تاریخچه بتن آرمه یا بتن مسلح

زندگی شهری که بشر در حال حاضر صاحب آن است مطمئنا بدون استفاده از چند ماده اولیه اساسی امکان پذیر نبوده است . کشف‌ها و ابداعاتی در طول زندگی بشر حاصل شده است که باعث شده امروز انسان بتواند ساختمان‌ها، خیابان‌ها، پل‌ها و … عظیمی را ایجاد کند که شاید احتمال ایجاد آنها هم چند صد سال پیش به ذهنش نمی‌رسیده است. یکی از مهمترین این مواد اولیه بتن است. بتنی که در دنیای امروز معمولا به تنهایی به کار نمی‌رود و توسط مواد دیگر تقویت می‌شود و به نام بتن آرمه یا بتن مسلح معرفی می‌گردد. در این مقاله نگاهی به تاریخچه پیشرفت بشر در به کارگیری و تهیه این ماده ارزشمند خواهیم انداخت.

اولین استفاده ها از بتن

بتن یک ماده مرکب است که از سنگدانه‌های درشتی تشکیل شده است. این سنگدانه‌ها توسط مخلوط سیال سیمان احاطه می‌شود. مخلوطی که با گذشت زمان سخت می‌شود و بتن را به جسمی سخت مانند یک تکه سنگ تبدیل می‌کند. استفاده‌های مختصر از بتن به هزاران سال پیش برمی گردد. مواد مشابه بتن از 6500 سال قبل از میلاد مسیح توسط بازرگانان نبطیان و همچنین بادیه نشینان آن مناطق به کار گرفته شده بود. نبطیان قومی عرب بودند که در مکان‌هایی مانند جنوب سوریه و شمال اردن زندگی می‌کردند و امپراطوری کوچکی را در این منطقه پایه گذاری کرده بودند. تا سال 700 قبل از میلاد مسیح، آنها مزایای استفاده از آهک هیدرولیکی (آهک هیدرولیکی یک عبارت عمومی برای اکسید کلسیم است که در اثر واکنش هیدراسیون که در واقع ترکیب با آب است سخت می‌شود.) و همچنین چندین ویژگی آن را که مشابه سیمان امروزی است را کشف کرده بودند. آنها کوره‌هایی ساخته بودند که ملات لازم برای ساخت خانه‌های با دیوارهای سنگی، کف پوش بتنی و مخازن زیرزمینی ضد آب را تهیه می‌کرد. مخازن زیرزمینی ساخته شده به صورت راز و مخفی نگه داشته می‌شدند و آنها یکی از دلایلی بودند که نبطیان توانستند در بیابان به راحتی زندگی و رشد کنند. بعضی از این بناها تا امروز همچنان باقی مانده‌اند. مصری‌ها انواعی از بتن را 5000 سال پیش به کار برده‌اند تا اهرام مصر را بسازند. آنها گل و کاه را برای ساختن آجر مخلوط می‌کردند و از گچ و آهک برای ساختن ملات استفاده می‌کردند. باستان شناسان در کاخ سلطنتی تایرینس (Tiryns) در یونان که تقریبا به 1200 تا 1400 سال قبل از میلاد مسیح برمی گردد، کف‌های بتنی را که از آهک و سنگ‌های ریز تشکیل شده بود یافتند. ملات آهک در یونان، جزیره کرت (جزیره بزرگی در جنوب یونان) و قبرس در 800 سال قبل از میلاد مسیح به کار می‌رفته است. قنات جروان (Jerwan Aqueduct) در آشور در سال 688 قبل از میلاد مسیح توسط بتن ضد آب ساخته شده است.

