اولین بتن در 2650 سال قبل از میلاد مسیح توسط امن هوتپ Imhotep معمار، شیمی دان و پزشک بزرگ تولید شد. او سود سوزآور را در آب حل کرد و محلول را با سنگ آهک ورقه شده و خاک رس سفید (به نام کائولن) مخلوط کرد. این مخلوط پس از 30 روز قرار گرفتن در معرض گرمای خورشید سفت میشود و مقاومت آن در برابر فشار به 25 تا 40 مگاپاسکال میرسد. سود سوزآور با مخلوط کردن آهک سوخته با کربنات سدیم (که در مکانی به نام Natron در مصر بدست میآید) تولید میشود، به همین دلیل است که امروزه سدیم به عنوان Na نشان داده میشود. این بتن باستانی برای دستیابی به استحکام به گرما نیاز داشت در حالی که بتن مدرن برای رسیدن به استحکام به آب نیاز دارد.
ساختمانهای اطراف ما با توجه به هدف و محل ساختمان، از انواع مصالح ساخته میشوند. مصالح ساختمانی سنتی مانند آجر، چوب، سنگ، آهک و کاشیهای سفالی قرنهاست که مورد استفاده قرار میگیرند و درست از دوره ودایی در بسیاری از تمدنها رایج بودهاند. سیمان در اوایل دهه 1850 اختراع شد و همواره ساخته شده است و اکنون بعد از آب بیشترین مصرف را در ساختمانسازی دارد.
بتن مخلوطی از ماسه، قطعات کوچک سنگی (از سنگهای گرانیت)، آب و سیمان است. سیمان و بتن در حال حاضر جزء لاینفک تقریباً تمام ساخت و سازها در سراسر جهان شده است. با افزودن فولاد، این بتنها به بتن سیمان مسلح (بتن آرمه) تبدیل میشوند و به نوبه خود به کامپوزیت ساختمانی مدرن تبدیل میشوند. مصرف سرانه این مواد ساختاری در سرتاسر جهان بسیار جالب است. امروزه در اکثر ساختمانها، تقریباً برای ساختن هر سازهای میتوان 2 تا 3 درصد کل حجم بتن ناخالص، فولاد به مخلوط اضافه کرد.
پیشنهاد مطالعه: برش بتن
| مواد | واحد وزن | میلیون تن | سرانه تن |
| فولاد سازه | 7850 | 1244 | 18/0 |
| سیمان | 1440 | 3400 | 48/0 |
| بتن | 2400 | ~18000 | 4/2 |
| الوار | 700 | 277 | 04/0 |
مقاومت بتن و ساختمانها:
بتن در برابر فشار، مقاومت زیادی دارد، اما در برابر کشش ضعیف است زیرا تقریباً تا 10٪ در برابر آن مقاومت می کند. به همین دلیل است که بسیاری از طراحان و IS Code 456-2000 مقاومت کششی بتن را به کلی نادیده میگیرند و از فولاد برای مقاومت در برابر کشش استفاده میکنند.
وقتی طنابی را از دو طرف میکشیم، طناب در حال کشش است و هنگامی که کیک تولد با چاقو بریده میشود، کیک تحت برش قرار میگیرد و هنگامی که بادام زمینی را خرد میکنیم، فشرده میشود.
بتن سیمانی همراه با فولاد مناسب در داخل بتن معروف به RCC به عنوان یک ترکیب بهتر (که دارای هر دو استحکام کششی و فشاری است) عمل می کند و در هر نوع سازهای می تواند در معرض بارهای سنگین مانند زلزله، سونامی، انفجار و بارگیری انفجاری مقاومت کند.
برای اینکه بتن در برابر فشار، مقاومت بالایی داشته باشد، باید مواد بتن با نسبت خاصی با هم ترکیب شوند. مقاومت فشاری بتن معمولاً در اکثر سازهها از 20 مگاپاسکال تا 100 مگاپاسکال متغیر است. (1 N/mm2= 1 Mpa). مقاومت فشاری بتن به صورت M10 ، M15 ، M20 ، M25 ، M30 ، M35 نامگذاری شده است؛ یعنی (مقاومت) در برابر 10، 15، 20، 25، 30 و 35 مگاپاسکال پس از 28 روز آبرسانی (کیورینگ). اهرام جیزه تحت فشار کمتر از 10 مگاپاسکال در پایینترین درشت قرار میگیرند در حالی که قدرت آنها حتی بعد از 4500 سال 40 مگاپاسکال است.
