همان طور که در یک چشم انداز زیبای جنگلی درخت عنصر اصلی سازنده آن است در یک چشم انداز شهری بتن ماده اولیه اصلی سازنده است. بتن آنقدر در اطراف انسانها مخصوصا آنهایی که در شهرها زندگی میکنند فراوان است که تبدیل به یک ماده پیشپاافتاده و بیاهمیت شده است در حالی که در درون این ماده خاکستری رنگ دنیایی از پیچیدگیها وجود دارد. در این مقاله میخواهیم با نگاهی عمیقتر به این ماده اولیه پراهمیت بپردازیم.
بتن یکی از پرکاربردترین و پراستفاده ترین مواد بر روی زمین است. بتن مادهای محکم، بادوام و غیرقابل حریق است که تقریبا نیاز به تعمیر و نگهداری ندارد. همچنین استفاده از آن بسیار ساده است و قابلیت شکلدهی به هر شکل و اندازهای را از فونداسیون یک آسمانخراش گرفته تا چند پله کوچک جلوی در یک خانه، دارد. البته تمام این ویژگیهای مثبت سودی نداشت اگر بتن ویژگی ارزانی را به همراه نداشت. نسبت به مواد اولیه مشابه بتن واقعا بسیار ارزان است و همه این خصوصیتها استفاده از این ماده را بسیار محبوب کرده است.
میزان استفاده از سیمان
سیمان مهمترین ماده ساخته شده به دست بشر است. انسانها از سیمان بیشتر از هر ماده دیگری به غیر از آب استفاده میکنند. هر سال به ازای هر انسان 500 کیلوگرم سیمان تولید میشود. این مقدار سیمان میتواند 2 مترمکعب بتن بسازد.
بتن یکی از پرکاربردترین و پراستفاده ترین مواد بر روی زمین است. بتن مادهای محکم، بادوام و غیرقابل حریق است که تقریبا نیاز به تعمیر و نگهداری ندارد. همچنین استفاده از آن بسیار ساده است و قابلیت شکلدهی به هر شکل و اندازهای را از فونداسیون یک آسمانخراش گرفته تا چند پله کوچک جلوی در یک خانه، دارد. البته تمام این ویژگیهای مثبت سودی نداشت اگر بتن ویژگی ارزانی را به همراه نداشت. نسبت به مواد اولیه مشابه بتن واقعا بسیار ارزان است و همه این خصوصیتها استفاده از این ماده را بسیار محبوب کرده است.
تاریخچه سیمان
ماده اصلی سازنده اولین سیمان به کار گرفته شده توسط بشر سنگ آهک (Limestone) است که کربنات کلسیم (CaCO3) میباشد (البته سیمانهای فعلی نیز ماده اصلی سنگ آهک است اما سیمان فعلی به لحاظ اجزاء دیگر و فرآیند تولید متفاوت است). وقتی که سنگ آهک هزاران درجه گرما میبیند گاز دی اکسید کربن (CO2) از آن خارج میشود و آهک زنده (Quicklime) یا اکسید کلسیم (CaO) باقی میماند (معادله 1). اگر CaO را پودر کنیم و آن را با آب مخلوط کنیم هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) به دست می آید (معادله 2). هیدروکسید کلسیم به دست آمده را میتوان در یک قالب ریخت. هیدروکسید کلسیم در طی زمان از هوا CO2 جذب میکند و طبق واکنش زیر دوباره به کربنات کلسیم تبدیل شده و آب آن بخار میشود (معادله 3).
فرآیند گفته شده در بالا فرآیندی است که اولین سیمان به کار رفته توسط بشر طی میکرد. استفاده از این سیمان طبق این فرآیند دو اشکال دارد. اول این که قالب نمیتواند خیلی بزرگ باشد چون CO2 نمیتواند به درون قالب بزرگ نفوذ کند و در نتیجه هیدروکسید کلسیم در قسمتهای مرکزی قالب نمیتوانند سخت شوند. دوم این که هیدروکسیدکلسیم در زیر آب که عملا CO2ای وجود ندارد نمیتواند سخت شود. در حالی که در بسیاری از کاربردها نیاز به استفاده از سیمان در زیر آب وجود داشت.
