بتن چیست؟ اجزا و افزودنی های آن کدامند؟
بتن چیست؟
بتن، ترکیبی از شن، ماسه یا سنگ‌های خردشده با سنگدانه‌های ریز و درشت می باشد که توسط یک خمیر سیمانی به یکدیگر متصل شده‌اند. البته با توجه به خواص مورد نیاز، امکان استفاده از افزودنی‌های شیمیایی مانند کندگیر کننده، روان کننده و غیره یا افزودنی‌های معدنی مانند خاکستر بادی، سرباره و غیره نیز وجود دارد. سخت شدن مخلوط بتن، نتیجه یک فرآیند شیمیایی بین آب و سیمان است.
مقاله‌ای برای علاقه مندان به حوزه بتن ؛ بررسی تخصصی انواع بتن و کاربردهای آن
بتن سخت شده را می‌توان به عنوان یک سنگ مصنوعی در نظر گرفت، که در آن فضای بین ذرات بزرگ‌تر (سنگدانه‌های درشت) توسط ذرات کوچکتر (سنگدانه‌های ریز) و فضای بین سنگدانه‌های ریز توسط سیمان پر شده‌اند.
در یک مخلوط بتن، مواد سیمانی و آب باعث تشکیل خمیری با عنوان خمیر سیمان می‌شوند. وظیفه خمیر سیمان، پر کردن فضای خالی بین سنگدانه‌های ریز، پوشاندن سطح سنگدانه‌های ریز و درشت و پیوند بین تمام ذرات در حین فرآیند سخت شدن یا گیرش می باشد.
اجزا تشکیل دهنده بتن کدامند؟
همانطور که گفته شد، بتن ترکیبی از شن، ماسه، سنگ‌های خرد شده یا دیگر سنگدانه‌ها می باشد که توسط یک خمیر چسبنده در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند. خواص این ماده به ترکیبات مورد استفاده در آن و نسبت مخلوط کردن این مواد بستگی دارد. به طور کلی، اجزا تشکیل دهنده بتن عبارت هستند از:
سیمان
سیمان یک بایندر هیدرولیک می باشد که در ساخت بتن به کار می‌رود. بایندرهای هیدرولیک موادی هستند که در صورت ترکیب با آب شروع به سفت شدن می‌کنند. خمیر سیمان (ترکیب آب با سیمان) طی یک واکنش شیمیایی به نام هیدراتاسیون یا آبپوشی سفت می‌شود. واکنش هیدارتاسیون هم در هوای آزاد و هم در زیر آب رخ می‌دهد.
سیمان پرتلند
از بین مواد اصلی تشکیل دهنده بتن، سیمان تنها جزئی است که خود از ترکیبات دیگر تشکیل می‌شود. پرکابردترین نوع سیمان مورد استفاده برای ساخت بتن، سیمان پرتلند می باشد. برای ساخت سیمان پرتلند، سنگ آهک، ماسه سنگ، شیل، آهن، رس و خاکستر بادی در یک کوره استوانه‌ای ریخته می شوند. سپس، مخلوط به دست آمده در معرض دمای بالای 1600 درجه سلسیوس قرار می‌گیرد. با خروج آب و کربن دی اکسید در طی این فرآیند، ترکیب جدیدی با عنوان کلینکر به وجود می‌آید. با سایش کلینکر (تبدیل آن به ذرات ریز) و مخلوط کردن آن با ژیپس، سیمان پرتلند به دست می‌آید. طبق استاندارد اروپا، سیمان به پنج گروه زیر تقسیم می‌شود:
- CEM I: سیمان پرتلند (تیپ 1)
- CEM II: سیمان کامپوزیتی (تیپ 2 عمدتا متشکل از سیمان پرتلند)
- CEM III: سیمان سرباره ای (تیپ 3)
- CEM IV: سیمان پوزولان (تیپ 4)
- CEM V: سیمان کامپوزیتی (تیپ 5)
مقاله مخصوص علاقه مندان به حوزه سیمان ؛ سیمان نسوز چیست و چه کاربردی دارد؟
سنگدانه
سنگدانه بتن، معمولا ترکیبی از شن (ذرات درشت) و ماسه (ذرات ریز) با دانه‌بندی مشخص می باشد. سنگدانه‌ها به عنوان بافت دانه‌ای بتن، توسط خمیر سیمانی در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند. این مواد، 70 تا 80 درصد وزن بتن را تشکیل می‌دهند. استفاده از سنگدانه‌هایی با اندازه و کیفیت بهینه، خواص نهایی بتن را بهبود می‌بخشد.
