بتن - تعاریف و کلیات

بتن ترکیبی است همگن که از سیمان، سنگدانه، آب و مقداری افزودنی ساخته شده است. این ماده ی شگفت انگیز به دلیل خواص منحصر به فرد خود گوی سبقت را از تمامی مصالح ساختمانی دیگر ربوده است به طوری که امروزه تولید بتن در دنیا بیش از 10 برابر تولید فولاد (دیگر ماده ی پر مصرف ساختمانی) است. شکل پذیری، مقاومت بالا، دوام مناسب در برابر آتش سوزی، هزینه  تولید نسبتاً پایین و ... تنها برخی از ویژگی ها و امتیازات بتن به شمار می رود.

بتن به طور کلی از سه فاز تشکیل شده است که خواص آن عمدتاً به ماهیت این سه فاز مربوط می­شود. یک فاز مربوط به بخش خمیر سیمان به عنوان یک چسباننده­ ی قوی است که وظیفه­ ی در کنار هم نگه داشتن دیگر اجزا را دارد. فاز دیگر همان سنگدانه ­های موجود در مخلوط بتن هستند که بیشترین حجم (حدود 75 درصد) را در مخلوط به خود اختصاص داده­اند و در نهایت فاز بسیار مهم و تأثیر گذاری که مابین این دو فاز، یعنی فاز خمیر سیمان و سنگدانه، قرار دارد و آن را ناحیه ی انتقال (ITZ) می­نامند. اهمیت هر کدام از فازها به ترتیبی است که می­تواند ویژگی­ های کلی یک بتن را به شدت مورد تأثیر قرار داده و یک یا چند خواص مختلف را به آن اضافه یا کم نماید. به عنوان مثال، در فاز خمیر سیمان اگر به نسبت آب به سیمان توجه کافی نشود و مقدار این نسبت خارج از کنترل گردد، احتمالاً با یک مخلوط بتنی کم مقاومت و با دوام پایین رو به رو خواهیم بود.

هر آنچه باید بدانید : چگونه بتن را آب بند کنیم ؟

در این مطلب قصد داریم به طور مختصر سه فاز مهم موجود در بتن را بررسی کرده و با اثرات هر یک بیشتر آشنا شویم. لازم به ذکر است که این سه فاز از یکدیگر جدا نبوده و اثر هر کدام بر دیگری می­تواند ویژگی­ ها و خواص منحصر به فردی را در محصول نهایی بتن بوجود آورد. بنابراین توصیه می­شود علاوه بر تحلیل و بررسی هر کدام از فازهای بتن به طور جداگانه، به برهم کنش آنها در مخلوط همگن نیز توجه ویژه ­ای گردد.

فازهای مختلف بتن

1- فاز خمیر سیمان:

این فاز متشکل از سیمان هیدرولیکی و آب است. ذرات ریز سیمان با آب موجود در مخلوط واکنش شیمیایی برقرار کرده و محصولات جدید را تولید می­نمایند. به این واکنش شیمیایی که طی آن خواص گیرش و مقاومت حاصل می­گردد، هیدراسیون (هیدراتاسیون یا Hydration) گفته می­شود. در این واکنش شیمیایی نیز مانند هر واکنش شیمیایی دیگر سه عامل ترکیبات واکنش، انرژی واکنش (آنتالپی) و سرعت انجام واکنش (سینتیک شیمیایی) در شکل گیری محصولات واکنش مؤثرند.

همانطور که می­دانیم، سیمان از آسیاب کردن گلوله­ های کلینکر و مقداری سنگ گچ (سولفات کلسیم) بدست می­آید. این ماده در درون خود دارای ترکیباتی همچون سیلیکات­ های کلسیم (C₃S , C₂S)، آلومینات کلسیم (C₃A)، فروآلومینات (C₄AF)، اکسید منیزیم (MgO)، اکسید کلسیم (CaO) و برخی دیگر سولفات ­ها می­باشد. مقدار هر یک از این ترکیبات در ذرات سیمان نقش مهمی بر خواص نهایی آن دارد به طوری که می­توان با تغییر در این مقادیر، سیمان با ویژگی­های مخصوصی تولید کرد. اما به طور کلی می­توان گفت که سیلیکات ­های کلسیم، آلومینات­ها و فروآلومینات­ ها مهمترین نقش را در بین سایر ترکیبات ایفا می­کنند. سیلیکات­ های کلسیم عامل افزایش مقاومت خمیر سیمان و بتن هستند و آلومینات­ها به همراه فروآلومینات­ ها در گیرش اولیه و نهایی سیمان اثر مستقیمی دارند.

