جهت احداث هر ساختمان مانند واحدهای مسکونی، ساختمان‌های اداری، مراکز آموزشی، سدهای خاکی و مخزنی، راه‌های گوناگون و تاسیسات دریایی و . . . عوامل گوناگون مورد مطالعه قرار می‌گیرند که نتیجه هر مطالعه، انتخاب پارامترهای ویژه‌ای در آن زمینه است. از جمله زمینه‌هایی که در هر عملیات ساختمانی باید بررسی شود، مصالح مصرفی آن پروژه است. بتن یکی از مصالحی است که با افزایش روز افزون استفاده از آن، باعث شده که آشنایی با روش تولید، خواص و کاربردهای آن از اهمیت خاصی برخوردار باشد.
بتن به عنوان یکی از مصالح ساختمانی
بتن پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی است. این ماده، معمولاً از مخلوط نمودن سیمان پرتلند، ماسه، سنگ شکسته و آب ساخته می‌شود. در سال 1992 میلادی تنها در آمریکا 63 میلیون تن سیمان پرتلند به 500 میلیون تن بتن تبدیل شده است که این خود پنج برابر مصرف فولاد، به صورت وزنی، در مدت مشابه بوده است. در اغلب کشورهای جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نیز فراتر رفته است. کل بتنی که در سال 91 میلادی در جهان مصرف شده است بالغ بر 3 بیلیون تن یعنی یک تن به ازای هر نفر در جهان تخمین زده می‌شود. تنها ماده ای را که بشر به این میزان مصرف می‌کند، آب است.
امروزه میزان مصرف بتن نسبت به 30 سال قبل تفاوت عمدهای ندارد. میزان مصرف امروز بتن در جهان بالغ بر 5/5 بیلیون تن در سال است.
بتن، چه از نظر مقاومت و چه از نظر طاقت، قابل مقایسه با فولاد نیست، اما چرا بتن پر مصرف‌ترین مصالح مهندسی است؟ دلایل متعددی را برای این امر می‌توان ذکر نمود. اولاً بتن مقاومت بالایی در مقابل آب دارد. بر خلاف چوب و فولاد معمولی، توانایی بتن برای مقاومت در مقابل آب و عدم ایجاد خرابی در آن، از آن مصالحی ایدهآل برای کنترل و ذخیره کردن و حمل و انتقال آب ساخته است. در واقع اولین کاربردهای بتن به عنوان مصالح ساختمانی برای ساخت پل¬های آبگذر و دیوارهای حائل در برابر آب، توسط رومی‌ها انجام گرفته است. امروزه استفاده از بتن در ساخت سدها، کانال¬ها، لولههای انتقال آب و مخازن ذخیره سازی، کاری عادی در اکثر کشورهای جهان می‌باشد. (اشکال 1 تا 4) دوام بتن در مقابل آب‌های مهاجم و خورنده موجب کاربرد وسیع آن در بسیاری از محیط‌های مهاجم صنعتی و طبیعی گشته است.
شکل 1 : پروژه خط لوله آریزونای مرکزی
بزرگ‌ترین سازه بتنی پیش ساخته مدوری که بشر تاکنون برای انتقال آب ساخته است، بخشی از پروژه آریزونای مرکزی می‌باشد. هزینه اجرای این پروژه، 2/1 میلیون دلار آمریکا است. این سیستم شامل 1560 قطعه لوله است که طول هر یک از آن‌ها 7/6 متر، قطر خارجی آن 5/7 متر (یعنی به اندازه ارتفاع یک ساختمان دو طبقه) ، قطر داخلی آن 4/6 متر و وزن آن 225 تن است.
شکل 2 : سد آیتایپو در برزیل
پروژه سد برقی آبی 12600 مگاواتی ایتایپو در برزیل، که شامل سه وزنی بتنی به ارتفاع 180 متر می‌باشد. تا سال 1982 حدود 12 نوع بتن، به حجم 5/12 میلیون متر مکعب، برای ساخت سد، پی سرریز، تونل¬ها و دالان¬ها و سایر اعضای بتنی نیروگاه مصرف شده است.
شکل 3 : کانال‌های آب رسانی در کالیفرنیا
در ساخت این کانال¬ها از بتن با عیار 225 کیلوگرم در متر مکعب سیمان و 42 کیلوگرم در متر مکعب پوزولان، با مقاومت 28 روزه 24 Mpa استفاده شده است.
شکل 4 : مخزن ذخیره آب در کالیفرنیا
مخزن بتنی پیش تنیده فوق یا گنجایش 132000 متر مکعب آب، به قطر 37 متر، ارتفاع 9 متر و ضخامت متوسط 300 میلی‌متر، در سال 1977 ساخته شده است.
