تاریخچه بتن | با بتن و سیر آن در تاریخ سازه ها بیشتر آشنا شوید

بتن در طول تاریخ چه مسیری را طی کرده تا به جایگاه امروزی اش رسیده است؟ اولین سازه‌های بتنی کدام بوده‌اند؟ با دنا برش همراه باشید.

تاریخچه بتن

زمانی که بتن برای اولین بار اختراع شد، واژه بتن برای طیف وسیعی از مواد که کارکردی مشابه با بتن داشتند نیز مورد استفاده قرار می‌گرفت. سیمان های خام، با خرد کردن و سوزاندن گچ یا سنگ آهک ساخته می شدند. آهک نیز به  خرد شدن و حرارت دادن سنگ آهنگ به دست می آمد. زمانی که شن، ماسه و آب به این سیمان اضافه می شدند، مخلوطی ساخته می شد که ظاهری شبیه به گچ داشت و از آن برای چسباندن سنگ ها به یکدیگر استفاده می شد. مواد مختلف در طی هزاران سال با یکدیگر ترکیب شده و  نهایتا  بتن مدرن و امروزی را تشکیل دادند.

 

امروزه بتن مدرن با استفاده از سیمان پرتلند، و مخلوطی از آب و سنگ های ریز و درشت ساخته می شود. برای ساخت این بتن، از افزودنی های شیمیایی استفاده می شود که برای کنترل برخی ویژگی ها و خصوصیات بتن به آن اضافه می شود، تا از این طریق بتوان از بتن در شرایط خاص مانند دمای بالا یا پایین محیط، وزش باد و غیره استفاده کرد.

در حدود 1300 سال قبل از میلاد مسیح اولین نمونه از بتن اختراع شد، در این زمان معماران خاورمیانه به این نتیجه رسیدند که با استفاده از یک پوشش نازک و مرطوب از سنگ آهک سوخته می توانند دیوار های خشتی قلعه ها و خانه های خود را پوشش دهند. این ترکیب با گازهای موجود در هوا واکنش شیمیایی می دهد و سطح سخت و محکمی را بر روی دیوار تشکیل می دهد. اگر چه این سطح محافظ،  بتن نامیده نمی شود؛ اما آغاز مسیری بود که به توسعه و پیشرفت در ساخت بتن انجامید. ترکیب اولیه ای که در ساخت بتن، از آن استفاده می شد؛ شامل سنگ آهک خرد شده ، ماسه و آب بود. سیمان برای مدت های زیادی به عنوان اصلی ترین جز بتن مدرن ، در ترکیبات آن وجود داشته است. در حدود 12 میلیون سال قبل در سرزمین های اشغالی(اسرائیل کنونی)، در اثر احتراق خود به خودی بین سنگ آهک و شیل نفت(سنگ نفت زا) سیمان طبیعی تشکیل شد. با این وجود نمی توان نام بتن را بر  این ترکیب نهاد. بتن در واقع یک ماده کامپوزیتی است که ساختمان سازی استفاده می شود حال آن که سیمان تنها یکی از اجزای تشکیل دهنده آن است. اجزا تشکیل دهنده بتن در گذر زمان تغییر کرده و  در حال حاضر نیز تغییر می کند. مشخصات عملکردی بتن با توجه به نیروهای متفاوتی که در برابر آنها باید مقاومت کند، متغیر خواهد بود. این نیروها ممکن است ، از بالا به پایین (نیروی جاذبه) ،از پایین به بالا (بالا آمدن سطح خاک) و یا از اطراف (بارهای عرضی) بتن را تحت تاثیر قرار دهند؛ یا حتی ممکن است تدریجی یا شدید باشند و به صورت فرسایش باعث ایجاد تغییراتی در شکل ظاهری آن شود. اجزا تشکیل دهنده بتن و نسبتی که آنها با یکدیگر ترکیب می شوند، “مخلوط طراحی” نامیده می شود.

اولین نمونه از بتن، در حدود 1300 سال قبل از میلاد مسیح توسط معماران شرقی، ابداع شد.

