هوای عملا ایجاد شده، و مقادیر آب و سیمان، که در حقیقت تحت تاثیر بزرگ­ترین اندازه سنگدانه قرار دارند، بستگی دارد.

وزن مخصوص بتن مسلح ( ترکیب بتن معمولی و میلگرد) در طراحی سازه­های مسلح، عموما 2400 کیلوگرم بر متر مربع گرفته می­شود. وزن بتن خشک، برابر است با وزن بتن تازه منهای وزن آب تبخیر شده دآن. مقداری از آب اختلاط، در خلال فرایند آبگیری (هیدراسیون)، به طور شیمیایی با سیمان ترکیب می­شود و آن را به ژل سیمان تبدیل می­کند. مقداری از این آب نیز در حفره­ها و لوله­های موبین­گیر می­افتد و تحت شرایط معمولی تبخیر نمی­شود. مقدار آبی که در محیطی با رطوبت نسبی 50% تبخیر می­شود، حدود 2 تا 3 درصد وزن بتن است که به مقدار آب اولی بتن، مشخصه­های جذب آب سنگدانه­ها، و اندازه سازه بستگی دارد.

جدا از بتن معمولی، انواع بسیاری از بتن­های دیگر برای تامین نیاز­های گوناگون وجود دارند که می­توان از بتن­های سبک با وزن مخصوص 240 کیلوگرم بر متر مکعب که برای عایق بندی به کار می­روند،تا بتن سنگین با وزن مخصوصی در حدود 6400 کیلوگرم بر متر مکعب که برای وزنه­های تعادل یا محافظت در برابر تابش پرتوزا به کار می­روند، یاد کرد.

مبانی بتن

بتن اساسا آمیزه ­ای از دو جزء سنگدانه و خمیر است. خمیر، متشکل از سیمان پرتلند و آب، سنگدانه­ها (ماسه و شن،یا خرده سنگ­ها) را بر اثر واکنش شیمیایی سیمان و آب به هم می­چسباند و به صورت توده­ای سنگین در می­آورد.

سنگدانه­ها عموما به دو گروه سنگدانه­های ریز و درشت تقسیم می­شوند. سنگدانه­های ریز از ماسه طبیعی یا شکسته تشکیل شده­اند که اندازه بزرگ­ترین دانه آن  (9.5mm) است؛ سنگدانه­های درشت آن­هایی که اندازه­ی ذراتشان از دانه­ی باقی­مانده بر روی الک نمره 16( 1.16mm) شروع می­شود و اندازه­ی آن­ا تا “6 ( 150mm) تغییر می­کند. متداول­ترین اندازه بزرگ­ترین سنگدانه مورد استفاده  (19mm) یا   “1 (25mm) است.

خمیر از سیمان پرتلند،آب، و هوای محبوس یا هوایی که به­طور عمد در آن ایجاد شده باشد تشکیل می­شود. خمیر سیمان معمولا حدود 25 تا 40 درصد حجم کل بتن را در بر می­گیرد.حجم مطلق سیمان

معمولا بین 7 تا 15 درصد و حجم مطلق آب بین 14 تا 21 درصد است. مقدار هوا در بتن هوازایی شده بسته به اندازه بزرگ­ترین سنگدانه درشت می­تواند تا 8 درصد حجم بتن باشد.

از آنجا که سنگدانه­ها حدود 60 تا 75 درصد حجم کل بتن را تشکیل می­دهند، انتخاب آن­ها از اهمیت خاصی برخوردار است. سنگدانه ها باید از ذراتی با مقاومت کافی و با توانایی مناسب در برابر شرایط محیطی تشکیل شوند . برای استفاده مطلوب از خمیر سیمان و آب، سنگدانه­ها باید دانه­بندی پیوسته­­ای داشته باشند. فرض را بر این می­گیریم که از سنگدانه­های مناسبی استفاده می­شود،جز در جایی که خلاف آن تصریح شود.

کیفیت بتن تا حد زیادی به کیفیت خمیر سیمان بستگی دارد. در بتنی که به نحوه صحیحی ساخته شود، هر یک از سنگدانه ­ها کاملا با خمیر پوشانده می­شوند و تمامی فضاهای خالی بین سنگدانه­ها به طور کامل با خمیر پر می­شوند.

کیفیت بتن سخت شده، در مورد مجموعه خاصی از مصالح و شرایط عمل آوری، از طریق نسبت مقدار آب مصرفی به مقدار سیمان تعیین می­شود. برخی از مزایای ناشی از کاهش مقدار آب را در زیر برمی­شماریم:

-افزایش مقاومت فشاری و خمشی

-کاهش تراوایی، و در نتیجه افزایش قابلیت آب­بندی و کاهش جذب آب

-افزایش مقاومت در برابر عوامل اقلیمی و آب و هوایی

-پیوستگی بهتر، بین لایه های متوالی بتن، و بین آرماتور و بتن

-کاهش تغییرات حجمی در اثر تر و خشک شدن

-کاهش امکان تر ­خوردگی ناشی از جمع شدگی

هرچه آب کم­تری استفاده شود کیفیت بتن بهتر می­شود،به شرطی که بتوان به نحو صحیحی متراکم کرد. با مقادیر کم­تر آب اختلاط، مخلوط­های سفت­تری به دست می­آیند که با تراکم به صورت لرزاندن، می­توان مخلوط­های سفت­تر را مصرف کرد. برای بتنی با کیفیت معین، مخلوط­های سفت­تر با صرفه ترند. بنابراین ایجاد تراکم از طریق لرزاندن، کیفیت بتن را بهبود می­بخشد و آن را با صرفه می­کند.

خواص بتن تازه (خمیری) و سخت شده را می­توان با افزودن مواد افزودنی به بتن تغییر داد. مواد افزودنی در حین پیمانه کردن و غالبا به شکل مایع به بتن افزوده می­شوند. مواد افزودنی معمولا برای (1) تنظیم زمان گیرش یا سخت شدن؛ (2) کاهش آب اختلاط؛ (3) افزایش کارایی؛ (4) هوازایی عمدی؛ ()بهبود سایر خواص بتن به کار می­رود.

پس از تکمیل شدن مراحل تعیین نسبت اجزاء، پیمانه کردن، اختلاط، ریختن، تراکم، پرداخت، و عمل آوردن، که همه به طور صحیح انجام می­شوند، بتن سخت شده به یک مصالح ساختمکانی مقاوم، غیر قابل احتراق، پایا (با دوام)، مقاوم در برابر سایش، و عملا نفوذ­ناپذیر تبدیل می­شود که به نگهداری نیازی ندارد یا اگر هم نیاز داشته باشد، اندک است. بتن از این لحاظ که می­توان آن را برای مصرف در موارد تقریبا نا­محدودی به شکل­ها، رنگ­ها و بافت­های سطحی گوناگون درآورد، نیز یک ماده ساختمانی عالی به حساب می ­آید.

بتن تازه

بتنی که تازه مخلوط می­شود باید حالت خمیری یا نیمه­سیال داشته باشد، به گونه­ای که بتوان آن را با دست شکل داد. مخلوط بتنی را که خیلی تر باشد می­توان در قالب ریخت و شکل داد، اما چنین بتنی در حوزه تعریف بتن خمیری نمی­گنجد. بتن خمیری، بتنی شکل­پذیر است که قابلیت شکل­دهی و شکل­گیری آن مانند گل مجسمه­سازی باشد.

در هر مخلوط بتنی خمیری، سطح تمامی ذرات ماسه و دانه­های شن یا سنگ با دوغاب پوشانده می­شود و تمامی ذرات به صورت شناور در داخل یکدیگر قرار می­گیرند. اجزای تشکیل دهنده­ی یک مخلوط بتن خمیری در حین حمل­و­نقل از یکدیگر جدا نمی­شوند، و بتن پس از خشک شدن به مخلوطی همگن متشکل از تمامی اجزاء تبدیل می­شود. بتنی که حالت خمیری دارد، تکه­تکه نمی­شود، بلکه بدون این­که در آن جداشدگی پیش آید، به آرامی جریان می­یابد.

اسلامپ به عنوان معیاری برای روانی بتن به­کار می­رود. بتن با اسلامپ پایین از روانی سفت برخوردار است.

در عملیات اجرایی، برای سهولت بتن­ریزی، اعضای بتنی نازک و اعضای بتنی پرآماتور لازم است که مخلوط بتن کارایی کافی داشته باشد، البته هرگز منظور این نیست که بتن آبکی باشد. برای دستیابی به مقاومت مورد نظر، و برای آن­که مخلوط چه در هنگام حمل و چه در زمان ریختن، همگن بماند باید بتن حالت خمیری داشته باشد. اگرچه بتنی که حالت خمیری دارد برای بیشتر کارهای بتنی مناسب است، لیکن برای روان­تر کردن بتن در بتن­ریزی اعضای نازک یا اعضای پرآماتور می­توان از مواد افزودنی فوق­روان­کننده استفاده کرد.

اختلاط

پنج ماده اصلی تشکیل دهنده بتن به صورت جداگانه، سیمان، آب، هوا، سنگدانه ریز و سنگدانه درشت هستند. برای اطمینان از این­که در ضمن ترکیب این مواد  مخلوطی همگن تولید شود، باید دقت و سعی کافی به عمل آید. ترتیب ریختن این مواد به داخل مخلوط­کن، نقش مهمی در یکنواختی محصول نهایی دارد. با همه این­ها، با تغییر ریختن مواد، هکچنان می­توان بتن خوبی تولید کرد. بر حسب چگونگی ترتیب ریختن مواد در مخلوط­کن، باید زمان افزودن آب، تعداد کل چرخش دیگ مخلوط­کن؛ و سرعت چرخیدن آن تنظیم شود. اندازه هر پیمانه نسبت به اندازه دیگ مخلوط­کن؛ فاصله زمانی بین پیمانه کردن و اختلاط؛ و طراحی، شکل­بندی، و شرایط دیگ و تیغه­های مخلوط­کن از عوامل مهم در اختلاط به شمار می­­آیند. مخلوط­کن­های مناسب که به درستی راه­اندازی و نگهداری می­شوند آن­هایی هستند که در حین مخلوط کردن بتن، مصالح هر پیمانه را به کمک غلتاندن، بر روی هم خواباندن، و مالیدن بر روی یکدیگر، از یک سر به سر دیگر منتقل کنند.

کارایی (کارپذیری)

سهولت در ریختن، متراکم کردن، و پرداخت کردن مخلوط بتن تازه را کارایی (کارپذیری) آن می­نامند. بتن باید کارپذیر باشد، اما نباید بیش از اندازه دستخوش آب­انداختگی یا جداشدگی باشد. آب­انداختگی بتن، عبارت است از حرکت آب به سمت سطح بتن تازه ریخته شده که در اثر نشست مواد جامد شامل سیمان، ماسه و شن در داخل توده بتن ایجاد می­شود. نشست ذرات جامد پیامد جمع آثار لرزاندن و وزن ذرات است.