تولید بتن:
در بخش خصوصی هند که بسیاری از مردم خانههای خود را میسازند، کنترل کیفیت تولید بتن بسیار ضعیف است. زیرا اکثر پیمانکاران در ساخت و ساز ساختمانهای بتنی دارای سابقه غیر فنی هستند. معمولاً پیمانکاران نسبت مصالح را بر اساس تجربیات خود تنظیم میکنند نه با مراجعه به طراحی سازه یا در نظر گرفتن درجه بتن که توسط مهندس سازه تعیین شده است.
اما این کار از نظر فنی صحیح نیست و نمونههای زیادی وجود دارد که بناهای بتنی به دلیل استفاده از بتن دارای استحکام پایین، شکست خوردهاند. تخمین زده میشود که 5 درصد از حفرههای هوایی داخل بتن تنها 30 درصد مقاومت آن را از بین میبرد. کارگران برای سهولت در بلند کردن و قرار دادن بتن، آب بیشتری به آن اضافه میکنند. در هر صورت، برای 1 کیسه سیمان نباید بیش از 30 تا 35 لیتر آب اضافه شود.
مقاومت بتن مورد نیاز برای یک پروژه بستگی به وجود بارهای سنگین احتمالی در طول عمر مفید آنها دارد. برای مثال هیچ کس انتظار نداشت هواپیمایی به برجهای دوقلو برخورد کند و در داخل منفجر شود. مهندسان سازه باید پیشبینی کنند که چه بارهای خرابی ممکن است بر کل سازه در طول عمر آنها تأثیر بگذارد. کدهای IS 875 و 1893 اطلاعات دقیقی در مورد بارهای کلی و بارهای زلزله ارائه میدهد که برای طراحی هر سازهای باید مورد توجه قرار گیرد. پس از تجزیه و تحلیل کامل سازه، به مقاومت واقعی بتن مورد نیاز میرسیم.
اکثر مردم مواد تشکیلدهنده بتن یعنی سیمان، ماسه، سنگدانههای درشت (خمیر) و آب را میشناسند، اما مطمئن نیستند که برای تولید بتن مقاوم، چه مقدار از این مواد باید استفاده کرد. درجه بتن مورد استفاده در ساختمان ممکن است بر اساس فاصله ستون، عمق تیر، عمق تخته و غیره متفاوت باشد. اگرچه پیمانکار به ساخت و ساز توجه میکند، اما برای هر کسی بسیار مهم است که تناسب مصالح را بداند تا کیفیت ساختمان حفظ شود.
تعیین نسبت مواد به دو روش انجام ميشود: (الف) دستهبندي وزن و (ب) دستهبندي حجم.
برای اینکه روش «تعیین نسبت» دقیقتر باشد، از دستهبندی وزن در کارخانه RMC (بتن آماده مخلوط) استفاده میشود و از دستهبندی حجم (روش متداول دستهبندی)، هنگام مخلوط کردن بتن در محل، استفاده میشود. در توزین، دستهبندی مواد به صورت وزن محاسبه میشود و پذیرش آن در محل، کار بسیار دشواری است زیرا ما به ترازوی توزین، سطح مسطح برای قرار دادن ترازوی توزین و غیره نیاز داریم. در حجم، دستهبندی مواد با حجم تنظیم میشود و این راهی آسانتر برای تناسب مواد در محل است.
بهتر است که در مورد دسته بندی حجم مواد برای بتن های مختلف اطلاعاتی داشته باشید، از آن جهت که دستهبندی تعیین نسبت مواد در محل، یعنی دسته بندی حجم، بیشتر از سایر موارد استفاده میشود. در اینجا لیستی از درجات مختلف بتن تا درجه M25 و نسبتهای متناظر مواد آمده است که معمولاً برای مخلوط کردن بتن در محل بر اساس دستهبندی حجم، مجاز است:
| درجه (گرید) بتن | سیمان | ماسه | خمیر(سنگدانه درشت) |
| M5 | 1 | 5 | 10 |
| M7.5 | 1 | 4 | 8 |
| M10 | 1 | 3 | 6 |
| M15 | 1 | 2 | 4 |
| M20 | 1 | 5/1 | 3 |
| M25 | 1 | 1 | 2 |
عیارهای بالاتر بتن باید با دقت طراحی شوند و از تعیین نسبت بر اساس دستهبندی حجم اجتناب شود.
پیشنهاد مطالعه: کرگیری بتن
نقش آب در بتن:
بتن با فرایندی به نام هیدراتاسیون استحکام پیدا می کند. به طور خلاصه، ما این فرایند را هیدراتاسیون سیمان در بتن می نامیم. وجود آب در بتن از زمان مخلوط کردن بتن تا به دست آوردن استحکام کامل آن بسیار مهم است. از این رو آب در دو مرحله روی بتن به کار میرود: (1) افزودن آب به بتن در زمان مخلوط کردن (2) پاشیدن آب بر روی سطح بتن پس از ریختهگری سازه که به آن کیورینگ (آبرسانی) بتن گفته میشود.