اولین استفاده از بتن

در حدود 6500 سال قبل از میلاد مسیح اولین بناهای بتنی، توسط تاجران ناباتایی که عمدتا بادیه نشین بودند، بنا گردید. آنها مجموعه ای از آبادی های کویری را اشغال و به کنترل خود در آورند و قلمرو کوچک خود را در مناطقی از جنوب سوریه و شمال اردن گسترش دادند. ناباتایی ها بعد از مدتی به قابلیت های آهک هیدرولیک  (سیمانی که مجاورت آب سفت می شود) پی بردند . مردم ناباتا تا 700 سال قبل از میلاد ، در صدد ساخت کوره هایی برای ساخت ملات بر آمدند؛ تا از آنها برای ساخت خانه هایی با سطحی از جنس بتن و نیز مخازن زیرزمینی ضد آب استفاده کنند. آنها این مخازن را از دید دیگران پنهان نگه داشتند به همین خاطر بود که ناباتایی ها توانستند در بیابان ها بی آب و علف، زندگی کنند و امپراطوری خود را گسترش دهند. مردم ناباتا به لزوم خشک نگه داشتن این بتن ابداعی آگاه بودند، چرا که می دانستند، آب اضافی باعث ایجاد فضاهای خالی و در نتیجه تضعیف بتن خواهد شد. آنها عملیات بتن ریزی را در محل مورد نظر و با استفاده از ابزار مخصوص انجام می دادند. طی فرآیند بتن ریزی ، ژل مخصوصی توسط واکنش های شیمیایی تولید می شد که ذرات موجود در ملات را به یکدیگر متصل می کرد.

پیشنهاد مطالعه: برش بتن

رومی ها 500 سال بعد از ناباتایی ها دریافتند که ماده ای در محل سکونت شان وجود دارد، که می توان از آن برای ضد آب کردن سیمان  استفاده کرد. در داخل سرزمین آنها ذخایر عظیمی از ماسه سیلیس مرغوب وجود داشت. نفوذ آب های زیرزمینی به داخل سیلیس می توانست نوعی خاکستر آتشفشانی شنی تولید کند که به پوزولان شهرت داشت. ناباتایی ها پس از کشف محل این رسوبات آنها را استخراج و سپس با آهک ترکیب  کردند و در همان کوره هایی که از آن ها برای ساخت ظروف سفالی استفاده می شد، حرارت داده می شد تا به دمای تعیین شده برسد. حدود 5600 سال قبل از میلاد مسیح در کشور یوگسلاوی سابق و در امتداد رودخانه دانوب، از  نوعی بتن برای ساخت بنیاد خانه ها استفاده می شد.

اولین سازه های بتنی شکل، در حدود 6500 سال قبل از میلاد توسط تاجران ناباتا یا بادیه نشینان ساخته شد.

مصر

حدود 3000 سال قبل از میلاد ، مصریان باستان از ترکیب گل با کاه آجر می ساختند. اما مخلوط گل و کاه بیشتر به خشت خام شبیه است تا بتن. در هر صورت،  مصریان از مخلوط گچ و آهک برای ساخت اهرام مصر بهره بردند. برای ساخت هرم بزرگ جیزه چیزی در حدود 500،000 تن ملات نیاز بود؛ از این ملات عمدتا برای سطح خارجی و نمای هرم استفاده می شد و به سنگ تراشان اجازه می داد تا فاصله بین سنگ ها از 5/1 اینچ تجاوز نکند.

حدود 3000 سال قبل از میلاد ، مصریان باستان از مخلوط گل و لای با کاه برای ساخت آجر استفاده می کردند.

 

چین

همزمان با مصریان ، چینی ها در بخش های شمالی، از نوع دیگری از سیمان برای ساخت قایق و دیوار چین استفاده می کردند. آزمایش های طیف سنجی موید این موضوع است که، یکی از مواد اصلی استفاده شده در ساخت دیوار چین و سایر بناهای باستانی این کشور، برنج چسبناک است. بسیاری از این سازه ها در برابر گذر زمان هنوز پابرجا هستند و حتی در مقابل تلاش های انسان  برای ویران کردن بنا، مقاومت کرده اند.