سنگدانه‌ها به صورت طبیعی (در بستر رودخانه‌ها) و صنعتی (سبک و بازیافت شده) قابل دسترسی هستند. به منظور دستیابی به کیفیت بالای بتن، این مواد شسته می‌شوند و توسط فرآیندهای مکانیکی (سنگ شکنی، سرند کردن و مخلوط کردن) به دانه‌بندی‌های مختلف درمی‌آیند. از ویژگی‌های سنگدانه‌های خوب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سنگدانه‌ها باید پیوند محکمی با خمیر سیمانی سفت شده برقرار کنند.
- سنگدانه‌ها نباید در فرآیند سفت شدن سیمان خللی ایجاد کنند.
- سنگدانه‌ها نباید بر روی دوام بتن، تاثیر منفی داشته باشند.
آب
کیفیت آب مورد استفاده در ساخت بتن‌ها به منبع آن بستگی دارد. طبق استاندارد EN1008، انواع آب به موارد زیر تقسیم می‌شوند:
- آب آشامیدنی: این آب برای ساخت بتن مناسب می باشد.
- آب بازیافتی: آبی که در طی فرآیندهای ساخت بتن‌ها بازیافت می‌شود نیز عموما برای استفاده مجدد مناسب می باشد. البته میزان مواد جامد درون آن نباید بیشتر از یک درصد وزن کل سنگدانه‌ها باشد.
- آب زیرزمینی: این آب نیز می‌تواند برای ساخت بتن‌ها مناسب باشد اما محتوای آن باید مورد بررسی قرار گیرد.
- آب دریا (آب شور): استفاده از آب دریا در ساخت بتن‌های معمولی ایرادی ندارد اما نباید از این نوع آب در ساخت بتن‌های مسلح یا پیش تنیده استفاده کرد. دلیل این موضوع، احتمال واکنش شیمیایی کلراید با میله‌های تقویت‌کننده است.
- آب فاضلاب: به کار بردن این آب در ترکیب بتن‌ها مناسب نیست.
افزودنی
افزودنی‌ها، مواد مایع یا پودرهایی هستند که قبل یا در حین مخلوط کردن به ترکیب بتن اضافه می‌شوند. میزان افزودنی مورد استفاده به مقدار سیمان بستگی دارد. افزودنی‌های بتن، تاثیر قابل توجهی بر روی خواص مخلوط تازه یا سخت شده می‌گذارند. تاثیر این مواد به صورت شیمیایی یا فیزیکی است. افزودنی‌ها به دو دسته شیمیایی و معدنی تقسیم می‌شوند. در بخش مربوط به افزودنی‌های بتن، به معرفی انواع افزودنی‌های شیمیایی و معدنی می پردازیم.
وظیفه اجزا تشکیل دهنده بتن چیست؟
هر یک از اجزا تشکیل‌دهنده بتن، وظیفه مخصوص به خود را دارند. وظیفه سیمان، تبدیل بتن از حالت مایع به جامد می باشد. با ترکیب آب با سیمان پرتلند و فراهم شدن رطوبت، دما و زمان کافی، مخلوط به وجود آمده شروع به سفت شدن می‌کند. به این فرآیند، عمل آوری یا کیورینگ گفته می شود. عمل آوری سیمان پرتلند، توسط تبخیر آب انجام نمی‌شود؛ بلکه از طریق یک واکنش شیمیایی هیدراتاسیون یا آبپوشی صورت می‌گیرد. در واقع، آب طی فرآیند هیدراتاسیون به بخشی از بتن عمل آمده تبدیل می‌شود. به همین دلیل، نباید اجازه خشک شدن بتن در حین عمل آوری را داد. این کار می‌تواند مانع تکمیل هیدراتاسیون و جلوگیری از رسیدن مخلوط به مقاومت نهایی آن شود.