بتن باید با درجهای از غلظت مخلوط شود که به راحتی بتواند به فضاهای بسیار تنگ برسد؛ فضاهایی که آرماتورهای سنگین در شالوده ساختمانی موسوم به بتن قابل اعمال وجود دارد. بتن قابل اعمال را میتوان با افزایش میزان آب در بتن بدست آورد، اما استفاده از آب اضافی باعث کاهش مقاومت بتن میشود. بنابراین، هنگام افزودن آب به بتن در حین مخلوط کردن باید مراقب باشید. با این حال، برای درجهبندی مناسب بتن، نسبت آب به سیمان مقرر در کد استاندارد هند (IS: 10262) توصیه میشود.
آبرسانی به بتن نیز در به دست آوردن مقاومت کامل بتن به همان اندازه مهم است. اما آبرسانی چیست و چند روز برای آبرسانی بتن نیاز داریم؟
واکنش بین آب و سیمان گرمازا است و در نتیجه گرما تولید میشود. این گرما آب موجود در بتن را تبخیر میکند. بنابراین، برای ادامه واکنش خارجی، آب بر روی سطوح بتن ریخته میشود و این به عنوان آبرسانی بتن شناخته میشود. مقاومت بتن در هر یک از گریدها (درجات) نشاندهنده مقاومت فشاری در 28 روزگی آن است. بتن باید در تمام این 28 روز آبرسانی شود تا به مقاومت فشاری کامل خود برسد. تجربه به ما نشان میدهد که تغییرات مقاومت فشاری بتن در سنین مختلف به شرح زیر است:
سن (سیمان) | میزان استحکام |
1 روز | %16 |
3 روز | %40 |
7 روز | %65 |
14 روز | %90 |
28 روز | %99 |
همانطور که در جدول مشاهده میکنیم حدود 65 درصد مقاومت بتن در 7 روزگی و 90 درصد مقاومت بتن در 14 روزگی سن آن به دست میآید.
در صنعت ساختمانسازی، پیمانکاران روش بسیار بدی را در مورد برداشتن قالب و لوازم جانبی در روز بعد از ریختهگری بتن انجام میدهند. گاهی اوقات این عمل بسیار ناامن خواهد بود. زمان لخت کردن بتن باید حداقل زمانی باشد که بتن قدرت لازم را برای تحمل وزن خود با بار تصادفی اسمی به دست میآورد. کد هند 456-2000 زمان برداشتن قالببندی و وسایل را بر اساس عناصر ساختاری به شرح زیر پیشنهاد میکند.
ردیف | نوع | دوره زمانی برداشتن |
1 | ستون ها و اضلاع عمودی تیر | 24 تا 48 ساعت |
2 | تخته ها (لوازم جانبی باقی مانده در زیر) | 3 روز |
3 | تیر قسمت پایین عمارت (کف) (لوازم جانبی رها شده در زیر) | 7 روز |
4 | برداشتن لوازم جانبی روی تخته ها [به طول 4.5 متر (تقریباً 15 فوت)] | 7 روز |
5 | برداشتن لوازم جانبی روی تخته ها [بیش از 4.5 متر (تقریباً 15 فوت)] | 14 روز |
6 | برداشتن لوازم جانبی روی تیر ها [به طول 6 متر (تقریباً 20 فوت)] | 14 روز |
7 | برداشتن لوازم جانبی روی تیر ها [به طول بیش از 6 متر (تقریبا 20 متر)] | 21 روز |
پیشنهاد مطالعه: کاشت میلگرد
عمر سازههای بتنی سیمان:
بتن مدرن به طور جدی طول عمر خود را ندارد. بسیاری از متخصصان بتن به ضرس قاطع معتقدند که ساختاری که به خوبی تحت کنترل کیفیت دقیق و با حس هندسی بسیار خوب ساخته شده است، نمیتواند بیش از عمر یک مرد سالم دوام بیاورد. بسته به نحوه حفظ سلامتی، یکی ممکن است 30 سال و دیگری 110 سال عمر کند. ما بازخوردی از ساختار بتنی با بیش از 100 تا 150 سال نداریم. اما هرم جیزه (از بتن آهک) بیش از 4500 سال قدمت دارد. در واقع، اکنون زمان آن است که چرخ را دوباره اختراع کنیم.