رومیان قدیم برای حل این مشکلات راه حلی را یافتند که توسط آن توانستند بناهای بتنی بسیار بادوام تری را بسازند. آنها یک نوع خاکستر آتشفشانی به نام پازولانا (Pozzolana) را به سنگ آهک پودر شده قبل از این که حرارت داده شود اضافه میکردند. آنها فهمیدند که این نوع سیمان بسیار محکمتر و بادوامتر است. آنها از این سیمان برای ساخت بزرگترین گنبد بتنی غیرتقویت شده جهان استفاده کردند. گنبد پنتیان (Pantheon) واقع در شهر رم که 2000 سال است که پا بر جاست. آنها همچنین پایههای بتونی در آب ساخته اند که در زیر آب فرآیند سخت شدن را طی کرده اند. بعضی از این پایههای بتونی تا حال حاضر نیز باقی مانده اند. اما اضافه کردن پازولانا چگونه میتوانست استحکام سیمان را این قدر افزایش دهد و چگونه بتن رومیان میتوانست در زیر آب روند سخت شدن خود را طی کند؟ سیمان به کار رفته در تکههای بزرگ بتنی در زیر آب چگونه میتوانستند CO2 لازم را به دست آورند؟
اینها سوالاتی بودند که با پیشرفت علم پاسخ داده شد، گرچه بعضی هنوز هم عقیده دارند فرمول بتن رومیان چیزی پیشرفتهتر از فرمول ساخت بتن در دنیای مدرن امروز بوده است. برای قرنها فرمول ساخت سیمان رومیان ناشناخته باقی مانده بود. تا این که در قرن 15 میلادی در یک کتاب در یک صومعه سوییسی فرمول ساخت این سیمان کشف شد. از آن زمان به بعد، معماران، مهندسان و دانشمندان با اضافه کردن درصدهای مختلفی از مواد گوناگون در حال تجربه کردن فرمولهای مختلف برای یافتن بهترین فرمول ساخت سیمان هستند.
تقریبا 2000 سال بعد انسان متوجه شد که اضافه کردن خاک رس یا سفال به سنگ آهک قبل از پودر شدن و گرما دادن دقیقا مانند پازولانا عمل میکند و خصوصیت مشابهی در سیمان به وجود میآورد. ایجاد این خصوصیت برای سیمان به واسطه وجود سیلیکا (یا دی اکسید سیلیسیوم SiO2) در این مواد است. سیلیکا به طور کلی خصوصیات شیمیایی سیمان را تغییر میدهد و سیمان دیگر برای سخت شدن نیاز به خشک شدن ندارد. در واقع در این حالت نیازی به بخار شدن آب نمیباشد. آب جزئی از فرآیند سخت شدن سیمان و جزئی از سیمان سخت شده است. در این حالت حتی وقتی سیمان در زیر آب سخت میشود به حداکثر استحکام ممکن خود میرسد
سیمان و بتونی که امروزه به کار می رود
امروزه در تمام بتن هایی که ساخته میشود از سیمانی استفاده میشوند که فرمول ساخت آن در دهه 1840 تا 1850 به دست آمده است. به این نوع سیمان، سیمان پرتلند (Portland) میگویند. نام این سیمان تنها یک نام تجاری است و ربطی به فرمول ساخت آن ندارد. سازندگان این نوع سیمان ادعا میکردند که رنگ خاکستری این نوع سیمان شبیه رنگ سنگهای معدنی است که در نزدیکی شهر پرتلند انگلستان استخراج میشود.
سیمان پرتلند با خرد کردن سنگ آهک و مخلوط کردن آن با درصد مشخص سفال یا خاک رس که فراهم کننده سیلیکا هستند تولید میشود. این مخلوط با دستگاههای خاص به صورت پودر در میآید و درون محفظهای تا دماهای بالا حرارت داده میشود. حاصل این فرآیند تکههای سنگ مانندی است که بسیار سخت هستند و به آن کلینکر (clinker) گفته میشود (شکل مقابل). در این که سازندگان سیمان در قدیم به صورت تصادفی با حرارت دادن بیش از اندازه مخلوط سنگ آهک و سفال یا خاک رس کلینکر تولید کرده باشند جای شک و شبهه وجود دارد. چرا که این کلینکرها بسیار سخت هستند و پودر کردن آنها بسیار مشکل است. به همین خاطر محتمل دانسته میشود که سازندگان قدیمی حتی اگر توانسته باشند این کلینکرها را تولید کنند آنها را به عنوان مواد زائد یا هدر رفته در نظر میگرفتند و آنها را دور میریختند. اما اگر این کلینکرها را پودر کنیم، سیمان به دست آمده دارای کیفیت بسیار بالاتری نسبت به هر نوع فرمول دیگری است که تا به حال کشف شده است. به همین دلیل این فرمولی است که امروزه برای تولید سیمان به کار میرود.