شکل 5 : پایه‌های سکوی بتنی استخراج نفت در دریای شمال، نروژ
سکوی فوق بزرگ‌ترین سکوی بتنی جهان می‌باشد که در سال 1981 ساخته شده است. سطح پایه سکو حدود 18000 متر مربع است. این سکو دارای 24 مخزن ذخیره با گنجایش 2 میلیون بشکه می‌باشد.
در ساخت این سکو، از اعضای بتنی پیش تنیده استفاده شده است. بتن مصرفی از نوع بتن روان با عیار 380 کیلوگرم سیمان در متر مکعب، سنگدانه های با قطر حداکثر 20 میلی‌متر ، نسبت به آب به سیمان 42/0 و ماده فوق روان کننده برای تأمین اسلامپ 220 میلی‌متر بکار رفته است.
عموماً اجزای سازه‌هایی که در معرض رطوبت قرار دارند نظیر لوله‌ها، پی‌ها ، پایه‌‌ها، کف‌ها، تیرها، ستون‌ها، سقف‌ها، دیوارهای خارجی و روسازی‌ها با بتن مسلح ساخته می‌شوند. بتن مسلح، که در آن از فولاد و بتن استفاده می‌شود، طوری طراحی می‌شود که دو مصالح بتن و فولاد توأماً برای تحمل نیروهای وارد به قطعه مقاومت کنند. بتن پیش‌‌تنیده، که در آن با کشیدن کابل¬های پیش تنیدگی و آرماتورها در بتن فشاری اولیه ایجاد می‌کنند، برای تحمل تنش¬های کششی بیشتر در حین بارگذاری قطعات، طراحی شدهاند. این کار، ظرفیت قطعه را افزایش می‌دهد.
دومین دلیل کاربرد گسترده بتن، سهولت شکل دادن به آن برای ساخت اجزای مختلف سازه است(شکل 6). علت این امر خاصیت شکل پذیری بتن تازه است که به راحتی به درون قالب¬ها با شکل¬های مختلف ریخته می‌شود. پس از چند ساعت قالب باز شده و در جایی دیگر مصرف می‌شود و بتن به شکل خواسته شده و به صورت جسم سخت شده و مقاومی در می‌آید.
شکل 6 : استادیوم ورزشی در سان‌فرانسیسکو کالیفرنیا
استادیوم فوق با گنجایش 60000 نفر، از قطعات درجا و پیش ساخته بتن مسلح ، در سال 1958 ساخته شده است.
سومین دلیل محبوبیت بتن نزد مهندسان، سهولت دسترسی و ارزانی این مصالح در کار است. مصالح اصلی تشکیل دهنده بتن یعنی سیمان پرتلند و سنگدانه نسبتاً ارزان و به سهولت در اغلب نقاط جهان قابل تهیه است.
در مقایسه با اغلب مصالح ساختمانی، تولید بتن نیاز به انرژی اولیه کمتری دارد. علاوه بر این، مقادیر زیادی از مواد زائد صنعتی می‌توانند مجدداً به عنوان مواد سیمانی یا سنگدانه در ساخت بتن مصرف شوند. بنابراین در آینده با در نظر گرفتن صرفه جویی در انرژی در جهان، کاربرد بتن به عنوان یک مصالح ساختمانی می‌تواند بیشتر مد نظر قرار گیرد. به منظور آنکه بهتر بتوانیم بتن را به عنوان یک مصالح جهانی با کاربرد گسترده معرفی کنیم، باید بگوییم که نمی‌توان از چوب برای ساخت سد، از فولاد برای روسازی یا از آسفالت برای ساخت قاب‌های سازه‌ای استفاده نمود لیکن در همه موارد فوق و موارد بی‌شمار دیگری از بتن می‌توان استفاده نمود. حتی در مواردی که مصالح دیگری به عنوان قسمت اصلی ساختمان بکار می‌رود، بتن نیز با نسبت معینی، در قسمت‌های دیگر کاربرد خواهد داشت. بتن می‌تواند برای تحمل بار، محصور کردن فضاها، پوشش سطوح، و پر کردن حجم‌ها در عموم سازه‌ها به کار رود. انسان نیاز دارد که بتن را نسبت به سایر مصالح بیشتر بشناسد.