 

رم

در حدود 600 سال پیش از میلاد مسیح ، یونانی ها ماده  طبیعی را کشف کردند که پوزولان نامیده می شد؛ هنگامی که این ماده با آهک مخلوط می شد، خصوصیات هیدرولیکی از خود بروز می داد ، اما آن ها به اندازه رومی ها در ساخت بتن توانمند نبودند. تا اینکه 200 سال قبل از میلاد ، رومی ها با موفقیت توانستند از بتن برای ساخت بنا ها استفاده کنند ، اما این مواد هیچ شباهتی با بتن مدرن امروزی نداشت و نمی توانست به راحتی تغییر شکل دهد؛ بلکه بیشتر به قلوه سنگ های سیمانی شباهت داشت. رومی ها اغلب ساختمان های خود را با روی هم قرار دادن سنگ ها و گذاشتن لایه ای ملات در بین آنها ، بنا می کردند. دیوارهای ساختمان از داخل و خارج با آجرهای سفالی پوشیده می شدند که عملکردی مشابه بتن  داشتند. در آن زمان آجر ها از نظر ساختمان سازی، ارزش کمی داشته و یا اصلاً ارزشی نداشته اند و کاربرد آنها عمدتاً برای استفاده در نمای ساختمان ها بوده است. قبل از این دوره، در 95 درصد از رم ، ملات ها اغلب از سیمان ساده ساخته می شد، که در اثر واکنش با دی اکسید کربن موجود در هوا ، به آرامی سفت می شدند؛ به همین دلیل معمولا عمل آبرسانی به خوبی صورت نمی گرفت و ملات ضعیفی ساخته می شد.

رومیان با استفاده از ترکیب شن و ماسه آتشفشانی واکنش پذیری با نام harena fossicia سیمان تولید می کردند. آنها از این سیمان برای ساخت بنا های هنرمندانه و باشکوه و و نیز زیرساخت های زمینی که به استحکام بیشتری احتیاج داشتند؛ استفاده می کردند. آنها برای ساخت سازه های دریایی و بناهایی که در مجاورت آب قرار داشتند( مانند پل ها، اسکله ها، قنات ها) از نوعی ماسه آتشفشانی به نام پوزولان استفاده می کردند. به کار بردن این دو ماده در ساخت و سازها، حکایت از اولین استفاده رومیان از سیمان در مقیاس وسیع است. fosicia Pozzuolana و harena  از طریق واکنش شیمیایی با آهک و آب هیدراته شده تولید می شوند که بعد از استفاده به یک توده سنگی شکل تبدیل می شود. از این توده سنگی شکل می توان برای ساخت و ساز در زیر آب بهره برد. رومیان از این مواد در ساخت سازه های بزرگی مانند حمام ها، معابد و ورزشگاه ها استفاده می کردند. این سازه ها با گذشت هزاران سال هنوز هم پابرجا هستند. رومیان از چربی حیوانی ، شیر و خون به عنوان مواد افزودنی در ملات، بهره می بردند. افزودن  این مواد به ترکیب ملات نشان از روش های ابتدایی بود که رومیان در ساخت ملات از آن استفاده می کردند. رومی ها روش  استفاده از پوزولان های طبیعی  و نیز  چگونگی ساخت دو نوع پوزولان مصنوعی (خاک رس کائولینیتی کلسینه و سنگ های آتشفشانی کلسینه )را یاد گرفتند. موفقیت های چشمگیری که در عرصه ساخت و ساز به دست آورده بودند؛ نشان از سطح فنی بالای معماران رومی در آن زمان بود.

 

معبد پانتئون

معبد پانتئون در سال 125 میلادی توسط هادریان امپراطور رم ساخته شد. این معبد دارای بزرگترین گنبد بتنی غیر مسلح در جهان است که قطری به اندازه 142 فوت دارد. در قسمت نوک گنبد، سوراخی به اندازه 27 فوت قرار گرفته است که 142 فوت از زمین ارتفاع دارد و اصطلاحاً اوکولوس(به معنای چشم) نامیده می شود. احتمالا ساخت این گنبد از بالای دیوارهای خارجی شروع شده و سپس با ساخت لایه های نازک به آرامی آن را به نقطه مرکزی در بالای گنبد رسانده اند.

 