با توجه به این مطالب، ممکن است این سوال به وجود بیاید، که اگر آب و سیمان به تنهایی باعث عمل آوری بتن و سفت شدن آن می‌شوند، پس وظیفه شن و ماسه (سنگدانه) چیست؟
برای پاسخ به این سوال، باید بدانیم که خمیر سیمانی تمام سنگدانه‌های ریز و درشت را کنار یکدیگر نگه داشته و فضای خالی بین آن‌ها را پر کرده است. استفاده از ترکیب آب و سیمان خالی می‌تواند هزینه بالایی داشته باشد. بنابراین، استفاده از سنگدانه‌ها باعث کاهش هزینه کل می‌شود. به علاوه، استفاده از این مواد منجر به افزایش مقاومت و همچنین کاهش جمع شدگی (ناشی از خروج آب در حین عمل آوری) خواهد شد. در نهایت، کنار یکدیگر قرار گرفتن تمام این اجزا، بتن را به یکی از مناسب‌ترین مصالح ساختمانی تبدیل می‌کند. در ادامه، به معرفی انواع مختلف افزودنی‌ها و تاثیر آن‌ها بر روی خواص بتن خواهیم پرداخت.
افزودنی بتن چیست و چه کاربردی دارد؟
افزودنی‌های بتن، موادی هستند که دقیقا قبل از مخلوط کردن یا در حین مخلوط کردن به ترکیبات بتن اضافه می‌شوند. هدف از به کارگیری این مواد، کاهش هزینه، تغییر خواص، بهبود کیفیت و افزایش بهره‌وری در حین عملیات‌های اختلاط، انتقال، بتن‌ریزی و گیرش می باشد. امروزه در بسیاری از مخلوط‌های بتن، یک یا چند افزودنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هزینه افزودنی‌ها به نوع و کیفیت آن‌ها بستگی دارد. به طور کلی، افزودنی‌ها به دو گروه افزودنی شیمیای و افزودنی معدنی تقسیم می‌شوند.
پیش تر در مقالات حوزه اجرائیات ساختمانی به تفاوت بازسازی، نوسازی و بهسازی ساختمان پرداخته ایم.
انواع افزودنی های شیمیایی بتن کدامند؟
افزودنی های شیمیایی بتن، به شش گروه دیرگیر کننده، حباب ساز، کاهنده آب، تسریع کننده، کاهنده جمع شدگی، روان کننده و ضد خوردگی تقسیم می‌شوند. در ادامه، به معرفی هر یک از این افزودنی‌ها و تاثیر آن‌ها بر روی خواص بتن می‌پردازیم.
دیرگیر کننده بتن
دیرگیر کننده، شروع واکنش شیمیایی مورد نیاز برای گیرش را به تاخیر می‌اندازد. این نوع از افزودنی‌ها معمولا برای مقابله با شروع زودهنگام گیرش به دلیل گرمای زیاد محیط مورد استفاده قرار می‌گیرند. به کارگیری دیرگیر کننده در هنگام ساخت پیاده‌روها باعث افزایش زمان موجود برای پرداخت بتن تازه، کاهش هزینه‌های اضافی ناشی از راه‌اندازی سایت بچینگ و کاهش احتمال رخ دادن ترک می‌شود. اضافه کردن دیرگیر کننده به دال بتنی، مقاومت این سازه در برابر ترک‌خوردگی را افزایش می‌دهد.
استفاده از دیرگیر کننده، زمان کافی برای پرداخت مناسب را فراهم می آورد.
اکثر دیرگیر کننده‌ها به عنوان کاهنده آب و حباب ساز نیز عمل می‌کنند. شکر، به عنوان یک ماده دیرگیر کننده شناخته می‌شود. به ازای 0.06 درصد از این ماده خوراکی در یک واحد آب مورد استفاده برای ساخت بتن، زمان گیرش یک ساعت و 20 دقیقه افزایش می‌یابد.