 2- فاز سنگدانه:

حدود 75 درصد حجم بتن مربوط به فاز سنگدانه ها است. سنگدانه ارزانترین جزء تشکیل دهنده­ ی بتن است که علاوه بر کاهش هزینه­ ی ساخت بتن، در افزایش مقاومت و دوام نیز تأثیر مستقیمی دارد. انتخاب نوع سنگدانه از نظر تیز گوشه یا گرد گوشه بودن، بر کارایی و مقاومت بتن تأثیر گذار است. سنگدانه­های تیز گوشه معمولاً به مخلوط بتن بافتی خشن داده و مقاومت بتن را افزایش می­دهند. روانی و کارایی در این نوع از بتن­ ها نسبت به بتن­ های ساخته شده با مصالح سنگی گرد گوشه، کمتر است. مصالح سنگی گرد گوشه (مصالح طبیعی یا رودخانه­ای) معمولاً کارایی و درجه­ی خمیری بتن تازه را افزایش می­دهند اما به علت درگیری کمتر با خمیر سیمان نسبت به مصالح سنگی تیز گوشه، مقاومت کمتری خواهند داشت.

حدود 60 تا 70 درصد از حجم کل سنگدانه ­ها را شن و 30 الی 40 درصد آن را ماسه تشکیل می­دهد. توزیع اندازه ذرات یا همان دانه­ بندی مناسب از مهمترین عوامل برای داشتن بتنی کارا، مقاوم و بادوام است. بهترین دانه­ بندی برای بتن زمانی رخ می­دهد که بیشترین چگالی و کمترین فضای خالی در مخلوط بتن موجود باشد. هرچه فضای خالی کمتر باشد، مقدار خمیر سیمان لازم نیز کمتر می­شود. به این ترتیب می­توان با استفاده­ ی کمتر از سیمان، هزینه­ی تولید بتن را کاهش داده و به یک طرح اختلاط بهینه دست یافت. تعیین دقیق میزان استفاده از شن و ماسه در طرح اختلاط نیاز به آزمایش­ های آزمایشگاهی دارد و برای اهداف مختلف نیز می­تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال، معمولاً برای ساخت بتن­ های خودمتراکم از میزان درشت دانه کاسته و به ریزدانه افزوده می­شود.

محصولاتی که در ساخت بتن کاربرد دارند : چسب بتن

جنس سنگدانه­ ها نیز در پارامترهای مقاومت و دوام بتن بسیار تأثیرگذار است. سنگدانه ­های با سختی بالاتر (حدود 7 الی 8 برای سنگدانه­ های سیلیسی) می­توانند علاوه بر افزایش مقاومت فشاری بتن، دوام آن در برابر سایش را نیز به شکل مؤثری اافزایش می­دهد. در ساخت بتن باید دقت شود تا حد امکان از سنگدانه ­های پولکی و سوزنی استفاده نشود. زیرا این دانه ­ها به دلیل نوع بافت و ابعاد، به راحتی تحت تمرکز تنش ناشی از بارگذاری قرار گرفته و می ­شکنند. آیین نامه­ ی بتن ایران استفاده از این نوع دانه­ها را به 15 درصد وزن کل سنگدانه محدود کرده است. لازم به ذکر است سنگدانه­ های پولکی دانه ­هایی هستند که ضخامت آنها نسبت به دو بعد دیگر کمتر است و سنگدانه ­های سوزنی دانه­ هایی هستند که طول آنها نسبت به دو بعد دیگر بسیار زیاد است.