این معبد دارای دیواره هایی با 26 فوت عرض و 15 فوت عمق است و در ساخت آن از سیمان پوزولان (آهک، شن و ماسه آتشفشانی) استفاده شده است. این که این گنبد هنوز هم پا برجاست، چیزی شبیه به یک معجزه است. نشست زمین و زمین لرزه های گاه به گاه در طول 2000 سال، شکاف هایی بر بدنه آن ایجاد کرده است. این عوامل طبیعی به قدری پیکره  بنا را تضعیف کرده  که می بایست سقوط می کرد. هفت طاقچه با فاصله مساوی  توسط دیوارهای خارجی گنبد، حمایت می شوند. در بین این طاقچه ها محفظه هایی قرار گرفته است که به بیرون امتداد دارند. در آغاز این طاقچه ها و محفظه ها ، تنها برای کاهش وزن سازه طراحی شده بودند؛ به همین خاطر از قطر کمتری نسبت به قسمتهای اصلی دیواره ها، برخوردار هستند و به عنوان اتصالات کنترلی محل شکاف ها را کننرل می کنند؛ تا  فشارهای ناشی از حرکت سازه برطرف شود. این بدان معناست که گنبد به شکل خاصی توسط 16 ستون بتنی ضخیم و خوش ساخت و نیز دیواره های خارجی بین طاقچه ها و محفظه ها، حمایت می شود. روش دیگری که برای کاهش وزن بنا به کار برده شد؛ استفاده از سنگدانه های سبک و با چگالی کم، در دیواره ها و گنبد بود. با این روش ضخامت دیواره ها و وزن قسمت های فوقانی بنا کاهش می یافت.

استفاده از بتن در تاریخ
معبد پانتئون توسط هادریان امپراطور رم ساخته شد و بنای آن در سال 125 میلادی تکمیل شده است و دارای بزرگترین گنبد بتنی غیر مسلح ساخته شده است.

اتحادیه های رومی

یکی دیگر از رموز موفقیت رومی ها استفاده از اتحادیه های تجاری بود. هر تجارت داری صنفی بود که اعضای آن وظیفه داشتند؛ دانش خود را در زمینه استفاده از مواد و ابزار و آموزش مهارت ها در اختیار کارآموزان و لژیون های روم قرار دهند. این لژیون ها علاوه بر آموزش های نظامی، در زمینه ساخت و مهندسی نیز تبحر داشتند.

در طی قرون وسطی ، فناوری  ساخت بتن به عقب خیزش کرد. در سال 476 میلادی و پس از سقوط امپراتوری روم ، تکنیک ها و روش هایی که برای ساخت سیمان پوزولان  استفاده می شد، از بین رفت؛ تا اینکه پس از کشف نسخه های خطی در سال 1414 ساخت بنا ها با استفاده از بتن از سر گرفته شد.

در سال 1973 جان اسمیتون فناوری کشف کرد که باعث پیشرفت عظیمی در تولید آهک هیدرولیکی سیمان، شد.  او از سنگ آهک حاوی خاک رس استفاده کرد و برای اینکه  این سنگ ها را به کاشی لعابدار تبدیل کند، آن ها را پخته و به شکل پودر درآورد. وی از این مواد در بازسازی فانوس دریایی تاریخی Eddystone در Cornwall ، کشور انگلستان استفاده کرد.

نهایتا ، در سال 1824 ، یک انگلیسی به نام جوزف آسپدین سیمان پرتلند را اختراع کرد. این سیمان با حرارت دادن گچ و خاک رس در کوره به دست می آمد. این فرآیند تا از بین رفتن کامل دی اکسید کربن ادامه پیدا می کرد. این سیمان “Portland” نامگذاری شد زیرا به سنگ های ساختمانی با کیفیتی که در پرتلند انگلیس یافت می شد، بسیار شبیه بود. بسیاری از افراد بر این باورند که آسپدین اولین کسی بود که از آلومینا و سیلیس برای ایجاد لعاب در سیمان پرتلند استفاده کرد.

آسپدین در این روش سنگ آهک و خاک رس را پودر کرد و سپس آنها را با اندازه های دقیق  ترکیب کرد. پس از  حرارت دادن این مخلوط در کوره ماده ای شیشه ای شکل به دست آمد که همان سیمان پرتلند نامیده می شد.

پیشنهاد مطالعه: کرگیری بتن

 