آب­انداختگی بیش از اندازه، نسبت آب به سیمان را در نزدیکی سطح بالایی بتن افزایش می­دهد و لایه­ای ضعیف با پایایی (دوام) کم در سطح بالایی بتن به وجود می­آورد، مخصوصا اگر عملیات پرداخت زمانی انجام گیرد که آب ناشی از آب­انداختگی حضور داشته باشد. به سبب تمایل بتن تازه به جداشدگی دانه­ها و آب انداختگی، بهتر است بتن حتی­الامکان نزدیک به محل نهایی خود حمل و در آنجا ریخته شود. هوازایی در بتن ، کارایی آن را بهبود می­بخشد و از گرایش بتن به جداشدگی و آب ­انداختگی می­کاهد.

تراکم

لرزاندن، ذرات بتن تازه را به حرکت در می­آورد و اصطحکاک بین آن­ها را کم می­کند و به مخلوط خواص حرکتی یک سیال غلیظ را می­بخشد. تراکم به کمک لرزاندن، بهره­گیری از مخلوط سفت را میسر می­کند و بنابراین می­توان از نسبت بیش­تری درشت­دانه و نیز از نسبت کم­تری ریزدانه در ساخت مخلوط سود جست. هرچه حداکثر اندازه سنگدانه در بتن با دانه­بندی پیوسته بزرگ­تر باشد، حجم کم­تری برای پر شدن توسط خمیر سیمان باقی­می­ماند و از این­رو آب و سیمان کم­تری کافی مورد نیاز خواهد بود. با تراکم کافی می­توان علاوه بر مخلوط­های سفت از مخلوط­های زبرتر نیز استفاده مرد که این موضوع به بهبود کیفیت بتن و صرف­جویی اقتصادی در ساخت آن می­انجامد.

اگر مخلوط بتنی چندان کارا (کارپذی) باشد که بتوان آن را به راحتی با میله­کوبی دستی در محل متراکم کرد، استفاده از لرزاندن مزیتی ندارد. در چنین مخلوط­هایی، احتمال جدا شدن دانه­ها  هنگام لرزاندن وجود دارد. تنها زمانی­که از مخلوط­های سفت و زبرتر استفاده می­شود، می­توان کاملا از مزایای تراکم به کمک لرزاندن بهره گرفت.

لرزاندن مکانیکی برای متراکم کردن مخلوط­های سفت مزایای زیادی دارد. لرزاننده­های پرفرکانس، امکان ریختن بتن­هایی را فراهم می­آورند که متراکم کردن آن­ها با دست در بسیاری از شرایط، غیر عملی است. مخلوط بتن با روانی سفت (اسلامپ پایین) را می­توان در قالب­هایی که فاصله میلگردهای آن­ها به هم نزدیک است، به صورت مکانکی لرزاند و متراکم کرد. برای متراکم کردن با دست، باید از بتنی با روانی بسیار شل­تر استفاده شود.

آبگیری (هیدراسیون)، زمان گیرش، سخت شدن

خاصیت چسبندگی خمیر سیمان پرتلند ناشی از واکنش شیمیایی بین سیمان و آب است که به آن آبگیری سیمان می­گویند.

سیمان پرتلند ترکیب شیمیایی ساده­ای نیست بلکه آمیزه­ای از چندین ترکیب است. تری کلسیم سیلیکات،دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینوفریت چهار ترکیب شیمیایی­اند که 90 درصد وزن سیمان پرتلندر یا بیش­تر را تشکیل می­دهند. علاوه بر این ترکیبات اصلیف چندین ترکیب دیگر نیز در فرایند آبگیری آن نقش مهمی دارند. انواع گوناگون سیمان پرتلند دارای این چهار ترکیب اصلی به نسبت­های متفاوت­اند.

با بررسی کلینکر یا کلوخه (محصول کوره که برای تهیه سیمان پرتلند آسیاب می­شود) در زی میکروسکوپ می­توان بسیاری از ترکیبات جداگانه سیمان را تشخیص داد و مقدارشان را تعیین کرد. با همه این­ها ریزترین دانه­ها را نمی­توان تشخیص داد. قطر میانگین نمونه ذره سیمان تقریبا (m10) یا حدود یک­صدم میلی­متر است. اگر همه ذرات سیمان دارای قطر میانگین باشند، هر کیلوگرم سیمان پرتلند دارای حدود 300 میلیارد دانه خواهد بود، اما چون اندازه ذرات بسیار متفاوت است، درحقیقت حدود 1550 میلسارد دانه در هر کیلوگرم سیمان می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان یافت می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان پرتلند در حدود 400 متر مربع است.

دو ترکیب سیلیکات کلسیم تری کلسیم سیلیکات و دی کلسیم سیلیکات) که حدود 75 درصد وزن سیمان پرتلند را تشکیل می­دهند با آب واکنش برقرار می­کنند و دو ترکیب جدید کلسیم هیدروکسید و کلسیم سیلیکات هیدرات را تولید می­کنند. کلسیم سیلیکات هیدرات مهم­ترین ماده چسباننده در بتن به شمار می­آید. خواص مهندسی بتن مانند گیرش و سخت شدن، مقاومت، ثبات ایعادی و مانند این­ها، عمدتا به ژل کلسیم سیلیکات هیدرات بستگی دارند. درواقع این ماده قلب بتن است.

ترکیب شیمیایی کلسم سیلیکات هیدرات تا حدودی متغیر است، لیکن نسبت آهک (CaO) به سیلیکات (SiO₂) آن حدود 1.5 است. سطح کلسیم سیلیکات هیدرات در حدود 300 متر مربع بر گرم است. ذرات چندان ریزند که آن­ها را فقط می­توان با میکروسکوپ­های الکترونی دید. این ذرات در خمیر سیمان سخت شده، گروه­های به هم چسبیده متراکمی را در بین سایر اجزای بلوری شده و باقی­مانده دانه­های سیمان آب نگرفته (هیدرات نشده) تشکیل می­دهند. این ذرات به دانه­های ماسه و سنگدانه درشت نیز می­چسبند و اصولا همه چیزی را به هم می­چسبانند. تشکیل این ساختار سیمانی، همان خاصیت چسبانندگی خمیر سیمان است که عامل گیرش، سخت شدن و کسب مقاومت در سیمان را تشکیل می­دهد.

وقتی بتن خود را می­گیرد، حجم آن تقریبا بدون تغییر باقی­می­ماند؛ اما بتن سخت شده دارای حفره­هایی است که با آب­و­هوا پرشده­اند و مقاومتی ندارند. مقاومت خمیر سیمان مربوط به قسمت توپر آن است و عمدتا در کلسیم سیلیکات هیدرات و اجزای بلورین آن موجود است.

هرچه خمیر سیمان حفره­های کم­تری داشته باشد، بتن مقاوم­تر است. بنابراین، هنگام اختلاط بتن نباید آبی بیش­تر از آنچه که دقیقا برای خمیری شدن و کارا (کاراپذیر) کردن بتن لازم است، به کار برده شود. حتی مقدار آبی که در این حالت به کار می­رود، معمولا بیش­تر از آبی است که برای آبگیری(هیدراسیون) کامل سیمان پرتلند مورد نیاز است. حداقل نسبت وزنی آب به سیمان برای آبگیری کامل سیمان تقریبا 0.22 تا0.25 است.

گاهی آگاهی از مقدار گرمایی که در روند آبگیری سیمان آزاد می­شود، در برنامه­ریزی اجرایی سودمند است. در زمستان، گرمای آبگیری کمک می­کند تا بتن در برابر آسیب­های ناشی از یخبندان محافظت شود.بت همه این­ها، چنین گرمایی می­تواند در سازه­های حجیم مانند سدها زیانبار باشد، زیرا می­تواند به ایجاد تنش­های نامطلوبی در حین سرد شدن و و پس از سخت شدن بتن بیانجامد. سیمان پرتلند نوع 1، در خلال سه روز کمی بیش از نیمی از گرمای آبگیری خود را آزاد می­کند سیمان نوع 3، که سیمانی با مقاومت اولیه زیاد است، تقریبا همان درصد گرمای خود را در زمانی خیلی کوتاه­تر از سه روز آزاد می­کند. گرمای کل آزاد شده سیمان نوع 2 با گرمازایی متوسط، کم­تر از دو نوع دیگر است و برای رها کردن فقط نیمی از گرما­ی خود، به مدت زمانی بیش از سه روز نیاز دارد. از آنجا که گرمای آبگیری پایین از اهمیت زیادی برخوردار است، باید مصرف سیمان پرتلند نوع 4 که سیمانی با گرمای آبگیری پایین است، در نظر گرفته شود.

آگاهی از میزان واکنش بین سیمان و آب اهمیت دارد زیرا این میزان، مشخص کننده زمان گیرش و سخت شدن سیمان است. واکنش اولیه باید به اندازه کافی آهسته صورت گیرد تا زمان لازم را برای حمل و ریختن بتن فراهم آورد. با همه این­ها، پس از ریختن و پرداخت کردن بتن، سخت شدن سریع آن مورد نظر است. گچی که هنگام آسیاب کردن کلینکر سیمان به آن اضافه می­شود، به عنوان تنظیم کننده میزان آبگیری اولیه سیمان پرتلند عمل می­کند. ریز آسیاب کردن، مواد افزودنی، مقدار آب اضافه شده، و دمای مصالح در هنگام اختلاط از سایر عواملی­اند که بر میزان آبگیری تاثیر می­گذارند.

بتن سخت شده

عمل آوری مرطوب

مادام که سیمان هیدرات نشده (آبگیری نشده) همچنان موجود باشد، افزایش مقاومت بتن نسبت به زمان ادامه می­یابد، مشروط بر این که بتن مرطوب باقی بماند یا رطوبت نسبی داخل بتن بیش از 80 درصد باشد و دمای بتن نیز مناسی و مطلوب باقی بماند. وقتی رطوبت نسبی داخل بتن به حدود 80 درصد کاهش یابد یا دمای بتن به زیر دمای یخبندان برسد، در این صورت هیدراسیون و افزایش مقاومت عملا متوقف می­شوند.

هرگاه بتن پس از یک دوره خشک شدن دوباره اشباع (مرطوب) شود، هیدراسیون بار دیگر آغاز می­شود و مقاومت نیز همچنان افزایش خواهد یافت. با همه این­ها، بهتر است عمل­آوری مرطوب بتن از زمانی که ریخته می­شود تا زمانی که به کیفیت مطلوب می­رسد پیوسته ادامه یابد، زیرا اشباع مجدد بتن دشوار است.

آهنگ خشک شدن بتن

سخت شدن یا عمل­آوری بتن از طریق خشک شدن صورت نمی­گیرد. بتن (یا به عبارت دقیق­تر سیمان در بتن) برای هیدراسیون و سخت شدن به رطوبت نیاز دارد. خشک شدن بتن قط به نحوی غیرمستقیم به هیدراسیون و سخت شدن بستگی دارد. وقتی بتن خشک می­شود، روند کسب مقاومت آن هم متوقف خواهد شد، و درواقع خشک شدن بتن نمایانگر هیدراسیون کافی آن برای دستیابی به خواص فیزیکی مورد نظر نیست.

آگاهی بر میزان خشک شدن، در فهم خصوصیات یا شرایط فیزیکی بتن سودمند است. مثلا همچنانکه گفته شد برای این­که سیمان هیدرات شود، باید بتن در طول دوره عمل اوری در رطوبت کافی نگه داری شود. بتن تازه ریخته شده مقدار فراوانی آب دارد، اما همچنان که خشک شدن از سطوح به طرف داخل پیش می­رود، روند رشد مقاومت در هر عمقی فقط تا زمانی ادامه می­یابد که رطوبت نسبی آن نقطه بالای 80 درصد باشد.

