در فصل اول کتاب “تکنولوژی بتن” (Concrete Technology) به مباحثی مانند بتن و ویژگی‌های آن، خصوصیات بتن خوب، ترکیبات مواد مرکب (کامپوزیت‌ها)، نقش رابط‌ها و رویکردهای مطالعه در این حوزه پرداخته شده است. در پایان این فصل نیز پیشنهاد ویژه‌ای برای علاقه‌مندان ارائه شده است. تا پایان این مقاله با ما همراه باشید!
خواننده این کتاب احتمالاً کسی است که به استفاده از بتن در ساختمان‌ها، پل‌ها، بزرگراه‌ها یا سدها علاقه‌مند است. دیدگاه ما این است که برای استفاده رضایت‌بخش از بتن، هم طراح و هم سازنده باید با تکنولوژی بتن آشنا باشند. تکنولوژی بتن در واقع عنوان این کتاب است و ما باید دلایل این نیاز را بیان کنیم.
امروزه دو ماده ساختمانی رایج استفاده شده عبارتند از: بتن و فولاد. این دو گاهی مکمل یکدیگر هستند و گاهی با یکدیگر رقابت می‌کنند، به طوری که بسیاری از سازه‌های مشابه از هر یک از این مواد می‌توانند ساخته شوند. با این حال، دانشگاه‌ها، پلی‌تکنیک‌ها و کالج‌ها درباره بتن کمتر از فولاد آموزش می‌دهند. این موضوع به خودی خود مهم نیست اگر این واقعیت وجود نداشت که در عمل، افراد شاغل در این حوزه نیاز دارند بیشتر درباره بتن بدانند تا درباره فولاد. این ادعا اکنون نشان داده خواهد شد.
فولاد تحت شرایط کنترل‌شده دقیقی تولید می‌شود، همیشه در کارخانه‌ای بسیار پیشرفته؛ خواص هر نوع فولاد در آزمایشگاه تعیین شده و در گواهی‌نامه تولیدکننده توصیف می‌شود. بنابراین، طراح سازه فولادی تنها نیاز دارد فولاد مطابق با استاندارد مربوطه را مشخص کند و سازنده تنها باید اطمینان حاصل کند که فولاد صحیح استفاده شده و اتصالات بین اعضای مختلف فولاد به درستی اجرا شده‌اند.
در یک محل ساختمانی بتن، وضعیت کاملاً متفاوت است. درست است که کیفیت سیمان توسط تولیدکننده به شکلی مشابه فولاد تضمین می‌شود و در صورت انتخاب سیمان مناسب، کیفیت آن به ندرت عامل نقص در یک سازه بتنی خواهد بود. اما سیمان ماده ساختمانی نیست: بتن است. سیمان نسبت به بتن همانند آرد نسبت به کیک میوه است و کیفیت کیک بستگی به آشپز دارد.
امکان تهیه بتن با کیفیت مشخص از تأمین‌کننده بتن آماده وجود دارد، اما حتی در این حالت، تنها مواد اولیه خریداری می‌شود. حمل، ریختن و به‌ویژه فشرده‌سازی تأثیر زیادی بر محصول نهایی دارند. علاوه بر این، برخلاف فولاد، انتخاب ترکیبات بتن عملاً نامتناهی است و بنابراین انتخاب نمی‌تواند بدون دانش دقیق از خواص و رفتار بتن انجام شود. بنابراین، صلاحیت طراح و تعیین‌کننده مشخصات، تعیین‌کننده کیفیت‌های بالقوه بتن است و صلاحیت پیمانکار و تأمین‌کننده کنترل‌کننده کیفیت واقعی بتن در سازه نهایی هستند. از این رو، آن‌ها باید به طور کامل با خواص بتن و فرآیند ساخت و ریختن بتن آشنا باشند.