ترکیبات استفاده شده در سیمان پرتلند مدرن

برای سال های متمادی قبل از کشف سیمان پرتلند؛  از سیمان طبیعی برای ساخت ملات استفاده می شد. این سیمان با حرارت دادن ترکیب  آهک و خاک رس بدست می آمد که به طور طبیعی یافت می شد.  زمانی که مواد تشکیل دهنده سیمان پرتلند به صورت طبیعی با یکدیگر ترکیب می شوند، خواص متفاوتی از خود بروز می دهند. سیمان پرتلند مدرن با استانداردهای دقیقی ساخته می شود. باید توجه داشت که برخی از ترکیبات موجود در این سیمان برای فرآیند آبرسانی و ویژگی های شیمیایی آن مهم هستند. با حرارت دادن مخلوط سنگ آهک و خاک رس تا دمای 1300 الی1500 درجه فارنهایت در کوره سیمان پرتلند به دست می آید. در این فرآیند 30٪ از ترکیب ذوب می شود و مابقی در حالت جامد باقی می ماند و تحت واکنش های شیمیایی قرار می گیرد. در آخر ، خروجی  آن، یک مخلوط شیشه ای شکل است؛ که پس از پایان فرآیند به پودر تبدیل می شود. در آخر نیز مقدار کمی گچ به آن اضافه می شود تا سرعت آبرسانی را کاهش داده و بتن را برای مدت طولانی تری قابل مصرف نگه دارد.

برای اولین بار بین سالهای 1835 و 1850 با استفاده از آنالیز شیمیایی ، مقاومت فشاری و کششی سیمان پرتلند به طور دقیق تعیین شد. در حدود سال 1860 بود که سیمان پرتلند برای اولین بار با ترکیب مدرن تولید شدند.

 

کوره

در ابتدا برای تولید سیمان پرتلند، از کوره های عمودی و ثابت استفاده می شد؛ تا در سال 1885 ، یک مهندس انگلیسی کوره افقی شکلی تولید کرد که کارایی بهتری داشت. این کوره کمی مایل بود و قابلیت چرخش داشت و به آن “کوره دوار” می گفتند؛ کنترل دما در این کوره  بهتر انجام می شد و در زمینه مخلوط کردن مواد ، عملکرد بهتری از خود نشان می داد. کوره های دوار تا سال 1890 بر بازار حکمرانی داشتند. توماس ادیسون در سال 1909 حق ثبت اولین کوره با بدنه بلند را دریافت کرد. این کوره 150 فوتی در کارخانه سیمان ادیسون در نیو ویلیج نیوجرسی نصب شد.این مقدار حدود 70 فوت بلندتر از کوره های مورد استفاده در آن زمان بود. در حالی که کوره های صنعتی، گاهی تا 500 فوت، طول دارند.

تاریخچه بتن را بهتر بشناسید
کوره های دوار برای اولین بار در کارخانه سیمان ادیسون در نیو ویلیج نیوجرسی نصب شد.

 

نقاط عطف در ساختمان سازی

در طول قرن 19 ، بتن عمدتا برای ساختمانهای صنعتی استفاده می شد؛ هر چند در مواردی استثنایی در ساخت سازه های صنعتی از آن استفاده شد. اما این موضوع به دلایل زیبایی شناختی با اقبال عمومی مواجه نشد. تا اینکه بین سالهای 1850 و 1880 اولین استفاده گسترده از سیمان پرتلند در ساخت و ساز منازل در انگلیس و فرانسه؛ توسط فرانسوا کوئینت فرانسوی کلید خورد. وی از میله های فولادی به عنوان عنصر خمشی استفاده کرد تا از ریزش دیواره های خارجی جلوگیری شود.  اولین بنای ساخته شده با  بتن مسلح در انگلستان ، خانه مستخدامان بود که توسط ویلیام بی ویلکینسون در سال 1854 بنا شد. “ویلیام وارد”  مهندس مکانیک آمریکایی در سال 1875 ، اولین خانه را با استفاده از بتن آرمه را در ایالات متحده بنا نهاد که هنوز سالم است و در بندر چستر ، نیویورک قرار دارد. به خاطر ترسی که همسر وارد از آتش سوزی داشت، این خانه را از بتن ساخت؛ او برای اینکه ظاهر بنا وجهه اجتماعی قابل قبولی داشته باشد، آن را شبیه به بناهای سنگ کاری شده، طراحی کرد. ساخت این خانه آغاز صنعتی بود که امروزه 35 میلیارد دلار ارزش دارد و فقط در ایالات متحده برای بیش از 2 میلیون نفر اشتغال ایجاد کرده است.

خانه ساخته شده توسط ویلیام وارد با استفاده از بتن
به خانه ساخته شده توسط ویلیام وارد، قلعه وارد گفته می شود.

اولین خیابان ساخته شده از بتن در سال 1891 توسط جورج بارتولومئو در ایالات متحده ساخته شد. بتن استفاده شده در ساخت این خیابان چیزی در حدود PSI8000 مقاومت فشاری دارد، این میزان دو برابر مقاومت بتن مدرن امروزی است  که در ساخت بناهای مسکونی مورد استفاده قرار می گیرد.