حباب ساز بتن
حباب ساز، می‌تواند باعث افزایش دوام بتن در برابر تغییرات شدید دمایی شود. این نوع از افزودنی‌ها باعث بهبود کارایی، کاهش آب انداختن و کاهش وارفتگی می‌شوند. حباب ساز، عملکرد در سرمای شدید و تغییرات آب و هوایی مداوم را بهبود می‌بخشد.
از دیگر مزیت‌های افزودنی حباب ساز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- مقاومت بالا در برابر خیس شدن و خشک شدن مداوم
- کارایی بالا
- دوام بالا
حباب ساز مانند یک سپر فیزیکی در برابر ترک‌های ناشی از تنش‌هایی می باشد که به دلیل افزایش حجم آب بر اثر تغییرات دمایی به وجود می‌آیند. این افزودنی‌ها با تمام افزودنی‌های دیگر سازگار هستند. با این وجود، به ازای استفاده از هر یک درصد حباب ساز، مقاومت فشاری به میزان پنج درصد کاهش می‌یابد.
کاهنده آب بتن
کاهنده آب، امکان ایجاد یک اسلامپ دلخواه در نسبت آب به سیمان پایین‌تر از حد معمول را فراهم می‌کند. این نوع از افزودنی‌ها برای دستیابی به یک مقاومت مشخص با به کارگیری سیمان کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با اضافه کردن کاهنده آب به بتن، خواص بتن بهبود می‌یابد و امکان استفاده از آن در شرایط سخت نیز فراهم می‌شود. این افزودنی معمولا در ساخت عرشه پل، لایه‌های بتنی با اسلامپ پایین و ترمیم بتن کاربرد دارد.
تسریع کننده بتن
تسریع کننده، به منظور بهبود نرخ افزایش استحکام یا کاهش زمان گیرش آن استفاده می شود. کلسیم کلراید به عنوان رایج‌ترین تسریع کننده شناخته شده است. اگرچه، وجود این افزودنی در بتن می‌تواند احتمال خوردگی تقویت‌کننده‌های فولادی (آرماتور) را نیز افزایش دهد. البته با تحکیم مناسب، پوشش کافی و طرح اختلاط مناسب می‌توان از رخ دادن مشکلات مربوط به خوردگی جلوگیری کرد. کاربرد اصلی تسریع کننده، تغییر خواص بتن در آب و هوای سرد می باشد.
کاهنده جمع شدگی بتن
کاهنده جمع شدگی یا کاهنده انقباض در حین مراحل اولیه اختلاط به ترکیب بتن اضافه می‌شود. این افزودنی می‌تواند مدت زمان جمع شدگی اولیه و بلند مدت را کاهش دهد. کاهنده جمع شدگی برای شرایطی با احتمال رخ دادن ترک‌های ناشی از آب رفتگی یا وجود ترک‌های نامطلوب برای مسائل اقتصادی یا فنی کاربرد دارد. در برخی از موارد، این افزودنی باعث کند شدن روند افزایش مقاومت در مراحل اولیه و نهایی گیرش می‌شود.
روان کننده بتن
روان کننده، برای ساخت یک بتن روان با اسلامپ بالا (بین 17 تا 23 سانتی‌متر) به منظور استفاده در سازه‌هایی با تقویت‌کننده‌های زیاد به کار می‌رود. یکی دیگر از کاربردهای اصلی این افزودنی، ساخت بتن با مقاومت بالا در نسبت آب به سیمان 0.3 تا 0.4 است. تحقیقات نشان داده‌اند که ترکیب روان کننده با اکثر سیمان‌ها می‌تواند باعث افزایش کارایی شود. مانعی برای استفاده از این افزودنی به همراه حباب ساز وجود ندارد. البته در این حالت میزان حباب ساز به کار رفته نسبت به حالت معمولی بیشتر خواهد بود.
ضد خوردگی بتن
ضد خوردگی، یکی از انواع ویژه افزودنی‌ها محسوب می‌شود. این افزودنی به منظور کند کردن روند خوردگی تقویت‌کننده‌های فولادی داخل بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. ضد خوردگی می‌تواند میزان هزینه‌های ناشی از تعمیر و نگهداری سازه‌های بتن مسلح را در یک بازه 30 تا 40 ساله به طور قابل توجهی کاهش دهد. این نوع از افزودنی‌ها، تاثیر کمی بر روی مقاومت نهایی دارند. با این وجود، سرعت افزایش مقاومت در مراحل اولیه گیرش را افزایش می‌دهند. ضد خوردگی‌های ساخته شده از کلسیم نیترات، زمان گیرش را در بازه‌های دمایی مختلف عمل آوری کاهش می‌دهند. البته در صورت ترکیب این افزودنی با کندگیر کننده، اثر آن در کاهش زمان گیرش خنثی می‌شود.