روند تولید بتن
برای ساخت بتن غیر از سیمان اجزاء دیگر مورد نیاز شن و ماسه است. شن و ماسه از معادن به دست میآیند. توسط انفجار سنگ هایی که در نهایت تبدیل به شن و ماسه میشوند از معادن جدا میشوند. سپس برای پیدا کردن سایزهای مختلف این سنگها آسیاب میگردند. دقت بسیاری در مورد اندازه شن و ماسهای که در تهیه بتن به کار میرود نیاز است چرا که اندازه آنها تاثیر بسیاری بر روی استحکام بتن به دست آمده میگذارد. هر چه ذرات شن و ماسه کرویتر باشند ساخت بتن برای اجراکنندگان سادهتر است. این سادگی به این خاطر است که فرآیند تهیه مخلوط بتن و همچنین عمل بتن ریزی راحتتر انجام میشود. لذا اجراکنندگان به شن و ماسه با ذرات کروی بیشتر علاقه مندند. سازندگان ساختمانهای مرتفع نیاز به بتن ریزی در ارتفاع زیاد دارند. به همین دلیل آنها علاقه دارند که وزن مخلوط بتن ساخته شده در عین استحکام، حدالمقدور سبکتر باشد تا بتوانند این مخلوط در به ارتفاع بالاتر پمپاژ کنند. به همین دلیل برای این مقصود شن و ماسه سبکتر نیز تولید میشود. به عنوان مقایسه، هر مترمکعب بتن معمولی وزنی حدود 2.4 تن دارد در حالی که بتن ساخته شده با یک نوع شن و ماسه سبک وزنی حدود 1.76 تن در هر مترمکعب دارد.
شن و ماسه استخراج شده از معدن توسط نوارهای نقاله قدرتمند و بلند به درون مخازن بزرگ ذخیره سازی شن و ماسه انتقال داده میشوند. این شن و ماسه به درون محفظههای بزرگی که ته آنها قیف مانند است (هاپر hopper) انتقال پیدا میکنند. این محفظهها دارای ورودیهای دیگر برای اجزای دیگر تشکیل دهنده بتن نیز هستند. از طریق این محفظهها میتوان نسبت مطلوب برای بتن خواسته شده را فراهم کرد. درصد مشخصی از نوع شن و ماسه مطلوب و سیمان و آب (و احیانا افزودنیهای دیگر) توسط این محفظهها داخل میکسرهای تولید بتن ریخته میشود. در کارگاههای ساختمانی پیشرفته تمام این فرآیند مخلوط سازی و میزان درصد و وزن مطلوب از هر کدام از این مواد اولیه به صورت اتوماتیک توسط ماشینهای خاص انجام میشود. پس از تنظیمات لازم مطابق با درصد مواد اولیه مناسب کامیونهای میکسر تولید بتن به زیر این محفظهها میآیند و اجزاء تشکیل دهنده بتن در آنها ریخته میشود.
به طور معمول حدود 4 ساعت طول میکشد بتنی که ثابت نگه داشته شده است سخت گردد. در صورت حرکت دادن بتن این عمل صورت نمیگیرد. به همین دلیل است که همواره مشاهده میشود کامیونهای میکسر بتن در زمان انتقال مخلوط بتن به محل استفاده از آن محفظه خود را در حال گردش نگاه میدارند. اگر به هر دلیل کامیون انتقال مخلوط بتن دچار مشکل شود برای جلوگیری از سخت شدن بتن میتوان از اضافه کردن مواد جانبی خاص استفاده کرد. به طور مثال اضافه کردن نوشابه به بتن سخت شدن آن را به تاخیر میاندازد. شکر موجود در نوشابه میتواند چند ساعت سخت شدن بتن را به تعویق بیندازد. به همین دلیل بعضی از رانندگان میکسر با خود بطری نوشابه دارند که در صورت نیاز از آن استفاده کنند.
تست بتن
بتن قبل از استفاده به چند لحاظ مورد تست و بررسی قرار میگیرد. هر چه مقیاس استفاده از بتن بزرگتر باشد و اهمیت سازه بیشتر باشد تعداد و انواع این تستها بیشتر است. هر کدام از این تستها معمولا یک ویژگی بتن را بررسی میکنند. در اینجا دو نوع تست مهم برای بتن را بیان میکنیم.