 

بتن در تاریخ چه جایگاهی دارد
خیابان دادگاه در بلفونتین ، اوهایو ، که قدیمی ترین خیابان ساخته شده از بتن در ایالات متحده است.

سیرز ربوک تا سال 1897 ، بشکه های50 گالنی سیمان پرتلند را 3.40 دلار می فروخت. اکثر تولید کنندگان سیمان تا سال 1898 از 90 فرمول متفاوت برای ساخت سیمان پرتلند استفاده می‌کردند؛ تا اینکه در سال 1900 ، آزمایشاتی برای استاندارد سازی سیمان انجام شد و سرانجام فرمولی استانداردی برای تولید سیمان ابداع شد.

در اواخر قرن نوزدهم، بتن مسلح  توسط سه نفر با نام های وایس از کشور آلمان، فرانسوا هنبیک از فرانسه و ارنست ال رانسوم از آمریکا، کم و بیش مورد استفاده قرار می گرفت. در سال  1877 رانسوم شروع به استفاده از بتن مسلح در ساخت بناها کرد بیشتر سازه هایی که وی ساخت صنعتی بود. او با استفاده از میله های مربع شکل و پیچ خورده سیستمی را ابداع کرد که از آن برای بهبود اتصال فولاد و بتن استفاده می شد.

در فرانسه و در اواخر دهه  1870 هنبیک ساخت خانه های تقویت شده با فولاد را آغاز کرد و برای آن حق ثبت اختراع در فرانسه و بلژیک دریافت کرد. سیستم او بسیار موفق عمل می کرد. تا اینکه  سرانجام با فروش امتیاز سیستم خود در شهرهای بزرگ، برای خود امپراطوری عظیمی بنا کرد.  او با سخنرانی در کنفرانس ها و توسعه استانداردهای شرکتش، این سیستم را ارتقا داد.

وایس در سال 1879  با خریداری حقوق سیستمی كه توسط یك فرانسوی به نام مونیر ثبت شده بود،  اقدام به استفاده از فولاد در تقویت گلدان های بتنی ظروف كاشت گل و گیاه کرد؛ و سپس به تبلیغ سیستم Wayss-Monier  پرداخت.

آگوست پرت در سال 1902،  با بکار بردن بتن مسلح فولادی در ستون ها ، تیرها و کف ساختمان، آپارتمانی در پاریس بنا کرد. این ساختمان از نمای زیبایی برخوردار بود؛ طوری که تحسین همگان را برانگیخت، اما فاقد دیوارهای باربر بود. بعد از ساخت این بنا، بتن به عنوان مصالح معماری و ساختمانی به شکل گسترده تری، به کار گرفته شد. شیوه طراحی که آگوست پرت در این ساختمان مورد استفاده قرار داد؛ الهام بخش معماران و طراحان بعد از او بود.

 

در سال 1913 اولین محموله بتن آماده به بالتیمور، مریلند آورده شد. چهار سال بعد ، اداره ملی استاندارد آمریکا (دفتر ملی استاندارد و فناوری فعلی) و انجمن آزمایش و تست مواد آمریکا (ASTM International فعلی) برای سیمان پرتلند فرمول استانداردی در نظر گرفتند. در سال 1915 ، مات تروكو، ساختمان پنج طبقه Fiat-Lingotti Autoworks را با استفاده از بتن مسلح، در تورین ساخت که مجهز به مسیر تست سرعت اتومبیل بر روی سقف بود.

Eugène Freyssinet یک مهندس فرانسوی و پیشگام  در استفاده از سازه های بتن آرمه بود. در سال 1921 ، او دو آشیانه هواپیمای عظیم الجثه با طاق سهموی در فرودگاه اورلی پاریس ساخت. در سال 1928 حق ثبت بتن پیش تنیده به وی اعطا شد.

جذب کننده های هوا

در سال 1930 ، مواد جذب کننده هوا  به منظور تقویت بتن را در برابر یخ زدگی و بهبود کارایی آن ساخته شد. جذب کننده هوای بتن، پیشرفت مهمی در بهبود دوام بتن مدرن به شمار می رفت. هنگامی که مواد مختلف به بتن اضافه می شود، حباب های هوای بسیار کوچک و ریزی در آن به وجود می آیند که بسیار به هم نزدیکند. این حباب ها پس از سخت شدن در بتن باقی خواهند ماند.