استفاده فراوان از بتن

اولین استفاده کنندگان در مقیاس بالای بتن در دنیا رومیان باستان بودند. در امپراطوری روم بتن به صورت گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گرفت. رومیان کشف کردند که افزودن خاکستری آتشفشانی به مخلوط بتن باعث می‌شود بتن در زیر آب نیز سخت شود. همچنین رومی‌ها کشف کردند که اضافه کردن موی اسب به مخلوط بتن باعث می‌شود که آن در زمان سخت شدن کمتر ترک بردارد. علاوه بر این کشف کردند که اضافه کردن خون به مخلوط بتن آن را در برابر سرما مقاوم‌تر می‌کند. با اضافه کردن خاکسترهای آتشفشانی بتن حاصل مقاومت بیشتری در مقابل ترک برداشتن پیدا کردند. رومی‌ها از 300 سال قبل از میلاد برای بیش از 700 سال به طور پیوسته از بتن استفاده کردند. در طول امپراطوری روم، بتن رومی (opus caementicium) از آهک زنده، پوزولانا (نوعی ماده آتشفشانی Pozzolana) و دانه‌های سنگ پا ساخته می‌شد. وجود بتن معماری رومیان را از محدودیت استفاده تنها از سنگ و آجر رها کرد و امکان اجرای طرح‌های انقلابی جدید هم به لحاظ پیچیدگی و هم به لحاظ ابعاد را به آنها داد. استفاده فراوان از بتن در سازه‌های رومیان باستان باعث شد که بعضی از این بناها هنوز هم باقی مانده باشند. از این جمله بناها می‌توان به حمام کاراکالا (Caracalla) در شهر روم اشاره کرد. همچنین بعضی پل‌ها و قنات‌ها مانند بنای فوق‌العاده پونت دی گارد (Pont du Gard) که روکشی بنایی بر روی هسته‌ای بتنی دارد از زمان رومیان باقی مانده است. گنبد پانتئون (Pantheon) نیز یکی از شاهکارهای معماری آن زمان است که همچنان مستحکم و پایدار باقی است. این گنبد برای بیش از هزار سال بزرگترین گنبد بتنی در دنیا است و با قطری حدود 44 متر بزرگترین سازه بتنی غیرمسلح پایدار تا امروز می‌باشد. پس از امپراطوری روم استفاده از آهک سوخته و پوزولانا تا حد زیادی کاهش یافت تا اینکه این روش در بین سال‌های 500 میلادی تا قرن چهارده میلادی به فراموشی سپرده شد.

رواج دوباره استفاده از بتن

از قرن چهاردهم میلادی تا هجده میلادی استفاده از سیمان به تدریج دوباره رواج پیدا کرد. کانال دو میدی (du Midi) در سال 1670 با استفاده از بتن ساخت. احتمالا بزرگترین استفاده مدرن از بتن در آن زمان ساخت برج اسمیتون (Smeaton’s Tower)، سومین فانوس دریایی ادیستون (Eddystone) در دوون (Devon) انگلستان. برای ساخت این بنا بین سال‌های 1756 تا 1759 مهندس بریتانیایی جان اسمیتون اولین کسی بود که از آهک هیدورلیکی در بتن استفاده کرد و از سنگریزه و آجر پودر شده به عنوان سنگدانه بهره برد. در سال 1824 جوزف آسپدین (Joseph Aspdin) بنا، سنگ تراش و تاجر انگلیسی، سیمان پرتلند مدرن را اختراع کرد. او به خاطر معدن سنگی که سنگ بسیار محکمی از آن استخراج می‌شد، سیمان خود را پرتلند نامگذاری کرد. در سال 1836 اولین آزمایش‌های مقاومت کششی و فشاری بر روی بتن در آلمان انجام شد. مقاومت کششی به توانایی بتن در مقابل نیروهای کششی گفته می‌شود. مقاومت فشاری به توانایی بتن در مقابل نیروهای فشرده کننده گفته می‌شود.

تولد بتن آرمه

در سال 1849 جوزف مونیر (Joseph Monier) یک باغبان فرانسوی، بتن آرمه یا بتن مسلح را اختراع کرد. بتن آرمه یک کامپوزیت یا ترکیب است که در آن مقاومت کششی و انعطاف‌پذیری به نسبت پایین بتن توسط اجزای تقویتی که مقاومت کششی و انعطاف پذیری بالایی دارند تقویت می‌شود. این تقویت معمولا و نه البته الزاما توسط میله‌های فولادی انجام می‌شد که قبل از این که بتن سخت شود در قالب‌های بتن قرار داده می‌شد. الگوهایی که میله‌های فولادی در قالب طبق آنها قرار داده می‌شدند به گونه‌ای بودند که در نقاطی که امکان ترک خوردگی یا شکستگی وجود داشت استحکام کششی لازم فراهم شود. پل دریاچه آلورد (Alvord) اولین پل بتن آرمه بود که در سانفرانسیسکو در سال 1889 ساخته شد. بعد از بیش از 100 سال که از ساخت این پل می‌گذرد و این پل بدون هیچ مشکلی همچنان پا بر جا است. در سال 1893، خیابان کورت (Court Avenue) یک خیابان کوچک در مرکز شهر بلفونتین (Bellefontaine) در اوهایوی آمریکا اولین خیابان در آمریکا بود که توسط بتن سنگفرش شد. اولین ساختمان بلند بتنی در سینسینیاتی اوهایو در سال 1903 ساخته شد. این ساختمان که ساختمان اینگالز (Ingalls) نام داشت 16 طبقه داشت و یکی از بزرگترین شاهکارهای مهندسی در زمان خود به حساب می‌آمد. در سال 1903 توماس ادیسون اولین خانه بتنی را طراحی کرد و آن را در یونیون (Union) نیوجرسی ساخت. این خانه هنوز پا بر جاست. ادیسون تصور می‌کرد که خانه او بسیار مورد توجه قرار می‌گیرد و به زودی در آمریکا تمام مردم علاقه به زندگی در یک خانه بتنی را خواهند داشت. اما در واقع این مساله به شکلی که او تصور می‌کرد پیش نرفت. اگرچه استفاده از بتن به سرعت در حال افزایش بود.