مثالی متداول در این خصوص، عبارت است از سطح یک کف بتنی که عمل­آوری مرطوب مناسبی نداشته باشد. چون کف به سرعت خشک می­شود، بتن در سطح آن ضعیف شده و رفت­و­آمد روی آن ایجاد پودرشدگی می­کند. وقتی بتن خشک می­شود درست مانند چوب، کاغذ، و خاک رس (البته نه به آن شدت) جمع می­شود. جمع شدگی ناشی از خشک شدن، از دلایل اصلی ایجاد ترک است و پهنای این نوع ترک­ها تابعی از میزان خشک­شدگی است.

درحالی­که سطح بتن نسبتا به سرعت خشک می­شود، لیکن برای خشک شدن بتن داخلی زمان بسیار درازتری لازم است. میزان خشک شدن طبیعی و مصنوعی را برای یک دیوار یا یک دال بتنی به ضخامت 150mm (16in) که از دو طرف خشک می­شود را در نظر بگیرید، پس از گذشت 114 روز از خشک شدن طبیعی، هنوز بتن در بخش داخلی دیوار یا دال مرطوب است و مدت زمان 850 روز لازم است تا رطوبت نسبی در مرکز آن تا 50 درصد کاهش یابد.

مقدار رطوبت اعضای نازک بتنی که برای مدت چندین ماه در محیط با رطوبت نسبی 50% تل 90% خشک شده­اند، بسته به مواد متشکله بتن، مقدار آب اولیه بتن، شرایط خشک شدن، و اندازه عضو بتنی، حدود 1% تا 2% وزن بتن است.

ابعاد (اندازه) و شکل یک عضو بتنی آثار چشمگیری بر میزان خشک شدن دارند. اعضای بتنی با نسبت سطح به حجم زیاد(مانند دال­های کف) سریع­تر از حجم­های بزرگ بتنی با سطح کم (مانند پایه پل­ها) خشک می­شوند. بسیاری از خواص دیگی بتن سخت شده نیز تحت تاثیر مقدار رطوبت آن قرار می­گیرند که از آن میان می­توان الاستیته (کشسانی)، خزش، مقدار عایق­بندی، مقاومت در برابر آتش­سوزی، مقاومت در برابر سایش، رسانایی الکتریکی، و پایایی (دوام) را نام برد.

مقاومت

مقاومت فشاری را می­توان به عنوان حداکثر مقاومت اندازه­گیری شده آزمونه بتن یا ملات در برابر بارگذاری محوری تعریف کرد.

مقاومت فشاری معمولا بر حسب مگاپاسکال (نیوتون بر میلی­متر مربع، MPa) یا کیلوگرم بر سانتی­متر مربع (kg/cm²) در سن 28 روزه بیان می­شود، و آن را با f’_c نشان می­دهند. آزمایش تعیین مقاومت فشاری روی آزمونه­های بتن یا ملات انجام می­گیرد. مثلا، در آمریکا آزمایش تعیین مقاومت فشاری ملات بر روی آزمونه­های مکعبی 5x5x5cm انجام می­گیرد، درحالی­که مقاومت فشاری بتن به کمک آزمایش آزمون های استوانه­ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm تعیین می­شود.

مقاومت فشاری بتن یکی از خواص اصلی بتن است که در محاسبات طراحی مربوط به پل­ها، ساختمان­ها، و سایر سازه­ها، غالبا مورد استفاده قرار می­گیرد. بتن­هایی که معمولا بیشتر به کار می­روند دارای مقاومت فشاری بین 21MPa و 35MPa هستند. بتن­های پرمقاومت، دست کم دارای مقاومت فشاری 42MPa هستند. در عملیات ساختمانی از بتن­هایی با مقاومت فشاری 140MPa استفاده شده­است.

در طراحی روسازی­ها و سایر دال­های روی زمین، عموما از مقاومت خمشی بتن استفاده می­شود. درصورتی که برای مصالح مورد استفاده و اندازه عضو مورد نظر، یک رابطه تجربی بین مقاومت فشاری و مقاومت خمشی برقرار شده­باشد، می­توان مقاومت فشاری را به عنوان شاخصی از مقاومت خمشی به کار برد. مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی بتن با وزن معمولی، اغلب 0.62 تا 0.84 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) تخمین زده می­شود.

مقاومت کششی بتن حدود 8 تا 12 درصد مقاومت فشاری آن است و غالبا 0.42 تا 0.63 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) برآورد می­شود.

مقاومت پیچشی، بتن به مدول گسیختگی آن و ابعاد عضو بتنی بستگی دارد.

مقاومت برشی بتن بین 35% تا 80% مقاومت فشاری آن است. رابطه بین مقاومت فشاری و مقاومت­های خمشی، کششی، پیچشی، و برشی بتن به اجزای تشکیل دهنده بتن و شرایط محیطی بستگی دارد.

مدول ارتجاعی که با علامت E نشان داده می­شود، به صورت نسبت تنش عمودی به کرنش (تنجش) متناظر آن تعریف می­شود. مشروط بر این­که تنش عمودی(کششی یا فشاری) کم­تر از تنش حد ارتجاعی خطی ماده باشد. مدول ارتجاعی بتن با وزن معمولی بین 14000MPa تا 42000MPa تغییر می­کند و تقریبا 4770 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) است.

نسبت آب به سیمان و سن (یا عمر) بتن، یا میزان پیشرفت هیدراسیون (آبگیری) بتن از عوامل اصلی موثر بر مقاومت آن به شمار می­آیند. مقاومت­های فشاری را برای محدوده وسیعی از نسبت­های آب به سیمان در مراحل سنی مختلف مشاهده می­کنید. این آزمایش­ها بر روی آزمون ­های استوانه ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm انجام شده­اند. باید توجه داشت که مقاومت فشاری با افزایش سن بتن و با کاهش نسبت آب به سیمان، افزایش می­یابد.این عوامل بر مقاومت خمشی، مقاومت کششی و چسبندگی بین فولاد و بتن نیز تاثیر می­گذارند.

به ازای کارایی و مقدار مشخص سیمان، برای بتن هوازایی شده، آب اختلاط کم­تری از بتن هوازایی نشده نیاز دارد. امکان کم­تر بودن نسبت آب به سیمان برای بتن هوازایی شده، تا حدودی می­تواند کم­تر بودن مقاومت­های هوازایی شده را، به ویژه در مورد مخلوط­های با مقدار سیمان کم­ تا متوسط، جبران کند.

وزن مخصوص

وزن مخصوص بتنی که عموما در روسازی­ها، ساختمان­ها، و سازه­های دیگر به کار می­رود، در حدود 2240 تا 2400 کیلوگرم بر متر مکعب است. وزن مخصوص (دانسیته) بتن متغیر است و به مقدار و دانسیته نسبی  سنگدانه­ها، مقدار هوای محبوس یا مقدار هوای عملا ایجاد شده، و مقادیر آب و سیمان، که در حقیقت تحت تاثیر بزرگ­ترین اندازه سنگدانه قرار دارند، بستگی دارد.

وزن مخصوص بتن مسلح ( ترکیب بتن معمولی و میلگرد) در طراحی سازه­های مسلح، عموما 2400 کیلوگرم بر متر مربع گرفته می­شود. وزن بتن خشک، برابر است با وزن بتن تازه منهای وزن آب تبخیر شده دآن. مقداری از آب اختلاط، در خلال فرایند آبگیری (هیدراسیون)، به طور شیمیایی با سیمان ترکیب می­شود و آن را به ژل سیمان تبدیل می­کند. مقداری از این آب نیز در حفره­ها و لوله­های موبین­گیر می­افتد و تحت شرایط معمولی تبخیر نمی­شود. مقدار آبی که در محیطی با رطوبت نسبی 50% تبخیر می­شود، حدود 2 تا 3 درصد وزن بتن است که به مقدار آب اولی بتن، مشخصه­های جذب آب سنگدانه­ها، و اندازه سازه بستگی دارد.

جدا از بتن معمولی، انواع بسیاری از بتن­های دیگر برای تامین نیاز­های گوناگون وجود دارند که می­توان از بتن­های سبک با وزن مخصوص 240 کیلوگرم بر متر مکعب که برای عایق بندی به کار می­روند،تا بتن سنگین با وزن مخصوصی در حدود 6400 کیلوگرم بر متر مکعب که برای وزنه­های تعادل یا محافظت در برابر تابش پرتوزا به کار می­روند، یاد کرد.

مبانی بتن

بتن اساسا آمیزه ­ای از دو جزء سنگدانه و خمیر است. خمیر، متشکل از سیمان پرتلند و آب، سنگدانه­ها (ماسه و شن،یا خرده سنگ­ها) را بر اثر واکنش شیمیایی سیمان و آب به هم می­چسباند و به صورت توده­ای سنگین در می­آورد.

سنگدانه­ها عموما به دو گروه سنگدانه­های ریز و درشت تقسیم می­شوند. سنگدانه­های ریز از ماسه طبیعی یا شکسته تشکیل شده­اند که اندازه بزرگ­ترین دانه آن  (9.5mm) است؛ سنگدانه­های درشت آن­هایی که اندازه­ی ذراتشان از دانه­ی باقی­مانده بر روی الک نمره 16( 1.16mm) شروع می­شود و اندازه­ی آن­ا تا “6 ( 150mm) تغییر می­کند. متداول­ترین اندازه بزرگ­ترین سنگدانه مورد استفاده  (19mm) یا   “1 (25mm) است.

خمیر از سیمان پرتلند،آب، و هوای محبوس یا هوایی که به­طور عمد در آن ایجاد شده باشد تشکیل می­شود. خمیر سیمان معمولا حدود 25 تا 40 درصد حجم کل بتن را در بر می­گیرد.حجم مطلق سیمان

معمولا بین 7 تا 15 درصد و حجم مطلق آب بین 14 تا 21 درصد است. مقدار هوا در بتن هوازایی شده بسته به اندازه بزرگ­ترین سنگدانه درشت می­تواند تا 8 درصد حجم بتن باشد.

از آنجا که سنگدانه­ها حدود 60 تا 75 درصد حجم کل بتن را تشکیل می­دهند، انتخاب آن­ها از اهمیت خاصی برخوردار است. سنگدانه ها باید از ذراتی با مقاومت کافی و با توانایی مناسب در برابر شرایط محیطی تشکیل شوند . برای استفاده مطلوب از خمیر سیمان و آب، سنگدانه­ها باید دانه­بندی پیوسته­­ای داشته باشند. فرض را بر این می­گیریم که از سنگدانه­های مناسبی استفاده می­شود،جز در جایی که خلاف آن تصریح شود.

کیفیت بتن تا حد زیادی به کیفیت خمیر سیمان بستگی دارد. در بتنی که به نحوه صحیحی ساخته شود، هر یک از سنگدانه ­ها کاملا با خمیر پوشانده می­شوند و تمامی فضاهای خالی بین سنگدانه­ها به طور کامل با خمیر پر می­شوند.