تست استحکام
میزان درصد استفاده و نوع مواد اولیه بتن در استحکام آن نقش مهمی دارد. سیمان در مخلوط بتنی مانند چسبی است که شن و ماسه را به هم متصل میکند. به همین دلیل شاید تصور شود که اگر در مخلوط سیمان میزان سیمان را افزایش دهیم بتن محکم تری خواهیم داشت. اما خواهیم دید که این مسأله الزاما صحیح نیست. در تست استحکام بتن از مخلوط ساخته شده استوانه هایی با اندازه مشخص قالب گیری میشود و پس از سخت شدن، استوانه بتنی توسط پرس هیدرولیک تحت فشار قرار میگیرد. پرس هیدرولیک آرام آرام فشار را بالا میبرد تا جایی که بتن دوام نیاورده و خرد شود (واقعیت این است که در سازههای با کاربرد مختلف بتنهای باید ویژگیهای متفاوتی داشته باشند و تست استحکام آنها نیز بسیار پیچیدهتر از روند ساده گفته شده است. اما در اینجا ما تنها به کلیت مسأله اشاره میکنیم). پرس هیدرولیک فشار درست قبل از خرد شدن استوانه بتنی که حداکثر فشار قابل تحمل آن است را ضبط میکند. اگر استحکام سه نمونه استوانه هم اندازه ساخته شده از سیمان خالص، سیمان و ماسه و سیمان همراه شن و ماسه را با هم مقایسه کنیم خواهیم دید که استحکام استوانه کاملا سیمانی از دو استوانه دیگر نه تنها بیشتر نیست بلکه کمی کمتر نیز میباشد. در نتیجه افزودن سیمان به مخلوط بتن الزاما آن بتن را سختتر نمیکند. سیمان گران ترین جزء سازنده بتن است. در نتیجه اگر بتوان با سیمان کمتری مثلا تنها 30 درصد کل مخلوط بتنی با همان استحکام به دست آورد بسیار مطلوب است. در زمان تست فشار مشاهده میشود که استوانه کاملا سیمانی نسبت به استوانه دارای شن و ماسه در زمان تحت فشار قرار گرفتن خیلی بیشتر ترک برداشته و تکههای بیشتری از آن جدا میشود. در نتیجه به نظر میآید اضافه کردن شن و ماسه علاوه بر افزایش استحکام به بتن انسجام و یکپارچگی بیشتری میدهد. استحکام بتن در طول زمان بیشتر میشود به همین دلیل تستهای فشار در بازههای متفاوت انجام میشود. به طور مثال استوانههای ساخته شده در 7، 14 و 21 روز پس از سخت شدن اولیه مورد آزمایش قرار میگیرند.
تست گران روی
قبل از این که بتن ساخته شده به محل استفاده خود اعزام شود باید اطمینان حاصل میشود که این بتن، از لحاظ گران روی برای کاربرد مورد نظر مناسب است. گران روی زیاد باعث میشود که مخلوط بتن به راحتی قالب گیری نشود و به راحتی به شکل ظرف مربوطه خود در نیاید. گران روی بسیار پایین نیز باعث ضعف استحکام بتن است و میتواند باعث ایجاد نشتی از قالبی که کاملا عایق بندی نشده است شود. گران روی مناسب مخلوط بتن میتواند با اضافه کردن آب تنظیم شود اما در عین حال تغییر میزان آب در مخلوط بر روی استحکام بتن تاثیر میگذارد. در نتیجه برای کاربردهای مهم از مواد شیمیایی روان کننده دیگر (superplasticizer) برای این کار استفاده میکنند. اضافه کردن این مواد گران روی بتن را کاهش میدهد و امکان قالب گیری آن را افزایش میدهد، بدون این که استحکام بتن را تغییر دهد. برای تست گران روی مخلوط بتن از نوعی تست استاندارد استفاده میشود. در این تست مقدار مشخصی از مخلوط بتن درون ظرفی مخروطی شکل که ته آن باز است و بر روی سطحی قرار گرفته است ریخته میشود. سپس ظرف به بالا کشیده میشود و مخلوط بتن از ته ظرف مخروطی روی سطح زیرین پخش میشود. مخلوط بتن بر روی سطح به صورت یک دایره پخش میشود تا این که به شعاع خاصی میرسد. این شعاع اندازه گیری میشود که معیاری برای گران روی بتن ساخته شده است. مخلوط بتن آنقدر روان خواهد شد تا در این تست شعاع مطلوب حاصل گردد
تغییرات شیمیایی سخت شدن بتن
همان طور که گفته شد بتن مخلوطی از سیمان، شن و ماسه است که به آن آب اضافه میشود. در مخلوط بتن ذرات پودر سیمان شروع به حل شدن در آب میکنند و در اثر این حل شدن یونهای OH- و Ca2+ تولید میشوند. وجود یونهای OH- باعث بالا رفتن PH مخلوط و پیدا کردن اثر قلیایی میشود. PH مخلوط سیمان و آب میتواند تا 12 یا 13 بالا رود که یک محلول بسیار قلیایی است. این محلول در اثر برخورد با پوست بدن میتواند صدمه جدی به آن بزند، مانند تاثیری که یک سفید کننده قوی میتواند بر روی پوست بدن بگذارد. به همین دلیل باید از تماس دست با مخلوط سیمان خودداری کرد.