بتن چیست؟
یک مرور کلی بر بتن به عنوان یک ماده در این مرحله دشوار است زیرا باید از بحث درباره دانش تخصصی که هنوز ارائه نشده خودداری کنیم، بنابراین باید خود را به برخی ویژگی‌های خاص بتن محدود کنیم.
بتن به معنای گسترده، هر محصول یا جرمی است که با استفاده از یک محیط سیمانی ساخته شده است. به طور کلی، این محیط محصول واکنش بین سیمان هیدرولیک و آب است. اما امروزه حتی چنین تعریفی دامنه وسیعی از محصولات را پوشش می‌دهد: بتن با چندین نوع سیمان و همچنین حاوی پوزولان، خاکستر پروازی، ذغال سنگ کوره‌های آجرپزی، میکروسیلیکا، افزودنی‌ها، سنگدانه بازیافتی بتنی، افزودنی‌ها، پلیمرها، الیاف و غیره ساخته می‌شود؛ و این بتن‌ها می‌توانند حرارت داده شده، با بخار درمانی شوند، اتوکلاو شوند، تحت فشار هیدرولیکی قرار گیرند، به شوک لرزش داده شوند، اکسترود شده و اسپری شوند. این کتاب محدود به بررسی حداکثر ترکیبی از سیمان، آب، سنگدانه (درشت و ریز) و افزودنی‌ها است.
این بلافاصله سؤال مطرح می‌کند: رابطه بین اجزای این ترکیب چیست؟ سه احتمال وجود دارد. اول، می‌توان محیط سیمانی، یعنی محصولات هیدراتاسیون سیمان، را به عنوان ماده ساختمانی اصلی در نظر گرفت و سنگدانه نقش رقیق‌کننده ارزان یا ارزان‌تر را ایفا کند. دوم، می‌توان سنگدانه درشت را به عنوان نوعی مصالح سنگی کوچک دید که توسط ملات، یعنی ترکیبی از سیمان هیدراته و سنگدانه ریز، به هم متصل شده‌اند. سومین امکان این است که به عنوان یک تقریب اولیه، بتن از دو فاز تشکیل شده باشد: خمیر سیمان هیدراته و سنگدانه، و به همین دلیل خواص بتن تحت تأثیر خواص این دو فاز و همچنین وجود رابط‌ها بین آن‌ها قرار می‌گیرد.
دیدگاه دوم و سوم هر کدام دارای مزیت‌هایی هستند و می‌توانند رفتار بتن را توضیح دهند. دیدگاه اول، که خمیر سیمان با سنگدانه رقیق شده است، باید کنار گذاشته شود. فرض کنید بتوانید سیمان را ارزان‌تر از سنگدانه خریداری کنید – آیا باید از ترکیبی تنها از سیمان و آب به عنوان ماده ساختمانی استفاده کنید؟ پاسخ به‌شدت خیر است زیرا «تغییرات حجمی» خمیر سیمان هیدراته بسیار زیاد است: انقباض خمیر سیمان خالص تقریباً ده برابر انقباض بتن با ۲۵۰ کیلوگرم سیمان در هر متر مکعب است. تقریباً همین امر برای لغزش نیز صدق می‌کند. علاوه بر این، حرارتی که توسط مقدار زیادی سیمان هیدراته تولید می‌شود، به ویژه در آب و هوای گرم، ممکن است به ترک‌خوردگی منجر شود. همچنین می‌توان مشاهده کرد که بیشتر سنگدانه‌ها نسبت به خمیر سیمان کمتر مستعد حمله شیمیایی هستند، حتی اگر خود خمیر نیز نسبتاً مقاوم باشد. بنابراین، مستقل از هزینه، استفاده از سنگدانه در بتن مفید است.