کیفیت بتن سخت شده، در مورد مجموعه خاصی از مصالح و شرایط عمل آوری، از طریق نسبت مقدار آب مصرفی به مقدار سیمان تعیین می­شود. برخی از مزایای ناشی از کاهش مقدار آب را در زیر برمی­شماریم:

-افزایش مقاومت فشاری و خمشی

-کاهش تراوایی، و در نتیجه افزایش قابلیت آب­بندی و کاهش جذب آب

-افزایش مقاومت در برابر عوامل اقلیمی و آب و هوایی

-پیوستگی بهتر، بین لایه های متوالی بتن، و بین آرماتور و بتن

-کاهش تغییرات حجمی در اثر تر و خشک شدن

-کاهش امکان تر ­خوردگی ناشی از جمع شدگی

هرچه آب کم­تری استفاده شود کیفیت بتن بهتر می­شود،به شرطی که بتوان به نحو صحیحی متراکم کرد. با مقادیر کم­تر آب اختلاط، مخلوط­های سفت­تری به دست می­آیند که با تراکم به صورت لرزاندن، می­توان مخلوط­های سفت­تر را مصرف کرد. برای بتنی با کیفیت معین، مخلوط­های سفت­تر با صرفه ترند. بنابراین ایجاد تراکم از طریق لرزاندن، کیفیت بتن را بهبود می­بخشد و آن را با صرفه می­کند.

خواص بتن تازه (خمیری) و سخت شده را می­توان با افزودن مواد افزودنی به بتن تغییر داد. مواد افزودنی در حین پیمانه کردن و غالبا به شکل مایع به بتن افزوده می­شوند. مواد افزودنی معمولا برای (1) تنظیم زمان گیرش یا سخت شدن؛ (2) کاهش آب اختلاط؛ (3) افزایش کارایی؛ (4) هوازایی عمدی؛ ()بهبود سایر خواص بتن به کار می­رود.

پس از تکمیل شدن مراحل تعیین نسبت اجزاء، پیمانه کردن، اختلاط، ریختن، تراکم، پرداخت، و عمل آوردن، که همه به طور صحیح انجام می­شوند، بتن سخت شده به یک مصالح ساختمکانی مقاوم، غیر قابل احتراق، پایا (با دوام)، مقاوم در برابر سایش، و عملا نفوذ­ناپذیر تبدیل می­شود که به نگهداری نیازی ندارد یا اگر هم نیاز داشته باشد، اندک است. بتن از این لحاظ که می­توان آن را برای مصرف در موارد تقریبا نا­محدودی به شکل­ها، رنگ­ها و بافت­های سطحی گوناگون درآورد، نیز یک ماده ساختمانی عالی به حساب می ­آید.

بتن تازه

بتنی که تازه مخلوط می­شود باید حالت خمیری یا نیمه­سیال داشته باشد، به گونه­ای که بتوان آن را با دست شکل داد. مخلوط بتنی را که خیلی تر باشد می­توان در قالب ریخت و شکل داد، اما چنین بتنی در حوزه تعریف بتن خمیری نمی­گنجد. بتن خمیری، بتنی شکل­پذیر است که قابلیت شکل­دهی و شکل­گیری آن مانند گل مجسمه­سازی باشد.

در هر مخلوط بتنی خمیری، سطح تمامی ذرات ماسه و دانه­های شن یا سنگ با دوغاب پوشانده می­شود و تمامی ذرات به صورت شناور در داخل یکدیگر قرار می­گیرند. اجزای تشکیل دهنده­ی یک مخلوط بتن خمیری در حین حمل­و­نقل از یکدیگر جدا نمی­شوند، و بتن پس از خشک شدن به مخلوطی همگن متشکل از تمامی اجزاء تبدیل می­شود. بتنی که حالت خمیری دارد، تکه­تکه نمی­شود، بلکه بدون این­که در آن جداشدگی پیش آید، به آرامی جریان می­یابد.

اسلامپ به عنوان معیاری برای روانی بتن به­کار می­رود. بتن با اسلامپ پایین از روانی سفت برخوردار است.

در عملیات اجرایی، برای سهولت بتن­ریزی، اعضای بتنی نازک و اعضای بتنی پرآماتور لازم است که مخلوط بتن کارایی کافی داشته باشد، البته هرگز منظور این نیست که بتن آبکی باشد. برای دستیابی به مقاومت مورد نظر، و برای آن­که مخلوط چه در هنگام حمل و چه در زمان ریختن، همگن بماند باید بتن حالت خمیری داشته باشد. اگرچه بتنی که حالت خمیری دارد برای بیشتر کارهای بتنی مناسب است، لیکن برای روان­تر کردن بتن در بتن­ریزی اعضای نازک یا اعضای پرآماتور می­توان از مواد افزودنی فوق­روان­کننده استفاده کرد.

اختلاط

پنج ماده اصلی تشکیل دهنده بتن به صورت جداگانه، سیمان، آب، هوا، سنگدانه ریز و سنگدانه درشت هستند. برای اطمینان از این­که در ضمن ترکیب این مواد  مخلوطی همگن تولید شود، باید دقت و سعی کافی به عمل آید. ترتیب ریختن این مواد به داخل مخلوط­کن، نقش مهمی در یکنواختی محصول نهایی دارد. با همه این­ها، با تغییر ریختن مواد، هکچنان می­توان بتن خوبی تولید کرد. بر حسب چگونگی ترتیب ریختن مواد در مخلوط­کن، باید زمان افزودن آب، تعداد کل چرخش دیگ مخلوط­کن؛ و سرعت چرخیدن آن تنظیم شود. اندازه هر پیمانه نسبت به اندازه دیگ مخلوط­کن؛ فاصله زمانی بین پیمانه کردن و اختلاط؛ و طراحی، شکل­بندی، و شرایط دیگ و تیغه­های مخلوط­کن از عوامل مهم در اختلاط به شمار می­­آیند. مخلوط­کن­های مناسب که به درستی راه­اندازی و نگهداری می­شوند آن­هایی هستند که در حین مخلوط کردن بتن، مصالح هر پیمانه را به کمک غلتاندن، بر روی هم خواباندن، و مالیدن بر روی یکدیگر، از یک سر به سر دیگر منتقل کنند.

کارایی (کارپذیری)

سهولت در ریختن، متراکم کردن، و پرداخت کردن مخلوط بتن تازه را کارایی (کارپذیری) آن می­نامند. بتن باید کارپذیر باشد، اما نباید بیش از اندازه دستخوش آب­انداختگی یا جداشدگی باشد. آب­انداختگی بتن، عبارت است از حرکت آب به سمت سطح بتن تازه ریخته شده که در اثر نشست مواد جامد شامل سیمان، ماسه و شن در داخل توده بتن ایجاد می­شود. نشست ذرات جامد پیامد جمع آثار لرزاندن و وزن ذرات است.

آب­انداختگی بیش از اندازه، نسبت آب به سیمان را در نزدیکی سطح بالایی بتن افزایش می­دهد و لایه­ای ضعیف با پایایی (دوام) کم در سطح بالایی بتن به وجود می­آورد، مخصوصا اگر عملیات پرداخت زمانی انجام گیرد که آب ناشی از آب­انداختگی حضور داشته باشد. به سبب تمایل بتن تازه به جداشدگی دانه­ها و آب انداختگی، بهتر است بتن حتی­الامکان نزدیک به محل نهایی خود حمل و در آنجا ریخته شود. هوازایی در بتن ، کارایی آن را بهبود می­بخشد و از گرایش بتن به جداشدگی و آب ­انداختگی می­کاهد.

تراکم

لرزاندن، ذرات بتن تازه را به حرکت در می­آورد و اصطحکاک بین آن­ها را کم می­کند و به مخلوط خواص حرکتی یک سیال غلیظ را می­بخشد. تراکم به کمک لرزاندن، بهره­گیری از مخلوط سفت را میسر می­کند و بنابراین می­توان از نسبت بیش­تری درشت­دانه و نیز از نسبت کم­تری ریزدانه در ساخت مخلوط سود جست. هرچه حداکثر اندازه سنگدانه در بتن با دانه­بندی پیوسته بزرگ­تر باشد، حجم کم­تری برای پر شدن توسط خمیر سیمان باقی­می­ماند و از این­رو آب و سیمان کم­تری کافی مورد نیاز خواهد بود. با تراکم کافی می­توان علاوه بر مخلوط­های سفت از مخلوط­های زبرتر نیز استفاده مرد که این موضوع به بهبود کیفیت بتن و صرف­جویی اقتصادی در ساخت آن می­انجامد.

اگر مخلوط بتنی چندان کارا (کارپذی) باشد که بتوان آن را به راحتی با میله­کوبی دستی در محل متراکم کرد، استفاده از لرزاندن مزیتی ندارد. در چنین مخلوط­هایی، احتمال جدا شدن دانه­ها  هنگام لرزاندن وجود دارد. تنها زمانی­که از مخلوط­های سفت و زبرتر استفاده می­شود، می­توان کاملا از مزایای تراکم به کمک لرزاندن بهره گرفت.

لرزاندن مکانیکی برای متراکم کردن مخلوط­های سفت مزایای زیادی دارد. لرزاننده­های پرفرکانس، امکان ریختن بتن­هایی را فراهم می­آورند که متراکم کردن آن­ها با دست در بسیاری از شرایط، غیر عملی است. مخلوط بتن با روانی سفت (اسلامپ پایین) را می­توان در قالب­هایی که فاصله میلگردهای آن­ها به هم نزدیک است، به صورت مکانکی لرزاند و متراکم کرد. برای متراکم کردن با دست، باید از بتنی با روانی بسیار شل­تر استفاده شود.

آبگیری (هیدراسیون)، زمان گیرش، سخت شدن

خاصیت چسبندگی خمیر سیمان پرتلند ناشی از واکنش شیمیایی بین سیمان و آب است که به آن آبگیری سیمان می­گویند.

سیمان پرتلند ترکیب شیمیایی ساده­ای نیست بلکه آمیزه­ای از چندین ترکیب است. تری کلسیم سیلیکات،دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینوفریت چهار ترکیب شیمیایی­اند که 90 درصد وزن سیمان پرتلندر یا بیش­تر را تشکیل می­دهند. علاوه بر این ترکیبات اصلیف چندین ترکیب دیگر نیز در فرایند آبگیری آن نقش مهمی دارند. انواع گوناگون سیمان پرتلند دارای این چهار ترکیب اصلی به نسبت­های متفاوت­اند.

با بررسی کلینکر یا کلوخه (محصول کوره که برای تهیه سیمان پرتلند آسیاب می­شود) در زی میکروسکوپ می­توان بسیاری از ترکیبات جداگانه سیمان را تشخیص داد و مقدارشان را تعیین کرد. با همه این­ها ریزترین دانه­ها را نمی­توان تشخیص داد. قطر میانگین نمونه ذره سیمان تقریبا (m10) یا حدود یک­صدم میلی­متر است. اگر همه ذرات سیمان دارای قطر میانگین باشند، هر کیلوگرم سیمان پرتلند دارای حدود 300 میلیارد دانه خواهد بود، اما چون اندازه ذرات بسیار متفاوت است، درحقیقت حدود 1550 میلسارد دانه در هر کیلوگرم سیمان می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان یافت می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان پرتلند در حدود 400 متر مربع است.