3- فاز ناحیه­ ی انتقال (ITZ):

در فضای خالی میان سنگدانه ها خمیر سیمان جای می­گیرد. ذرات سیمان دور تا دور سنگدانه­ های درشت و کوچک را احاطه می­کنند. هنگامی که آب و ذرات سیمان شروع به فعالیت کرده و محصولات هیدراسیون را تولید می­کنند، بلورهای بزرگ و هشت وجهی هیدروکسید کلسیم (C-H) در مجاورت سطح سنگدانه­ های درشت قرار می­گیرند. هر چه سطح ویژه سنگدانه­ها کمتر باشد (یعنی ذرات با ابعاد بزرگتری موجود باشند)، هیدروکسید کلسیم نیز در مجاورت آن بیشتر تجمع کرده و غلظت بیشتری را بوجود می­آورد. وجود این بلورهای درشت در کنار سنگدانه ­ها مانع از تشکیل پیوند میان سیلیکات کلسیم هیدروکسید (C-S-H) و منافذ سنگدانه­ ها می ­گردد. از این رو، عملاً پیوند میان سنگدانه و ماده­ ی چسباننده (خمیر سیمان) شکل نمی­گیرد.

ناحیه­ ی انتقال ضعیف­ ترین بخش در میان فازهای موجود در بتن است. در حقیقت می­توان گفت ترک ناشی از بارگذاری فشاری از این ناحیه آغاز شده و گسترش می­یابد. در واقع هرچه میزان این ناحیه در بتن محدودتر باشد، می­توان از بتن انتظار مقاومت بالاتری را داشت. راه­­های مختلفی برای کاهش غلظت ناحیه ­ی انتقال وجود دارد که از اصل اساسی در تمامی آنها کاهش غلظت هیدروکسید کلسیم به عنوان یک عامل بازدارنده است.

یکی از روش­ ها برای کاهش ناحیه­ ی انتقال استفاده از پوزولان ­های مصنوعی یا طبیعی است. پوزولان ­هایی مانند میکروسیلیس یا خاکستر بادی به عنوان پوزولان­ های صنعتی و متاکائولن یا نانوتوف به عنوان پوزولان­های طبیعی می­توانند در کاهش میزان ناحیه­ی انتقال در مخلوط بتن تأثیر به سزایی داشته باشند. با افزودن این مواد فعال واکنشی در خمیر سیمان، ذرات سیلیس آمورف موجود در پوزولان با هیدروکسید کلسیم واکنش داده و علاوه بر کاهش غلظت آن، موجب تشکیل سیلیکات کلسیم هیدراته نیز می­شود. تشکیل ژل C-S-H علاوه بر کاهش نفوذپذیری و افزایش خاصیت چسبندگی میان سنگدانه ­ها، مقاومت را نیز افزایش می­دهند.

یکی دیگر از روش­ های کاهش ناحیه­­ ی انتقال استفاده از دانه بندی مناسب در ساخت بتن است. استفاده از دانه بندی مناسب می­تواند منجر به ساخت بتنی با نفوذپذیری کمتر، چگالی بالاتر و در نتیجه مصرف کمتر خمیر سیمان گردد. هر چه خمیر سیمان کمتری در بتن یه کار رود، امکان بوجود آمدن هیدروکسید کلسیم نیز کاهش می­یابد و در نتیجه ناحیه­ ی انتقال کمتری نیز شکل می­گیرد.

به کارگیری درشت ­دانه با ابعاد مناسب نیز از دیگر راهکارهای کاهش ناحیه ­ی انتقال است. استفاده از شن با ابعاد درشت به دلیل سطح ویژه ­ی کم، احتمال تشکیل ناحیه ­ی آن انتقال در مجاورت ذرات را افزایش می­دهد. بنابراین می­توان با دقت در انتخاب مصالح سنگی درشت­ دانه به مخلوطی با چگالی بیشتر و نفوذپذیری کمتر دست یافت، که این موضوع در کاهش ناحیه­ ی انتقال موجود در بتن اثر گذار است.

برای مطالعه بیشتر : فرق روان کننده و فوق روان کننده در چیست ؟