بتن خوب
مفید به این معنی است که تأثیر مثبت دارد و ما می‌توانیم، در واقع ما باید، سؤال کنیم: بتن خوب چیست؟ راحت‌تر است که ابتدا اشاره کنیم که بتن بد متاسفانه یکی از مواد ساختمانی بسیار رایج است. بتن بد به معنای ماده‌ای با قوام سوپ، سخت‌شدن به یک جرم عسل‌پوشیده، ناهمگن و ضعیف است که به سادگی با مخلوط کردن سیمان، سنگدانه و آب ساخته می‌شود. به طور شگفت‌آور، ترکیبات بتن خوب دقیقاً همانند بتن بد هستند و تفاوت تنها به دلیل «دانش فنی» است.
با این «دانش فنی» می‌توانیم بتن خوب بسازیم و دو معیار کلی وجود دارد که بر اساس آن‌ها می‌توان آن را تعریف کرد: باید در حالت سخت‌شده و همچنین در حالت تازه خود رضایت‌بخش باشد در حالی که از میکسر حمل شده و در قالب‌گیری جاگذاری می‌شود. به طور کلی، نیازمندی‌ها در حالت تازه این است که قوام ترکیب به گونه‌ای باشد که بتن بتواند با وسایل موجود در محل کار فشرده شود و همچنین ترکیب به اندازه کافی همبند باشد تا بدون جداسازی با وسایل موجود حمل و جاگذاری شود. واضح است که این نیازمندی‌ها مطلق نیستند بلکه بستگی به این دارد که حمل‌ونقل توسط یک اسکیپ با تخلیه پایین یا با یک کامیون صفحه‌ای انجام شود که مورد دوم، البته، روش خوبی نیست.
در مورد حالت سخت‌شده، نیازمندی معمول مقاومت فشاری رضایت‌بخش است. ما همیشه مقاومت را مشخص میکنیم زیرا اندازه‌گیری آن آسان است، اگرچه «عدد» به دست آمده از آزمایش قطعاً معیار مقاومت ذاتی بتن در سازه نیست بلکه فقط کیفیت آن را نشان می‌دهد. بنابراین، مقاومت یک راه آسان برای تأیید تطابق با مشخصات است و تعهدات قراردادی را مرتب می‌کند. با این حال، دلایل دیگری نیز برای توجه به مقاومت فشاری وجود دارد، یعنی بسیاری از خواص بتن به مقاومت فشاری آن مرتبط هستند. این‌ها عبارتند از: چگالی، نفوذناپذیری، دوام، مقاومت در برابر ساییدگی، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت کششی، مقاومت در برابر سولفات‌ها و برخی دیگر، اما نه انقباض و نه لزج. ما نمی‌گوییم که این خواص یک تابع واحد و منحصر به فرد از مقاومت فشاری هستند و از مسئله اینکه آیا دوام بهتر با مشخص کردن مقاومت، نسبت آب به سیمان یا محتوای سیمان تضمین می‌شود آگاه هستیم. اما نکته این است که به طور کلی، بتن با مقاومت بالاتر دارای خواص مطلوب‌تری است. مطالعه دقیق‌تر همه این موارد البته موضوع فناوری بتن است.
مواد مرکب (کامپوزیت)
ما به بتن به عنوان یک ماده دو فازی اشاره کرده‌ایم و اکنون باید به این موضوع بیشتر بپردازیم، با اشاره ویژه به مدول الاستیسیته محصول مرکب. به طور کلی، یک ماده مرکب متشکل از دو فاز می‌تواند دو شکل اساسی متفاوت داشته باشد. اولین مورد ماده سخت مرکب ایده‌آل است که دارای ماتریس پیوسته‌ای از فاز الاستیک با مدول الاستیسیته بالا و ذرات جاسازی‌شده‌ای با مدول کمتر است. نوع دوم ساختار ماده نرم مرکب ایده‌آل است که از ذرات الاستیک با مدول الاستیسیته بالا در ماتریس پیوسته‌ای با مدول کمتر تشکیل شده است.