دو ترکیب سیلیکات کلسیم تری کلسیم سیلیکات و دی کلسیم سیلیکات) که حدود 75 درصد وزن سیمان پرتلند را تشکیل می­دهند با آب واکنش برقرار می­کنند و دو ترکیب جدید کلسیم هیدروکسید و کلسیم سیلیکات هیدرات را تولید می­کنند. کلسیم سیلیکات هیدرات مهم­ترین ماده چسباننده در بتن به شمار می­آید. خواص مهندسی بتن مانند گیرش و سخت شدن، مقاومت، ثبات ایعادی و مانند این­ها، عمدتا به ژل کلسیم سیلیکات هیدرات بستگی دارند. درواقع این ماده قلب بتن است.

ترکیب شیمیایی کلسم سیلیکات هیدرات تا حدودی متغیر است، لیکن نسبت آهک (CaO) به سیلیکات (SiO₂) آن حدود 1.5 است. سطح کلسیم سیلیکات هیدرات در حدود 300 متر مربع بر گرم است. ذرات چندان ریزند که آن­ها را فقط می­توان با میکروسکوپ­های الکترونی دید. این ذرات در خمیر سیمان سخت شده، گروه­های به هم چسبیده متراکمی را در بین سایر اجزای بلوری شده و باقی­مانده دانه­های سیمان آب نگرفته (هیدرات نشده) تشکیل می­دهند. این ذرات به دانه­های ماسه و سنگدانه درشت نیز می­چسبند و اصولا همه چیزی را به هم می­چسبانند. تشکیل این ساختار سیمانی، همان خاصیت چسبانندگی خمیر سیمان است که عامل گیرش، سخت شدن و کسب مقاومت در سیمان را تشکیل می­دهد.

وقتی بتن خود را می­گیرد، حجم آن تقریبا بدون تغییر باقی­می­ماند؛ اما بتن سخت شده دارای حفره­هایی است که با آب­و­هوا پرشده­اند و مقاومتی ندارند. مقاومت خمیر سیمان مربوط به قسمت توپر آن است و عمدتا در کلسیم سیلیکات هیدرات و اجزای بلورین آن موجود است.

هرچه خمیر سیمان حفره­های کم­تری داشته باشد، بتن مقاوم­تر است. بنابراین، هنگام اختلاط بتن نباید آبی بیش­تر از آنچه که دقیقا برای خمیری شدن و کارا (کاراپذیر) کردن بتن لازم است، به کار برده شود. حتی مقدار آبی که در این حالت به کار می­رود، معمولا بیش­تر از آبی است که برای آبگیری(هیدراسیون) کامل سیمان پرتلند مورد نیاز است. حداقل نسبت وزنی آب به سیمان برای آبگیری کامل سیمان تقریبا 0.22 تا0.25 است.

گاهی آگاهی از مقدار گرمایی که در روند آبگیری سیمان آزاد می­شود، در برنامه­ریزی اجرایی سودمند است. در زمستان، گرمای آبگیری کمک می­کند تا بتن در برابر آسیب­های ناشی از یخبندان محافظت شود.بت همه این­ها، چنین گرمایی می­تواند در سازه­های حجیم مانند سدها زیانبار باشد، زیرا می­تواند به ایجاد تنش­های نامطلوبی در حین سرد شدن و و پس از سخت شدن بتن بیانجامد. سیمان پرتلند نوع 1، در خلال سه روز کمی بیش از نیمی از گرمای آبگیری خود را آزاد می­کند سیمان نوع 3، که سیمانی با مقاومت اولیه زیاد است، تقریبا همان درصد گرمای خود را در زمانی خیلی کوتاه­تر از سه روز آزاد می­کند. گرمای کل آزاد شده سیمان نوع 2 با گرمازایی متوسط، کم­تر از دو نوع دیگر است و برای رها کردن فقط نیمی از گرما­ی خود، به مدت زمانی بیش از سه روز نیاز دارد. از آنجا که گرمای آبگیری پایین از اهمیت زیادی برخوردار است، باید مصرف سیمان پرتلند نوع 4 که سیمانی با گرمای آبگیری پایین است، در نظر گرفته شود.

آگاهی از میزان واکنش بین سیمان و آب اهمیت دارد زیرا این میزان، مشخص کننده زمان گیرش و سخت شدن سیمان است. واکنش اولیه باید به اندازه کافی آهسته صورت گیرد تا زمان لازم را برای حمل و ریختن بتن فراهم آورد. با همه این­ها، پس از ریختن و پرداخت کردن بتن، سخت شدن سریع آن مورد نظر است. گچی که هنگام آسیاب کردن کلینکر سیمان به آن اضافه می­شود، به عنوان تنظیم کننده میزان آبگیری اولیه سیمان پرتلند عمل می­کند. ریز آسیاب کردن، مواد افزودنی، مقدار آب اضافه شده، و دمای مصالح در هنگام اختلاط از سایر عواملی­اند که بر میزان آبگیری تاثیر می­گذارند.

بتن سخت شده

عمل آوری مرطوب

مادام که سیمان هیدرات نشده (آبگیری نشده) همچنان موجود باشد، افزایش مقاومت بتن نسبت به زمان ادامه می­یابد، مشروط بر این که بتن مرطوب باقی بماند یا رطوبت نسبی داخل بتن بیش از 80 درصد باشد و دمای بتن نیز مناسی و مطلوب باقی بماند. وقتی رطوبت نسبی داخل بتن به حدود 80 درصد کاهش یابد یا دمای بتن به زیر دمای یخبندان برسد، در این صورت هیدراسیون و افزایش مقاومت عملا متوقف می­شوند.

هرگاه بتن پس از یک دوره خشک شدن دوباره اشباع (مرطوب) شود، هیدراسیون بار دیگر آغاز می­شود و مقاومت نیز همچنان افزایش خواهد یافت. با همه این­ها، بهتر است عمل­آوری مرطوب بتن از زمانی که ریخته می­شود تا زمانی که به کیفیت مطلوب می­رسد پیوسته ادامه یابد، زیرا اشباع مجدد بتن دشوار است.

آهنگ خشک شدن بتن

سخت شدن یا عمل­آوری بتن از طریق خشک شدن صورت نمی­گیرد. بتن (یا به عبارت دقیق­تر سیمان در بتن) برای هیدراسیون و سخت شدن به رطوبت نیاز دارد. خشک شدن بتن قط به نحوی غیرمستقیم به هیدراسیون و سخت شدن بستگی دارد. وقتی بتن خشک می­شود، روند کسب مقاومت آن هم متوقف خواهد شد، و درواقع خشک شدن بتن نمایانگر هیدراسیون کافی آن برای دستیابی به خواص فیزیکی مورد نظر نیست.

آگاهی بر میزان خشک شدن، در فهم خصوصیات یا شرایط فیزیکی بتن سودمند است. مثلا همچنانکه گفته شد برای این­که سیمان هیدرات شود، باید بتن در طول دوره عمل اوری در رطوبت کافی نگه داری شود. بتن تازه ریخته شده مقدار فراوانی آب دارد، اما همچنان که خشک شدن از سطوح به طرف داخل پیش می­رود، روند رشد مقاومت در هر عمقی فقط تا زمانی ادامه می­یابد که رطوبت نسبی آن نقطه بالای 80 درصد باشد.

مثالی متداول در این خصوص، عبارت است از سطح یک کف بتنی که عمل­آوری مرطوب مناسبی نداشته باشد. چون کف به سرعت خشک می­شود، بتن در سطح آن ضعیف شده و رفت­و­آمد روی آن ایجاد پودرشدگی می­کند. وقتی بتن خشک می­شود درست مانند چوب، کاغذ، و خاک رس (البته نه به آن شدت) جمع می­شود. جمع شدگی ناشی از خشک شدن، از دلایل اصلی ایجاد ترک است و پهنای این نوع ترک­ها تابعی از میزان خشک­شدگی است.

درحالی­که سطح بتن نسبتا به سرعت خشک می­شود، لیکن برای خشک شدن بتن داخلی زمان بسیار درازتری لازم است. میزان خشک شدن طبیعی و مصنوعی را برای یک دیوار یا یک دال بتنی به ضخامت 150mm (16in) که از دو طرف خشک می­شود را در نظر بگیرید، پس از گذشت 114 روز از خشک شدن طبیعی، هنوز بتن در بخش داخلی دیوار یا دال مرطوب است و مدت زمان 850 روز لازم است تا رطوبت نسبی در مرکز آن تا 50 درصد کاهش یابد.

مقدار رطوبت اعضای نازک بتنی که برای مدت چندین ماه در محیط با رطوبت نسبی 50% تل 90% خشک شده­اند، بسته به مواد متشکله بتن، مقدار آب اولیه بتن، شرایط خشک شدن، و اندازه عضو بتنی، حدود 1% تا 2% وزن بتن است.

ابعاد (اندازه) و شکل یک عضو بتنی آثار چشمگیری بر میزان خشک شدن دارند. اعضای بتنی با نسبت سطح به حجم زیاد(مانند دال­های کف) سریع­تر از حجم­های بزرگ بتنی با سطح کم (مانند پایه پل­ها) خشک می­شوند. بسیاری از خواص دیگی بتن سخت شده نیز تحت تاثیر مقدار رطوبت آن قرار می­گیرند که از آن میان می­توان الاستیته (کشسانی)، خزش، مقدار عایق­بندی، مقاومت در برابر آتش­سوزی، مقاومت در برابر سایش، رسانایی الکتریکی، و پایایی (دوام) را نام برد.

مقاومت

مقاومت فشاری را می­توان به عنوان حداکثر مقاومت اندازه­گیری شده آزمونه بتن یا ملات در برابر بارگذاری محوری تعریف کرد.

مقاومت فشاری معمولا بر حسب مگاپاسکال (نیوتون بر میلی­متر مربع، MPa) یا کیلوگرم بر سانتی­متر مربع (kg/cm²) در سن 28 روزه بیان می­شود، و آن را با f’_c نشان می­دهند. آزمایش تعیین مقاومت فشاری روی آزمونه­های بتن یا ملات انجام می­گیرد. مثلا، در آمریکا آزمایش تعیین مقاومت فشاری ملات بر روی آزمونه­های مکعبی 5x5x5cm انجام می­گیرد، درحالی­که مقاومت فشاری بتن به کمک آزمایش آزمون های استوانه­ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm تعیین می­شود.

مقاومت فشاری بتن یکی از خواص اصلی بتن است که در محاسبات طراحی مربوط به پل­ها، ساختمان­ها، و سایر سازه­ها، غالبا مورد استفاده قرار می­گیرد. بتن­هایی که معمولا بیشتر به کار می­روند دارای مقاومت فشاری بین 21MPa و 35MPa هستند. بتن­های پرمقاومت، دست کم دارای مقاومت فشاری 42MPa هستند. در عملیات ساختمانی از بتن­هایی با مقاومت فشاری 140MPa استفاده شده­است.

در طراحی روسازی­ها و سایر دال­های روی زمین، عموما از مقاومت خمشی بتن استفاده می­شود. درصورتی که برای مصالح مورد استفاده و اندازه عضو مورد نظر، یک رابطه تجربی بین مقاومت فشاری و مقاومت خمشی برقرار شده­باشد، می­توان مقاومت فشاری را به عنوان شاخصی از مقاومت خمشی به کار برد. مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی بتن با وزن معمولی، اغلب 0.62 تا 0.84 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) تخمین زده می­شود.