مهم ترین ترکیب در سیمان تری کلسیم سیلیکات (3CaO.SiO2) است. در اثر واکنش آن با آب هیدروکسید کلسیم سیلیکات (3CaO.2SiO2.4H2O) تولید میشود که به شکل کریستال است (شکل مقابل). علاوه بر این کریستالهای هیدرات دیگر نیز تولید میشوند. تمام این کریستالها تشکیل شبکهای محکم میدهند که سیمان سخت را حاصل میکند. دقت شود که آب جزء اصلی ایجاد این کریستالها است. در نتیجه آب بخار نمیشود بلکه جزئی از ترکیب بتن سخت میگردد. به همین دلیل است که به سخت شدن سیمان هیدراسیون سیمان گفته میشود. ضمنا به همین دلیل است که بتن تازه ریخته شده باید در مرطوب ترین محیط ممکن نگه داری شود. در شهرهای بسیار خشک از تجهیزات مرطوب کنندهای برای بتنهای تازه ریخته شده استفاده میکنند تا سیمان بتن رطوبت کافی برای سخت شدن را داشته باشد.
استفاده از بتن در یک ساختمان
بتن در یک ساختمان هم در اجزای سازهای و هم در اجزای غیرسازهای کاربرد فراوان دارد که در این جا به اختصار به بعضی از این کاربردها میپردازیم:
به کارگیری بتن در سازه اصلی
بتن به واسطه خصوصیات فوق العادهای که دارد، در سازههای ساختمانی به شکل گستردهای به کار میرود. بتن در یک ساختمان میتواند در فونداسیون، ستون ها، تیرها، دیوارهای بابر، دیوارهای برشی، راه پله ها، محفظه آسانسور و … به کار رود. استحکام فوق العاده، دوام طولانی، قیمت ارزان و قابلیت فرم پذیری تقریبا به هر شکل، از ویژگیهای جذاب این ماده اولیه ساختمانی است. ساختمانهای با اسکلت بتنی را به شکل فراوان در شهرها مشاهده میکنیم.
به کارگیری بتن در اجزاء غیرسازه ای
علاوه بر استفاده گسترده در اجزاء سازه ای، بتن در اجزاء غیرسازهای یک ساختمان نیز به کار میرود. البته ممکن است بتن مورد استفاده در اجزاء غیرسازهای نسبت به بتن استفاده شده در اجزاء سازهای ساختار متفاوتی داشته باشد و مواد سازنده آن متفاوت باشند. انواع فراوانی از بتنها وجود دارند که معرفی و تشریح همه آنها نیازمند یک مقاله جداگانه است. در ساختمانها از انواع بتن در اجزاء غیرسازهای مانند دیوارهای غیرباربر، پانلهای جداکننده، دیوارهای جداکننده، دیوارهای عایق حرارت و صدا، سقفها یا سطوح سبک و … استفاده میشود. استفاده از بتن به عنوان اجزاء غیرسازهای در کاربردهایی ممکن است نیاز ساختمان به استفاده از اجزاء غیرسازهای دیگر مانند وال پست ها، وادارها، میلگردها بستر و … را مرتفع نماید. البته به کارگیری بتن به این شکل باید کاملا مطابق با قوانین آیین نامههای ساختمان صورت گیرد. مشاهده میشود روز به روز انواع جدیدتری از بتن به بازار میآید که دارای کاربردهای دیگری نیز میباشند. به طور مثال متخصصان بتن هایی را معرفی کرده اند که مقاومت بسیار خوبی در مقابل زلزله دارند و میتوانند به عنوان یک جزء غیرسازهای مناسب مشابه دیگر اجزاء غیرسازهای مانند انواع وال پست و میلگرد بستر عمل کنند.