تفاوت بین این دو حالت می‌تواند در محاسبه مدول الاستیسیته مرکب بزرگ باشد. در مورد ماده سخت مرکب، فرض می‌شود که کرنش در هر مقطع ثابت است، در حالی که تنش‌ها در فازها متناسب با مدول‌های مربوطه آن‌ها هستند. این حالت در سمت چپ شکل ۱.۱ نشان داده شده است. از سوی دیگر، برای ماده نرم مرکب، مدول الاستیسیته از فرض اینکه تنش در هر مقطع ثابت است محاسبه می‌شود، در حالی که کرنش در فازها معکوس با مدول‌های مربوطه آن‌ها است؛ این تصویر در سمت راست شکل ۱.۱ نشان داده شده است. معادلات مربوطه عبارتند از:
که در آن:
- EE = مدول الاستیسیته ماده مرکب،
- EmE_m = مدول الاستیسیته فاز ماتریسی،
- EpE_p = مدول الاستیسیته فاز ذره‌ای،
- gg = حجم کسری ذرات.
نباید با سادگی این معادلات فریب بخوریم و به این نتیجه برسیم که تنها چیزی که نیاز داریم بدانیم این است که آیا مدول الاستیسیته سنگدانه بالاتر یا پایین‌تر از خمیر است. واقعیت این است که این معادلات مرزهایی برای مدول الاستیسیته مرکب نشان می‌دهند. با توزیع تصادفی سنگدانه در بتن، هیچ‌یک از این مرزها قابل دستیابی نیست زیرا هیچ‌کدام الزامات تعادل و سازگاری را برآورده نمی‌کنند. برای اهداف عملی، تقریباً یک تقریب خوب توسط عبارت ماده نرم مرکب برای ترکیب‌هایی که با سنگدانه‌های عادی ساخته شده‌اند ارائه می‌شود؛ برای ترکیب‌های سنگدانه سبک، عبارت ماده سخت مرکب مناسب‌تر است.
از نظر علمی، باید بیشتر درباره روش دو فازی صحبت کنیم، و آن این است که می‌توانیم این روش را تنها به فاز سیمان به عنوان یک مرحله دوم اعمال کنیم. خمیر سیمان را می‌توان به عنوان ترکیبی از دانه‌های سخت سیمان غیرهیدراته در ماتریس نرم محصولات هیدراتاسیون دید. محصولات هیدراتاسیون به نوبه خود شامل منافذ کاپیلاری نرم در ماتریس سخت ژل سیمان هستند. معادلات مناسب می‌توانند به راحتی نوشته شوند، اما برای هدف حاضر، کافی است که بدانیم سخت و نرم نسبی هستند، نه مطلق.
نقش رابط‌ها
خواص بتن نه تنها تحت تأثیر خواص فازهای تشکیل‌دهنده بلکه تحت تأثیر وجود رابطهای آن‌ها نیز قرار می‌گیرد. برای درک این موضوع باید توجه کنیم که حجم اشغال‌شده توسط بتن تازه به‌خوبی فشرده شده کمی بیشتر از حجم فشرده‌شده سنگدانه‌ای است که این بتن حاوی آن است. این تفاوت به این معنی است که ذرات سنگدانه در تماس نقطه‌ای نیستند بلکه توسط یک لایه نازک خمیر سیمان از یکدیگر جدا شده‌اند، یعنی توسط خمیر پوشیده شده‌اند. تفاوت حجمی که به تازگی اشاره کردیم معمولاً حدود ۳ درصد است و گاهی بیشتر.
یکی از نتیجه‌گیری‌های این مشاهده این است که خواص مکانیکی بتن، مانند سختی، نمی‌توان آن‌ها را به خواص مکانیکی تجمع سنگدانه نسبت داد بلکه باید به خواص ذرات سنگدانه فردی و ماتریس توجه کرد.