مقاومت کششی بتن حدود 8 تا 12 درصد مقاومت فشاری آن است و غالبا 0.42 تا 0.63 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) برآورد می­شود.

مقاومت پیچشی، بتن به مدول گسیختگی آن و ابعاد عضو بتنی بستگی دارد.

مقاومت برشی بتن بین 35% تا 80% مقاومت فشاری آن است. رابطه بین مقاومت فشاری و مقاومت­های خمشی، کششی، پیچشی، و برشی بتن به اجزای تشکیل دهنده بتن و شرایط محیطی بستگی دارد.

مدول ارتجاعی که با علامت E نشان داده می­شود، به صورت نسبت تنش عمودی به کرنش (تنجش) متناظر آن تعریف می­شود. مشروط بر این­که تنش عمودی(کششی یا فشاری) کم­تر از تنش حد ارتجاعی خطی ماده باشد. مدول ارتجاعی بتن با وزن معمولی بین 14000MPa تا 42000MPa تغییر می­کند و تقریبا 4770 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) است.

نسبت آب به سیمان و سن (یا عمر) بتن، یا میزان پیشرفت هیدراسیون (آبگیری) بتن از عوامل اصلی موثر بر مقاومت آن به شمار می­آیند. مقاومت­های فشاری را برای محدوده وسیعی از نسبت­های آب به سیمان در مراحل سنی مختلف مشاهده می­کنید. این آزمایش­ها بر روی آزمون ­های استوانه ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm انجام شده­اند. باید توجه داشت که مقاومت فشاری با افزایش سن بتن و با کاهش نسبت آب به سیمان، افزایش می­یابد.این عوامل بر مقاومت خمشی، مقاومت کششی و چسبندگی بین فولاد و بتن نیز تاثیر می­گذارند.

به ازای کارایی و مقدار مشخص سیمان، برای بتن هوازایی شده، آب اختلاط کم­تری از بتن هوازایی نشده نیاز دارد. امکان کم­تر بودن نسبت آب به سیمان برای بتن هوازایی شده، تا حدودی می­تواند کم­تر بودن مقاومت­های هوازایی شده را، به ویژه در مورد مخلوط­های با مقدار سیمان کم­ تا متوسط، جبران کند.

وزن مخصوص

وزن مخصوص بتنی که عموما در روسازی­ها، ساختمان­ها، و سازه­های دیگر به کار می­رود، در حدود 2240 تا 2400 کیلوگرم بر متر مکعب است. وزن مخصوص (دانسیته) بتن متغیر است و به مقدار و دانسیته نسبی  سنگدانه­ها، مقدار هوای محبوس یا مقدار هوای عملا ایجاد شده، و مقادیر آب و سیمان، که در حقیقت تحت تاثیر بزرگ­ترین اندازه سنگدانه قرار دارند، بستگی دارد.

وزن مخصوص بتن مسلح ( ترکیب بتن معمولی و میلگرد) در طراحی سازه­های مسلح، عموما 2400 کیلوگرم بر متر مربع گرفته می­شود. وزن بتن خشک، برابر است با وزن بتن تازه منهای وزن آب تبخیر شده دآن. مقداری از آب اختلاط، در خلال فرایند آبگیری (هیدراسیون)، به طور شیمیایی با سیمان ترکیب می­شود و آن را به ژل سیمان تبدیل می­کند. مقداری از این آب نیز در حفره­ها و لوله­های موبین­گیر می­افتد و تحت شرایط معمولی تبخیر نمی­شود. مقدار آبی که در محیطی با رطوبت نسبی 50% تبخیر می­شود، حدود 2 تا 3 درصد وزن بتن است که به مقدار آب اولی بتن، مشخصه­های جذب آب سنگدانه­ها، و اندازه سازه بستگی دارد.

جدا از بتن معمولی، انواع بسیاری از بتن­های دیگر برای تامین نیاز­های گوناگون وجود دارند که می­توان از بتن­های سبک با وزن مخصوص 240 کیلوگرم بر متر مکعب که برای عایق بندی به کار می­روند،تا بتن سنگین با وزن مخصوصی در حدود 6400 کیلوگرم بر متر مکعب که برای وزنه­های تعادل یا محافظت در برابر تابش پرتوزا به کار می­روند، یاد کرد.

مبانی بتن

بتن اساسا آمیزه ­ای از دو جزء سنگدانه و خمیر است. خمیر، متشکل از سیمان پرتلند و آب، سنگدانه­ها (ماسه و شن،یا خرده سنگ­ها) را بر اثر واکنش شیمیایی سیمان و آب به هم می­چسباند و به صورت توده­ای سنگین در می­آورد.

سنگدانه­ها عموما به دو گروه سنگدانه­های ریز و درشت تقسیم می­شوند. سنگدانه­های ریز از ماسه طبیعی یا شکسته تشکیل شده­اند که اندازه بزرگ­ترین دانه آن  (9.5mm) است؛ سنگدانه­های درشت آن­هایی که اندازه­ی ذراتشان از دانه­ی باقی­مانده بر روی الک نمره 16( 1.16mm) شروع می­شود و اندازه­ی آن­ا تا “6 ( 150mm) تغییر می­کند. متداول­ترین اندازه بزرگ­ترین سنگدانه مورد استفاده  (19mm) یا   “1 (25mm) است.

خمیر از سیمان پرتلند،آب، و هوای محبوس یا هوایی که به­طور عمد در آن ایجاد شده باشد تشکیل می­شود. خمیر سیمان معمولا حدود 25 تا 40 درصد حجم کل بتن را در بر می­گیرد.حجم مطلق سیمان

معمولا بین 7 تا 15 درصد و حجم مطلق آب بین 14 تا 21 درصد است. مقدار هوا در بتن هوازایی شده بسته به اندازه بزرگ­ترین سنگدانه درشت می­تواند تا 8 درصد حجم بتن باشد.

از آنجا که سنگدانه­ها حدود 60 تا 75 درصد حجم کل بتن را تشکیل می­دهند، انتخاب آن­ها از اهمیت خاصی برخوردار است. سنگدانه ها باید از ذراتی با مقاومت کافی و با توانایی مناسب در برابر شرایط محیطی تشکیل شوند . برای استفاده مطلوب از خمیر سیمان و آب، سنگدانه­ها باید دانه­بندی پیوسته­­ای داشته باشند. فرض را بر این می­گیریم که از سنگدانه­های مناسبی استفاده می­شود،جز در جایی که خلاف آن تصریح شود.

کیفیت بتن تا حد زیادی به کیفیت خمیر سیمان بستگی دارد. در بتنی که به نحوه صحیحی ساخته شود، هر یک از سنگدانه ­ها کاملا با خمیر پوشانده می­شوند و تمامی فضاهای خالی بین سنگدانه­ها به طور کامل با خمیر پر می­شوند.

کیفیت بتن سخت شده، در مورد مجموعه خاصی از مصالح و شرایط عمل آوری، از طریق نسبت مقدار آب مصرفی به مقدار سیمان تعیین می­شود. برخی از مزایای ناشی از کاهش مقدار آب را در زیر برمی­شماریم:

-افزایش مقاومت فشاری و خمشی

-کاهش تراوایی، و در نتیجه افزایش قابلیت آب­بندی و کاهش جذب آب

-افزایش مقاومت در برابر عوامل اقلیمی و آب و هوایی

-پیوستگی بهتر، بین لایه های متوالی بتن، و بین آرماتور و بتن

-کاهش تغییرات حجمی در اثر تر و خشک شدن

-کاهش امکان تر ­خوردگی ناشی از جمع شدگی

هرچه آب کم­تری استفاده شود کیفیت بتن بهتر می­شود،به شرطی که بتوان به نحو صحیحی متراکم کرد. با مقادیر کم­تر آب اختلاط، مخلوط­های سفت­تری به دست می­آیند که با تراکم به صورت لرزاندن، می­توان مخلوط­های سفت­تر را مصرف کرد. برای بتنی با کیفیت معین، مخلوط­های سفت­تر با صرفه ترند. بنابراین ایجاد تراکم از طریق لرزاندن، کیفیت بتن را بهبود می­بخشد و آن را با صرفه می­کند.

خواص بتن تازه (خمیری) و سخت شده را می­توان با افزودن مواد افزودنی به بتن تغییر داد. مواد افزودنی در حین پیمانه کردن و غالبا به شکل مایع به بتن افزوده می­شوند. مواد افزودنی معمولا برای (1) تنظیم زمان گیرش یا سخت شدن؛ (2) کاهش آب اختلاط؛ (3) افزایش کارایی؛ (4) هوازایی عمدی؛ ()بهبود سایر خواص بتن به کار می­رود.

پس از تکمیل شدن مراحل تعیین نسبت اجزاء، پیمانه کردن، اختلاط، ریختن، تراکم، پرداخت، و عمل آوردن، که همه به طور صحیح انجام می­شوند، بتن سخت شده به یک مصالح ساختمکانی مقاوم، غیر قابل احتراق، پایا (با دوام)، مقاوم در برابر سایش، و عملا نفوذ­ناپذیر تبدیل می­شود که به نگهداری نیازی ندارد یا اگر هم نیاز داشته باشد، اندک است. بتن از این لحاظ که می­توان آن را برای مصرف در موارد تقریبا نا­محدودی به شکل­ها، رنگ­ها و بافت­های سطحی گوناگون درآورد، نیز یک ماده ساختمانی عالی به حساب می ­آید.

بتن تازه

بتنی که تازه مخلوط می­شود باید حالت خمیری یا نیمه­سیال داشته باشد، به گونه­ای که بتوان آن را با دست شکل داد. مخلوط بتنی را که خیلی تر باشد می­توان در قالب ریخت و شکل داد، اما چنین بتنی در حوزه تعریف بتن خمیری نمی­گنجد. بتن خمیری، بتنی شکل­پذیر است که قابلیت شکل­دهی و شکل­گیری آن مانند گل مجسمه­سازی باشد.

در هر مخلوط بتنی خمیری، سطح تمامی ذرات ماسه و دانه­های شن یا سنگ با دوغاب پوشانده می­شود و تمامی ذرات به صورت شناور در داخل یکدیگر قرار می­گیرند. اجزای تشکیل دهنده­ی یک مخلوط بتن خمیری در حین حمل­و­نقل از یکدیگر جدا نمی­شوند، و بتن پس از خشک شدن به مخلوطی همگن متشکل از تمامی اجزاء تبدیل می­شود. بتنی که حالت خمیری دارد، تکه­تکه نمی­شود، بلکه بدون این­که در آن جداشدگی پیش آید، به آرامی جریان می­یابد.

اسلامپ به عنوان معیاری برای روانی بتن به­کار می­رود. بتن با اسلامپ پایین از روانی سفت برخوردار است.

در عملیات اجرایی، برای سهولت بتن­ریزی، اعضای بتنی نازک و اعضای بتنی پرآماتور لازم است که مخلوط بتن کارایی کافی داشته باشد، البته هرگز منظور این نیست که بتن آبکی باشد. برای دستیابی به مقاومت مورد نظر، و برای آن­که مخلوط چه در هنگام حمل و چه در زمان ریختن، همگن بماند باید بتن حالت خمیری داشته باشد. اگرچه بتنی که حالت خمیری دارد برای بیشتر کارهای بتنی مناسب است، لیکن برای روان­تر کردن بتن در بتن­ریزی اعضای نازک یا اعضای پرآماتور می­توان از مواد افزودنی فوق­روان­کننده استفاده کرد.