تسریع کاربری بتن

اولین بار مخلوط آماده بتن در شهر بالتیمور ایالت مریلند در سال 1913 به مشتری تحویل شد. این ایده که بتن می‌تواند در کارخانه مرکزی به شکل دلخواه مخلوط کرد و آن را به صورت آماده درآورد و سپس توسط کامیون مخصوص به مکان محل استفاده انتقال داد صنعت بتن را متحول کرد. در سال 1930 برای اولین بار در بتن از عوامل تولید کننده حباب هوا استفاده شد. این حباب‌های هوا باعث بالا رفتن استحکام بتن در زمان سخت شدن مخصوصا در وضعیت آب و هوایی می‌شوند که در آن وضعیت چرخه یخ زدگی و آب شدن روی سطح بتن زیاد شکل می‌گیرد. در سال 1936 ساخت سد هوور (Hoover) که سدی بتنی بر روی رودخانه کلرادو است به پایان رسید. این سد در مرز ایالات آریزونا و نودا قرار دارد. تا امروز این سد عظیم‌ترین پروژه تمام بتنی دنیا است که به پایان رسیده است. این سد 221 متر ارتفاع و 379 متر عرض دارد. ضخامت سد در بالای آن 14 متر و در پایه آن 200 متر است. این سد توانایی ذخیره حدود 2.5 میلیون مترمکعب آب را در پشت خود دارد. اولین سالن ورزشی گنبدی شکل در دنیا در دانشگاه ایلینویز آمریکا ساخته شد. این سالن که سالن اجتماعات (Assembly Hall) نام داشت در سال 1967 ساخته شد. این سالن ورزشی که به شکل یک استوانه بزرگ با گنبدی بر روی آن است 120 متر قطر و 38 متر ارتفاع دارد. در سال 1999 اولین کف بتنی صیقلی در ایالات متحده آمریکا در لاس وگاس در هتل بلاژیو (Bellagio) اجرا شد. این کف مساحتی حدود 40 هزار فوت مربع دارد که توسط کفی از بتن پولیش شده و صیقلی پوشانده شده است. بلندترین ساختمان بتن آرمه دنیا در سال 2009 در دوبی در امارات متحده عربی ساخته شد. این بنا که برج خلیفه (Burj Khalifa) نام دارد یک ساختمان 154 طبقه‌ای است و ارتفاع 829 متری دارد.

پیشرفت های نوین در صنعت بتن

صنعت بتن همچنان در حال پیشرفت است و سال به سال تکنولوژی‌های جدیدی به این ماده اولیه ساختمانی فوق‌العاده اضافه می‌شود. شاید یکی از مهمترین نوآوری‌هایی که به بتن اضافه شده است تولید بتن خودترمیم کن است. این نوع بتن شامل باکتری خاصی است که در زمانی که بتن ترک بر‌می‌دارد فعال می‌شود و آهک یا کلسیت (یک ماده معدنی کربن دار است که پایدارترین شکل کربنات کلسیم به حساب می‌آید Calcite) ایجاد می‌کند. این آهک و کلسیت ایجاد شده ترک‌ها را پوشانده استحکام را دوباره به بتن بر‌می‌گرداند. همچنین پرینترهای سه بعدی ساخته شده‌اند که می‌توانند اشکال دلخواه را توسط بتن ایجاد کنند. توسط این نوع پرینترها شکل‌های دلخواه تزئینی حتی مجسمه‌ها یا شکل‌های سه بعدی توسط بتن قابل تولید هستند.