نتیجه‌گیری دیگر این است که رابط‌ها بر مدول الاستیسیته بتن تأثیر می‌گذارند. اهمیت رابط‌ها در فصل ۶ توضیح داده شده است و یک شکل در آن فصل (شکل ۶.۱۱) روابط تنش-کرنش برای سنگدانه، خمیر سیمان خالص و بتن را نشان می‌دهد. در اینجا چیزی داریم که در نگاه اول پارادوکس به نظر می‌رسد: سنگدانه به تنهایی رابطه تنش-کرنش خطی نشان می‌دهد و همین‌طور خمیر سیمان هیدراته خالص. اما ماده کامپوزیتی که از هر دو تشکیل شده، یعنی بتن، رابطهای منحنی دارد. توضیح این موضوع به وجود رابط‌ها و ناحیه گذار شناخته‌شده به عنوان ناحیه انتقال در توسعه ریزترک‌ها در این رابط‌ها تحت بار است. این ریزترک‌ها به تدریج در رابط‌ها توسعه می‌یابند و با تنش اعمال‌شده زاویه‌های مختلفی می‌سازند، بنابراین شدت تنش محلی و اندازه کرنش به طور پیوسته افزایش می‌یابد. بنابراین، کرنش با نرخ سریع‌تری نسبت به تنش اعمال‌شده افزایش می‌یابد و به همین دلیل منحنی تنش-کرنش ادامه می‌یابد و رفتار ظاهراً شبه‌پلاستیک دارد.
رویکرد به مطالعه بتن
نمایش مقدماتی پیش‌رو، به ناچار بسیاری از اصطلاحات و مفاهیمی را معرفی می‌کند که ممکن است برای خواننده کاملاً روشن نباشد. بهترین رویکرد این است که فصل‌های بعدی را مطالعه کرده و سپس به این فصل بازگردید.
ترتیب ارائه به این صورت است: ابتدا، مواد تشکیل‌دهنده بتن: سیمان، سنگدانه عادی و آب مخلوط. سپس، بتن در حالت تازه آن. فصل بعدی درباره مقاومت بتن بحث می‌کند زیرا همان‌طور که قبلاً ذکر شد، این یکی از مهم‌ترین خواص بتن و یکی از ویژگی‌های برجسته در مشخصات است.
پس از تعیین نحوه ساخت بتن و نیازهای اساسی، به برخی تکنیک‌ها می‌پردازیم: مخلوط‌کردن و دست‌کاری، استفاده از افزودنی‌ها برای تغییر خواص در این مرحله و روش‌های مقابله با مشکلات دما.
در فصل‌های بعدی، توسعه مقاومت، خواص مقاومت غیر از مقاومت فشاری و کششی، و رفتار تحت تنش را بررسی میکنیم. سپس رفتار در محیط معمولی، دوام و در یک فصل جداگانه، مقاومت در برابر یخ‌زدگی و انجماد را بررسی میکنیم.
پس از مطالعه خواص مختلف بتن، به آزمایش و تطابق با مشخصات و در نهایت به طراحی ترکیب می‌پردازیم؛ چرا که باید بتوانیم ترکیب مناسب را برای کار مناسب انتخاب کنیم. دو فصل دانش ما را به مواد کمتر رایج گسترش می‌دهند: بتن سبک و بتن‌های ویژه. به عنوان پایان، مزایا و معایب بتن به عنوان یک ماده ساختمانی ساختاری را مرور میکنیم.
پیشنهاد ویژه
در “دانشنامه بتن” شرکت همیار بتن شیرکوه، ما هر هفته یک فصل از کتاب “Concrete Technology” اثر Adam M. Neville و J. J. Brooks را به فارسی ترجمه و منتشر میکنیم. با همراهی با ما، می‌توانید از مطالب این کتاب ارزشمند بهره‌مند شوید و دانش خود را در زمینه تکنولوژی بتن و مهندسی عمران گسترش دهید. برای دریافت آخرین ترجمه‌ها و مطالب آموزشی، از پیگیری دانشنامه بتن شرکت همیار بتن شیرکوه غافل نشوید!