اختلاط

پنج ماده اصلی تشکیل دهنده بتن به صورت جداگانه، سیمان، آب، هوا، سنگدانه ریز و سنگدانه درشت هستند. برای اطمینان از این­که در ضمن ترکیب این مواد  مخلوطی همگن تولید شود، باید دقت و سعی کافی به عمل آید. ترتیب ریختن این مواد به داخل مخلوط­کن، نقش مهمی در یکنواختی محصول نهایی دارد. با همه این­ها، با تغییر ریختن مواد، هکچنان می­توان بتن خوبی تولید کرد. بر حسب چگونگی ترتیب ریختن مواد در مخلوط­کن، باید زمان افزودن آب، تعداد کل چرخش دیگ مخلوط­کن؛ و سرعت چرخیدن آن تنظیم شود. اندازه هر پیمانه نسبت به اندازه دیگ مخلوط­کن؛ فاصله زمانی بین پیمانه کردن و اختلاط؛ و طراحی، شکل­بندی، و شرایط دیگ و تیغه­های مخلوط­کن از عوامل مهم در اختلاط به شمار می­­آیند. مخلوط­کن­های مناسب که به درستی راه­اندازی و نگهداری می­شوند آن­هایی هستند که در حین مخلوط کردن بتن، مصالح هر پیمانه را به کمک غلتاندن، بر روی هم خواباندن، و مالیدن بر روی یکدیگر، از یک سر به سر دیگر منتقل کنند.

کارایی (کارپذیری)

سهولت در ریختن، متراکم کردن، و پرداخت کردن مخلوط بتن تازه را کارایی (کارپذیری) آن می­نامند. بتن باید کارپذیر باشد، اما نباید بیش از اندازه دستخوش آب­انداختگی یا جداشدگی باشد. آب­انداختگی بتن، عبارت است از حرکت آب به سمت سطح بتن تازه ریخته شده که در اثر نشست مواد جامد شامل سیمان، ماسه و شن در داخل توده بتن ایجاد می­شود. نشست ذرات جامد پیامد جمع آثار لرزاندن و وزن ذرات است.

آب­انداختگی بیش از اندازه، نسبت آب به سیمان را در نزدیکی سطح بالایی بتن افزایش می­دهد و لایه­ای ضعیف با پایایی (دوام) کم در سطح بالایی بتن به وجود می­آورد، مخصوصا اگر عملیات پرداخت زمانی انجام گیرد که آب ناشی از آب­انداختگی حضور داشته باشد. به سبب تمایل بتن تازه به جداشدگی دانه­ها و آب انداختگی، بهتر است بتن حتی­الامکان نزدیک به محل نهایی خود حمل و در آنجا ریخته شود. هوازایی در بتن ، کارایی آن را بهبود می­بخشد و از گرایش بتن به جداشدگی و آب ­انداختگی می­کاهد.

تراکم

لرزاندن، ذرات بتن تازه را به حرکت در می­آورد و اصطحکاک بین آن­ها را کم می­کند و به مخلوط خواص حرکتی یک سیال غلیظ را می­بخشد. تراکم به کمک لرزاندن، بهره­گیری از مخلوط سفت را میسر می­کند و بنابراین می­توان از نسبت بیش­تری درشت­دانه و نیز از نسبت کم­تری ریزدانه در ساخت مخلوط سود جست. هرچه حداکثر اندازه سنگدانه در بتن با دانه­بندی پیوسته بزرگ­تر باشد، حجم کم­تری برای پر شدن توسط خمیر سیمان باقی­می­ماند و از این­رو آب و سیمان کم­تری کافی مورد نیاز خواهد بود. با تراکم کافی می­توان علاوه بر مخلوط­های سفت از مخلوط­های زبرتر نیز استفاده مرد که این موضوع به بهبود کیفیت بتن و صرف­جویی اقتصادی در ساخت آن می­انجامد.

اگر مخلوط بتنی چندان کارا (کارپذی) باشد که بتوان آن را به راحتی با میله­کوبی دستی در محل متراکم کرد، استفاده از لرزاندن مزیتی ندارد. در چنین مخلوط­هایی، احتمال جدا شدن دانه­ها  هنگام لرزاندن وجود دارد. تنها زمانی­که از مخلوط­های سفت و زبرتر استفاده می­شود، می­توان کاملا از مزایای تراکم به کمک لرزاندن بهره گرفت.

لرزاندن مکانیکی برای متراکم کردن مخلوط­های سفت مزایای زیادی دارد. لرزاننده­های پرفرکانس، امکان ریختن بتن­هایی را فراهم می­آورند که متراکم کردن آن­ها با دست در بسیاری از شرایط، غیر عملی است. مخلوط بتن با روانی سفت (اسلامپ پایین) را می­توان در قالب­هایی که فاصله میلگردهای آن­ها به هم نزدیک است، به صورت مکانکی لرزاند و متراکم کرد. برای متراکم کردن با دست، باید از بتنی با روانی بسیار شل­تر استفاده شود.

آبگیری (هیدراسیون)، زمان گیرش، سخت شدن

خاصیت چسبندگی خمیر سیمان پرتلند ناشی از واکنش شیمیایی بین سیمان و آب است که به آن آبگیری سیمان می­گویند.

سیمان پرتلند ترکیب شیمیایی ساده­ای نیست بلکه آمیزه­ای از چندین ترکیب است. تری کلسیم سیلیکات،دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینوفریت چهار ترکیب شیمیایی­اند که 90 درصد وزن سیمان پرتلندر یا بیش­تر را تشکیل می­دهند. علاوه بر این ترکیبات اصلیف چندین ترکیب دیگر نیز در فرایند آبگیری آن نقش مهمی دارند. انواع گوناگون سیمان پرتلند دارای این چهار ترکیب اصلی به نسبت­های متفاوت­اند.

با بررسی کلینکر یا کلوخه (محصول کوره که برای تهیه سیمان پرتلند آسیاب می­شود) در زی میکروسکوپ می­توان بسیاری از ترکیبات جداگانه سیمان را تشخیص داد و مقدارشان را تعیین کرد. با همه این­ها ریزترین دانه­ها را نمی­توان تشخیص داد. قطر میانگین نمونه ذره سیمان تقریبا (m10) یا حدود یک­صدم میلی­متر است. اگر همه ذرات سیمان دارای قطر میانگین باشند، هر کیلوگرم سیمان پرتلند دارای حدود 300 میلیارد دانه خواهد بود، اما چون اندازه ذرات بسیار متفاوت است، درحقیقت حدود 1550 میلسارد دانه در هر کیلوگرم سیمان می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان یافت می­شود. سطح ذرات موجود در یک کیلوگرم سیمان پرتلند در حدود 400 متر مربع است.

دو ترکیب سیلیکات کلسیم تری کلسیم سیلیکات و دی کلسیم سیلیکات) که حدود 75 درصد وزن سیمان پرتلند را تشکیل می­دهند با آب واکنش برقرار می­کنند و دو ترکیب جدید کلسیم هیدروکسید و کلسیم سیلیکات هیدرات را تولید می­کنند. کلسیم سیلیکات هیدرات مهم­ترین ماده چسباننده در بتن به شمار می­آید. خواص مهندسی بتن مانند گیرش و سخت شدن، مقاومت، ثبات ایعادی و مانند این­ها، عمدتا به ژل کلسیم سیلیکات هیدرات بستگی دارند. درواقع این ماده قلب بتن است.

ترکیب شیمیایی کلسم سیلیکات هیدرات تا حدودی متغیر است، لیکن نسبت آهک (CaO) به سیلیکات (SiO₂) آن حدود 1.5 است. سطح کلسیم سیلیکات هیدرات در حدود 300 متر مربع بر گرم است. ذرات چندان ریزند که آن­ها را فقط می­توان با میکروسکوپ­های الکترونی دید. این ذرات در خمیر سیمان سخت شده، گروه­های به هم چسبیده متراکمی را در بین سایر اجزای بلوری شده و باقی­مانده دانه­های سیمان آب نگرفته (هیدرات نشده) تشکیل می­دهند. این ذرات به دانه­های ماسه و سنگدانه درشت نیز می­چسبند و اصولا همه چیزی را به هم می­چسبانند. تشکیل این ساختار سیمانی، همان خاصیت چسبانندگی خمیر سیمان است که عامل گیرش، سخت شدن و کسب مقاومت در سیمان را تشکیل می­دهد.

وقتی بتن خود را می­گیرد، حجم آن تقریبا بدون تغییر باقی­می­ماند؛ اما بتن سخت شده دارای حفره­هایی است که با آب­و­هوا پرشده­اند و مقاومتی ندارند. مقاومت خمیر سیمان مربوط به قسمت توپر آن است و عمدتا در کلسیم سیلیکات هیدرات و اجزای بلورین آن موجود است.

هرچه خمیر سیمان حفره­های کم­تری داشته باشد، بتن مقاوم­تر است. بنابراین، هنگام اختلاط بتن نباید آبی بیش­تر از آنچه که دقیقا برای خمیری شدن و کارا (کاراپذیر) کردن بتن لازم است، به کار برده شود. حتی مقدار آبی که در این حالت به کار می­رود، معمولا بیش­تر از آبی است که برای آبگیری(هیدراسیون) کامل سیمان پرتلند مورد نیاز است. حداقل نسبت وزنی آب به سیمان برای آبگیری کامل سیمان تقریبا 0.22 تا0.25 است.

گاهی آگاهی از مقدار گرمایی که در روند آبگیری سیمان آزاد می­شود، در برنامه­ریزی اجرایی سودمند است. در زمستان، گرمای آبگیری کمک می­کند تا بتن در برابر آسیب­های ناشی از یخبندان محافظت شود.بت همه این­ها، چنین گرمایی می­تواند در سازه­های حجیم مانند سدها زیانبار باشد، زیرا می­تواند به ایجاد تنش­های نامطلوبی در حین سرد شدن و و پس از سخت شدن بتن بیانجامد. سیمان پرتلند نوع 1، در خلال سه روز کمی بیش از نیمی از گرمای آبگیری خود را آزاد می­کند سیمان نوع 3، که سیمانی با مقاومت اولیه زیاد است، تقریبا همان درصد گرمای خود را در زمانی خیلی کوتاه­تر از سه روز آزاد می­کند. گرمای کل آزاد شده سیمان نوع 2 با گرمازایی متوسط، کم­تر از دو نوع دیگر است و برای رها کردن فقط نیمی از گرما­ی خود، به مدت زمانی بیش از سه روز نیاز دارد. از آنجا که گرمای آبگیری پایین از اهمیت زیادی برخوردار است، باید مصرف سیمان پرتلند نوع 4 که سیمانی با گرمای آبگیری پایین است، در نظر گرفته شود.