 بتن از طریق یک فرآیند شیمیایی به نام هیدراتاسیون(آبرسانی) سفت می شود. برای انجام این فرآیند؛  بتن باید نسبت آب به سیمان  در بتن می بایست حداقل 25 به 100 باشد( 25 قسمت آب به 100 قسمت سیمان)  استفاده آب بیش از این نسبت، اضافی است و در تسریع عملیات کمک خواهد کرد. با سخت شدن و حالت گیری بتن، آب مازاد بخار شده و سطحی متخلخل ایجاد می شود. آب باران و آب حاصل از  ذوب شدن برف می تواند وارد این منافذ شود. سرمای هوا این آب را به یخ تبدیل می کند که با انبساط این آب ها، ترک های کوچکی در بتن ایجاد می شود. تکرار این فرآیند منجر به پوسته پوسته شدن سطح بتن و تخریب آن می شود. هنگامی که  هوای بتن تخلیه می شود ، این حباب های کوچک کمی متراکم می شوند و بخشی از تنش ایجاد شده در اثر انبساط آب جذب خواهد شد. هوای داخل بتن کارایی آن را بهبود می بخشد و موجب  می شود حرکت سنگدانه ها و ذرات موجود در بتن روان تر شود. هوایی که در  بتن  محبوس شده است باعث ایجاد حبابهای بزرگتر می شود که برای بتن مضر است.

استفاده از پوسته نازک

استفاده از  بتن مسلح  در نهایت شرایطی را فراهم کرد تا با استفاده از آن روش های نوینی برای ساخت بتن، ابداع شود. با استفاده از روش پوسته نازک، سازه های ساختمانی مانند سقف ها، با صفحات نازک بتنی ساخته می شود. معمولا  برای  ساخت گنبدها ، قوس ها و منحنی های مرکب  از این روش استفاده می شود . چرا که این اشکال به طور طبیعی از ساختار محکمی برخوردار هستند. مهندس اسپانیایی ادواردو توروجا  در سال 1930 ، گنبدی با ارتفاع کم برای بازاری در Algeciras طراحی کرد. ضخامت این گنبد 3 اینچ و عرض آن 150 فوت بود. همزمان با او مهندس ایتالیایی، Pier Luigi Nervi ساخت آشیانه ای برای نیروی هوایی ایتالیا را آغاز کرد؛ که آن را در عکس زیر آن را مشاهده می کنید.

سازه هایی در تاریخ که در آن ها بتن به کار رفته است
آشیانه های ساخته شده برای نیروی هوایی ایتالیا

فلیکس کاندلا ، ریاضیدان و مهندس معمار که بیشتر در مکزیکوسیتی  مشغول به کار بود؛ احتمالاً ماهرترین فرد در استفاده از تکنیک های پوسته بتنی، در عملیات ساخت و ساز به شمار می رود. قطر سقف آزمایشگاه Cosmic Ray در دانشگاه مکزیکو سیتی به 5/8 اینچ می رسد. اگرچه ساختمان نشان داده شده در عکس زیر توسط Candela طراحی نشده است ، اما این یک نمونه خوب از یک سقف هذلولی سهموی است.

مقاله تاریخچه بتن
یک سقف هذلولی سهموی در کلیسایی در بولدر ، کلرادو
همان کلیسای در حال ساخت

 در ساخت بسیاری از برجسته ترین سقف ها، از تکنیک پوسته نازک استفاده شده است. این موضوع در تصویر زیر نشان داده شده است.

سالن اپرای سیدنی در سیدنی ، استرالیا
سالن اپرای سیدنی در سیدنی ، استرالیا

 

سد هوور

در سال 1935 ، سد هوور پس از 3،250،000 یارد بتن ریزی و استفاده از 1،110،000 یارد دیگر در نیروگاه و سازه های مربوط به آن به پایان رسید. این فرمول به مدت 20 سال به عنوان فرمول استاندارد در زمینه ساخت سیمان مورد استفاده قرار می گرفت.