اجزای بتن نوین
در این بخش، تعریف بتن و مصالح تشکیل دهنده آن به صورت مختصر خواهد آمد، تعاریف زیر بر اساس استانداردهای 125CASTM و 116 ACI بیان شدهاند:
1) بتن: مادهای مرکب است که اساساً از یک ماده چسباننده، که دانه‌ها و ذرات سنگی در آن قرار می‌گیرند، تشکیل می‌شود. در بتن با سیمان هیدرولیکی، چسباننده از اختلاط سیمان هیدرولیکی با آب ساخته می‌شود.
2) سنگدانه‌ها: مواد دانه‌ای نظیر ماسه، شن، سنگ شکسته یا سرباره‌های کوره‌های آهن‌گدازی هستند که با سیمان و آب، بتن و ملات سیمانی را می‌سازند، درشت‌دانه‌ها به سنگدانه‌های بزرگ‌تر از 75/4 میلی‌متر(اندازه الک نمره 4) و ریزدانه‌ها به سنگدانه‌های کوچک‌تر از 75/4 میلی‌متر و بزرگ‌تر از 75 میکرون (اندازه الک نمره 200) اطلاق می‌شود. شن سنگدانه درشتی است که از یک منبع طبیعی بر اثر سایش سنگ‌های بزرگ یا تغییراتی که در سنگ‌های کنگلومرای ضعیف صورت می‌پذیرد، نتیجه می‌شود. ماسه، که اغلب به عنوان ریزدانه سنگی مصرف می‌شود، از یک منبع طبیعی و سایش سنگ‌های بزرگ‌تر و تغییرات ماسه سنگ‌های شکننده نتیجه می‌گردد. سنگ شکسته محصول خرد کردن صنعتی صخره‌ها و سنگ¬های بزرگ می‌باشد. سرباره کوره‌های آهن‌گدازی در حقیقت تفاله کوره‌های آهن‌گدازی است که از خرد کردن سرباره کوره، که در شرایط معمول محیطی سرد شده است، به دست می‌آید.
3) ملات به مخلوط ماسه، سیمان و آب گفته می‌شود. ملات در واقع بتن بدون سنگدانه درشت است. دوغاب اغلب مخلوطی از ماده چسباننده سیمانی و سنگدانه،(معمولاً سنگدانه ریز)، به همراه آب کافی است. استفاده از سنگدانه ریز، به منظور ریختن آسان در محل بدون خطر جدایی اجزاء می‌باشد، پاشیدن ملات یا بتن به سیستم حمل و پاشیدن به وسیله شلنگ و ابزار خاص بادی بر روی یک سطح، با سرعت زیاد، اطلاق می‌شود.
4) سیمان، ماده ریز و پودر شده‌ای است که به تنهایی خاصیت چسبانندگی ندارد لیکن بر اثر عمل هیدراتاسیون (واکنش‌های شیمیایی بین سیمان و آب) خاصیت چسبانندگی پیدا می‌کند. سیمان هیدرولیکی به سیمانی گفته می‌شود که در آن محصولات حاصل از واکنش‌ها، در یک محیط آبی،پایدار هستند. از متداول‌ترین سیمان‌های هیدرولیکی برای ساخت بتن سیمان پرتلند است که ماده اصلی تشکیل دهنده آن سیلیکات‌های کلسیم هستند، سیلیکات کلسیم هیدراته شده که بر اثر هیدراتاسیون سیمان تولید می‌شود، نقش اصلی چسبندگی را داشته و در محیط‌های آبی پایدار می‌باشد.
تعریف فوق از بتن به عنوان مخلوطی از سیمان هیدرولیکی، سنگدانه و آب ، شامل ماده چهارم یعنی مواد افزودنی که اغلب در بتن‌های نوین بکار می‌روند، نمی‌شود. مواد افزودنی موادی هستند که علاوه بر سنگدانه و سیمان و آب بلافاصله قبل یا حین ساختن بتن به آن افزوده می‌شوند، امروزه کاربرد مواد افزودنی، به علت خواصی که می‌توانند به بتن بدهند، بسیار وسیع گشته است. به عنوان مثال مواد افزودنی شیمیایی می‌توانند زمان گیرش و سخت شدن خمیر سیمان را اصلاح کنند. مواد کاهش دهنده آب در بتن تازه حالت خمیری مناسب‌تری را با کم کردن کشش سطحی آب موجود در آن ایجاد می‌کنند، مواد حباب هوازا، دوام بتن را در محیط‌های سرد افزایش می‌دهند و مواد مضاف معدنی نظیر پوزولان‌ها (مواد شامل سیلیس واکنش‌پذیر) خطر ترک‌های حرارتی در بتن‌های حجیم را کاهش می‌دهند. شرح کامل انواع افزودنی‌ها و ترکیبات و عملکرد آن‌ها در بتن، در فصل بعد خواهد آمد.