آگاهی از میزان واکنش بین سیمان و آب اهمیت دارد زیرا این میزان، مشخص کننده زمان گیرش و سخت شدن سیمان است. واکنش اولیه باید به اندازه کافی آهسته صورت گیرد تا زمان لازم را برای حمل و ریختن بتن فراهم آورد. با همه این­ها، پس از ریختن و پرداخت کردن بتن، سخت شدن سریع آن مورد نظر است. گچی که هنگام آسیاب کردن کلینکر سیمان به آن اضافه می­شود، به عنوان تنظیم کننده میزان آبگیری اولیه سیمان پرتلند عمل می­کند. ریز آسیاب کردن، مواد افزودنی، مقدار آب اضافه شده، و دمای مصالح در هنگام اختلاط از سایر عواملی­اند که بر میزان آبگیری تاثیر می­گذارند.

بتن سخت شده

عمل آوری مرطوب

مادام که سیمان هیدرات نشده (آبگیری نشده) همچنان موجود باشد، افزایش مقاومت بتن نسبت به زمان ادامه می­یابد، مشروط بر این که بتن مرطوب باقی بماند یا رطوبت نسبی داخل بتن بیش از 80 درصد باشد و دمای بتن نیز مناسی و مطلوب باقی بماند. وقتی رطوبت نسبی داخل بتن به حدود 80 درصد کاهش یابد یا دمای بتن به زیر دمای یخبندان برسد، در این صورت هیدراسیون و افزایش مقاومت عملا متوقف می­شوند.

هرگاه بتن پس از یک دوره خشک شدن دوباره اشباع (مرطوب) شود، هیدراسیون بار دیگر آغاز می­شود و مقاومت نیز همچنان افزایش خواهد یافت. با همه این­ها، بهتر است عمل­آوری مرطوب بتن از زمانی که ریخته می­شود تا زمانی که به کیفیت مطلوب می­رسد پیوسته ادامه یابد، زیرا اشباع مجدد بتن دشوار است.

آهنگ خشک شدن بتن

سخت شدن یا عمل­آوری بتن از طریق خشک شدن صورت نمی­گیرد. بتن (یا به عبارت دقیق­تر سیمان در بتن) برای هیدراسیون و سخت شدن به رطوبت نیاز دارد. خشک شدن بتن قط به نحوی غیرمستقیم به هیدراسیون و سخت شدن بستگی دارد. وقتی بتن خشک می­شود، روند کسب مقاومت آن هم متوقف خواهد شد، و درواقع خشک شدن بتن نمایانگر هیدراسیون کافی آن برای دستیابی به خواص فیزیکی مورد نظر نیست.

آگاهی بر میزان خشک شدن، در فهم خصوصیات یا شرایط فیزیکی بتن سودمند است. مثلا همچنانکه گفته شد برای این­که سیمان هیدرات شود، باید بتن در طول دوره عمل اوری در رطوبت کافی نگه داری شود. بتن تازه ریخته شده مقدار فراوانی آب دارد، اما همچنان که خشک شدن از سطوح به طرف داخل پیش می­رود، روند رشد مقاومت در هر عمقی فقط تا زمانی ادامه می­یابد که رطوبت نسبی آن نقطه بالای 80 درصد باشد.

مثالی متداول در این خصوص، عبارت است از سطح یک کف بتنی که عمل­آوری مرطوب مناسبی نداشته باشد. چون کف به سرعت خشک می­شود، بتن در سطح آن ضعیف شده و رفت­و­آمد روی آن ایجاد پودرشدگی می­کند. وقتی بتن خشک می­شود درست مانند چوب، کاغذ، و خاک رس (البته نه به آن شدت) جمع می­شود. جمع شدگی ناشی از خشک شدن، از دلایل اصلی ایجاد ترک است و پهنای این نوع ترک­ها تابعی از میزان خشک­شدگی است.

درحالی­که سطح بتن نسبتا به سرعت خشک می­شود، لیکن برای خشک شدن بتن داخلی زمان بسیار درازتری لازم است. میزان خشک شدن طبیعی و مصنوعی را برای یک دیوار یا یک دال بتنی به ضخامت 150mm (16in) که از دو طرف خشک می­شود را در نظر بگیرید، پس از گذشت 114 روز از خشک شدن طبیعی، هنوز بتن در بخش داخلی دیوار یا دال مرطوب است و مدت زمان 850 روز لازم است تا رطوبت نسبی در مرکز آن تا 50 درصد کاهش یابد.

مقدار رطوبت اعضای نازک بتنی که برای مدت چندین ماه در محیط با رطوبت نسبی 50% تل 90% خشک شده­اند، بسته به مواد متشکله بتن، مقدار آب اولیه بتن، شرایط خشک شدن، و اندازه عضو بتنی، حدود 1% تا 2% وزن بتن است.

ابعاد (اندازه) و شکل یک عضو بتنی آثار چشمگیری بر میزان خشک شدن دارند. اعضای بتنی با نسبت سطح به حجم زیاد(مانند دال­های کف) سریع­تر از حجم­های بزرگ بتنی با سطح کم (مانند پایه پل­ها) خشک می­شوند. بسیاری از خواص دیگی بتن سخت شده نیز تحت تاثیر مقدار رطوبت آن قرار می­گیرند که از آن میان می­توان الاستیته (کشسانی)، خزش، مقدار عایق­بندی، مقاومت در برابر آتش­سوزی، مقاومت در برابر سایش، رسانایی الکتریکی، و پایایی (دوام) را نام برد.

مقاومت

مقاومت فشاری را می­توان به عنوان حداکثر مقاومت اندازه­گیری شده آزمونه بتن یا ملات در برابر بارگذاری محوری تعریف کرد.

مقاومت فشاری معمولا بر حسب مگاپاسکال (نیوتون بر میلی­متر مربع، MPa) یا کیلوگرم بر سانتی­متر مربع (kg/cm²) در سن 28 روزه بیان می­شود، و آن را با f’_c نشان می­دهند. آزمایش تعیین مقاومت فشاری روی آزمونه­های بتن یا ملات انجام می­گیرد. مثلا، در آمریکا آزمایش تعیین مقاومت فشاری ملات بر روی آزمونه­های مکعبی 5x5x5cm انجام می­گیرد، درحالی­که مقاومت فشاری بتن به کمک آزمایش آزمون های استوانه­ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm تعیین می­شود.

مقاومت فشاری بتن یکی از خواص اصلی بتن است که در محاسبات طراحی مربوط به پل­ها، ساختمان­ها، و سایر سازه­ها، غالبا مورد استفاده قرار می­گیرد. بتن­هایی که معمولا بیشتر به کار می­روند دارای مقاومت فشاری بین 21MPa و 35MPa هستند. بتن­های پرمقاومت، دست کم دارای مقاومت فشاری 42MPa هستند. در عملیات ساختمانی از بتن­هایی با مقاومت فشاری 140MPa استفاده شده­است.

در طراحی روسازی­ها و سایر دال­های روی زمین، عموما از مقاومت خمشی بتن استفاده می­شود. درصورتی که برای مصالح مورد استفاده و اندازه عضو مورد نظر، یک رابطه تجربی بین مقاومت فشاری و مقاومت خمشی برقرار شده­باشد، می­توان مقاومت فشاری را به عنوان شاخصی از مقاومت خمشی به کار برد. مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی بتن با وزن معمولی، اغلب 0.62 تا 0.84 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) تخمین زده می­شود.

مقاومت کششی بتن حدود 8 تا 12 درصد مقاومت فشاری آن است و غالبا 0.42 تا 0.63 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) برآورد می­شود.

مقاومت پیچشی، بتن به مدول گسیختگی آن و ابعاد عضو بتنی بستگی دارد.

مقاومت برشی بتن بین 35% تا 80% مقاومت فشاری آن است. رابطه بین مقاومت فشاری و مقاومت­های خمشی، کششی، پیچشی، و برشی بتن به اجزای تشکیل دهنده بتن و شرایط محیطی بستگی دارد.

مدول ارتجاعی که با علامت E نشان داده می­شود، به صورت نسبت تنش عمودی به کرنش (تنجش) متناظر آن تعریف می­شود. مشروط بر این­که تنش عمودی(کششی یا فشاری) کم­تر از تنش حد ارتجاعی خطی ماده باشد. مدول ارتجاعی بتن با وزن معمولی بین 14000MPa تا 42000MPa تغییر می­کند و تقریبا 4770 برابر جذر مقاومت فشاری (بر حسب مگاپاسکال) است.

نسبت آب به سیمان و سن (یا عمر) بتن، یا میزان پیشرفت هیدراسیون (آبگیری) بتن از عوامل اصلی موثر بر مقاومت آن به شمار می­آیند. مقاومت­های فشاری را برای محدوده وسیعی از نسبت­های آب به سیمان در مراحل سنی مختلف مشاهده می­کنید. این آزمایش­ها بر روی آزمون ­های استوانه ای به قطر 15cm و ارتفاع 30cm انجام شده­اند. باید توجه داشت که مقاومت فشاری با افزایش سن بتن و با کاهش نسبت آب به سیمان، افزایش می­یابد.این عوامل بر مقاومت خمشی، مقاومت کششی و چسبندگی بین فولاد و بتن نیز تاثیر می­گذارند.

به ازای کارایی و مقدار مشخص سیمان، برای بتن هوازایی شده، آب اختلاط کم­تری از بتن هوازایی نشده نیاز دارد. امکان کم­تر بودن نسبت آب به سیمان برای بتن هوازایی شده، تا حدودی می­تواند کم­تر بودن مقاومت­های هوازایی شده را، به ویژه در مورد مخلوط­های با مقدار سیمان کم­ تا متوسط، جبران کند.

وزن مخصوص

وزن مخصوص بتنی که عموما در روسازی­ها، ساختمان­ها، و سازه­های دیگر به کار می­رود، در حدود 2240 تا 2400 کیلوگرم بر متر مکعب است. وزن مخصوص (دانسیته) بتن متغیر است و به مقدار و دانسیته نسبی  سنگدانه­ها، مقدار هوای محبوس یا مقدار هوای عملا ایجاد شده، و مقادیر آب و سیمان، که در حقیقت تحت تاثیر بزرگ­ترین اندازه سنگدانه قرار دارند، بستگی دارد.

وزن مخصوص بتن مسلح ( ترکیب بتن معمولی و میلگرد) در طراحی سازه­های مسلح، عموما 2400 کیلوگرم بر متر مربع گرفته می­شود. وزن بتن خشک، برابر است با وزن بتن تازه منهای وزن آب تبخیر شده دآن. مقداری از آب اختلاط، در خلال فرایند آبگیری (هیدراسیون)، به طور شیمیایی با سیمان ترکیب می­شود و آن را به ژل سیمان تبدیل می­کند. مقداری از این آب نیز در حفره­ها و لوله­های موبین­گیر می­افتد و تحت شرایط معمولی تبخیر نمی­شود. مقدار آبی که در محیطی با رطوبت نسبی 50% تبخیر می­شود، حدود 2 تا 3 درصد وزن بتن است که به مقدار آب اولی بتن، مشخصه­های جذب آب سنگدانه­ها، و اندازه سازه بستگی دارد.

جدا از بتن معمولی، انواع بسیاری از بتن­های دیگر برای تامین نیاز­های گوناگون وجود دارند که می­توان از بتن­های سبک با وزن مخصوص 240 کیلوگرم بر متر مکعب که برای عایق بندی به کار می­روند،تا بتن سنگین با وزن مخصوصی در حدود 6400 کیلوگرم بر متر مکعب که برای وزنه­های تعادل یا محافظت در برابر تابش پرتوزا به کار می­روند، یاد کرد.