ستون هایی با بلوک های پر شده از بتن در سد هوور در فوریه 1934

مهندسان اداره احیا اراضی، تخمین زدند که اگر فرآیند بتن ریزی به صورت یکپارچه انجام شود، 125 سال طول خواهد کشید تا این بتن خنک شود. این تنش های گرمایی تولید شده و نیز انقباضی که در اثر پخت بتن ایجاد می شود ، باعث ترک خوردن سازه خواهد شد. مهندسان برای جلوگیری از فرو ریختن سد، بتن را در بلوک هایی ریختند که تشکیل ستون می داد. این بلوک ها از یک قاعده به ابعاد 50 فوت مربع و ارتفاع 5 فوت تشکیل می شدند. قسمت 5 فوتی دارای یک سری لوله های 1 اینچی بود که آب سرد رودخانه از طریق آن ها و به منظور انتقال حرارت، پمپاژ می شد. هنگامی که بتن منقبض می شد، لوله ها با دوغاب پر می شدند. در سال 1995 با آزمایش هایی که بر روی هسته بتنی صورت گرفت، مشخص شد که بتن همچنان مقاوم است و حتی مقاومت فشاری آن بالاتر از حد متوسط است.

 

سد گراند کولی

در سال 1942 سد گرند کولی بزرگترین سازه بتنی ساخته شده در آمریکا ساخته شد. برای ساخت این سد از  12 میلیون یارد بتن استفاده شده است و بیش 22 میلیون یارد مکعب عملیات خاک برداری صورت گرفت. برای کاهش  استفاده از ماشین های حمل بار، تسمه نقاله ای به طول 2 مایل ساخته شد. برای پی ریزی سد ، دوغاب را به داخل حفره هایی با عمق 660 تا 880 فوت (در گرانیت) پمپاژ می کردند؛ تا شکاف های احتمالی که ممکن است زمین را تضعیف کند، پر شود. برای ممانعت از ریزش محل حفاری ، لوله های 3 اینچی در زمین جایگذاری می شدند تا از با استفاده از آنها مایع خنک کننده به داخل محل مورد نظر پمپاژ شود. این مایع  زمین سد را سرد می کرد و باعث پایداری آن می شد تا  عملیات ساخت ادامه پیدا کند.

سد گراند کولی
سد گراند کولی

عملیات بتن ریزی برای سد گرند کولی مشابه با سد هوور انجام گردید. پس از قرار گرفتن لوله ها در داخل ستون ها ، آب سرد رودخانه در بتن پمپاژ شد و دما را از 105 درجه فارنهایت (41 درجه سانتیگراد) به 45 درجه فارنهایت (7 درجه سانتیگراد) کاهش داد. این کاهش دما باعث انقباض طول سد  به اندازه 8 اینچ شد و  موجب شد تا شکاف های به وجود آمده با دوغاب پر شود.

 

سازهای با ارتفاع زیاد

در سال 1904 و پس از ساخت ساختمان Ingalls اغلب ساختمانهای بلند از فولاد ساخته می شدند. با ساخت برج های دوقلوی 60 طبقه برتراند گلدبرگ در شیکاگو ، مهندسان به استفاده از بتن مسلح در بنا های بلند ترغیب شدند. برج خلیفه، بلندترین سازه جهان (تا سال 2011) که با استفاده از بتن مسلح ساخته شده است؛ 2717 فوت ارتفاع دارد و در شهر دبی، کشور امارات متحده عربی واقع شده است.

در ادامه چند واقعیت در رابطه با برج خلیفه خواهیم گفت:

  • در این برج کاربردهای متنوعی مانند: هتل، دفتر و فضای خرده فروشی، رستوران ها، کلوپ های شبانه ، استخرهای شنا و 900 محل برای اقامت افراد، در نظر گرفته شده است.
  • در ساخت این برج از 431،600 یارد مکعب بتن و 61،000 تن میلگرد استفاده شده است.
  • وزن خالص برج خلیفه چیزی در حدود 500،000 تن است ، این مقدار معادل وزن ملاتی است که در ساخت هرم بزرگ جیزه به کار رفته است.
  • برج خلیفه گنجایش 35،000 نفر را دارد.
  • برخی از 57 آسانسور موجود در این برج با سرعتی در حدود 40 مایل در ساعت حرکت می کنند.
  • با وجود آب و هوای گرم و مرطوب در دبی دما در فضای باز به بیش از 120 درجه فارنهایت می رسد،. تهویه مطبوع مورد نیاز برای کنترل این دما هوای متراکم زیادی تولید می کند؛ این هوا در یک مخزن نگهدارنده در زیرزمین جمع می شود و برای آبیاری مناظر اطراف از آن استفاده می شود.
کاربرد بتن در برج خلیفه در دبی
برج خلیفه در دبی

 

منبع: nachi.org