چه موادی به عنوان افزودنی معدنی بتن استفاده می شوند؟
خاکستر بادی، سرباره کوره آهن گدازی، سیلیکا فیوم، خاکستر پوسته برنج و متاکائولین را می‌توان به عنوان پرکاربردترین افزودنی های معدنی بتن در نظر گرفت. در ادامه، به معرفی این افزودنی‌ها و تاثیر آن‌ها بر روی خواص بتن خواهیم پرداخت.
خاکستر بادی
خاکستر بادی به عنوان یک افزودنی معدنی در ترکیب بتن مورد استفاده قرار می‌گیرد. خاکستر بادی از احتراق زغال سنگ ساییده شده به وجود می‌آید. این ماده دارای دو نوع C و F می باشد. نوع C خاکستر بادی مقدار زیادی کلسیم و خواصی مشابه با سیمان و پوزولان دارد. از طرف دیگر، نوع F خاکستر بادی دارای کلسیم کمتری بوده و خواص آن تنها مشابه با پوزولان می باشد.
تاثیر خاکستر بادی بر روی بتن به صورت زیر است:
- افزایش کارایی
- افزایش زمان گیرش (سخت شدن بهتر و مقاومت بالاتر)
- کاهش وارفتگی و آب انداختن
- کنترل افزایش دمای بتن تازه (کاهش ترک خوردگی ناشی از این مسئله)
- افزایش خزش و جمع شدگی
- افزایش مقاومت در برابر اثرات گوگرد
- جلوگیری از واکنش مواد قلیایی
سرباره کوره آهن گدازی
سرباره کوره آهن گدازی که به اختصار به آن سرباره گفته می شود، یک افزودنی معدنی بتن با وزن مخصوص کمی بالاتر از سیمان (2.8 تا 3) می باشد.
تاثیر وجود سرباره در ترکیب بتن به صورت زیر است:
- افزایش زمان گیرش اولیه بدون تاثیر بر روی کارایی (به دلیل اندازه ذرات مشابه با سیمان)
- کاهش نرخ افزایش مقاومت
- افزایش مقاومت نهایی و دوام
- افزایش مقاومت در برابر خوردگی و واکنش‌های شیمیایی مضر
سیلیکا فیوم
سیلیکا فیوم یا فوم سیلیکا، ذره‌ای بسیار ریز متشکل از سیلیس آمورف (بی شکل) می باشد، که به عنوان محصول جانبی در حین تولید محصولات مبتنی بر سیلیس در کوره‌های قوس الکتریکی به وجود می‌آید.
سیلیکا فیوم از نظر رفتار شیمیایی بسیار شبیه به پوزولان می باشد. وجود این ماده در ترکیب بتن باعث موارد زیر می‌شود:
- افزایش جذب آب (استفاده به همراه روان‌کننده)
- افزایش چسبندگی (مشکل کاهش اسلامپ)
- کاهش قابل توجه در میزان آب انداختن
- احتمال رخ دادن جمع شدگی پلاستیک در نواحی خشک (افزاش نرخ گیرش بتن به دلیل افزایش نرخ تبخیر)
- کاهش نفوذپذیری
- بهبود مقاومت فشاری و خمشی
- افزایش جمع شدگی و خزش
- مقاومت در برابر واکنش‌های شیمیایی مضر ناشی از کاهش نفوذپذیری
- افزایش احتمال ترک خوردگی به دلیل مقاومت پایین در برابر آتش و نفوذپذیری کم (عدم خروج آب)
خاکستر پوسته برنج
خاکستر پوسته برنج، از سوزاندن پوسته حاصل از آسیاب شالی به دست می‌آید. وزن این خاکستر حدود یک چهارم وزن پوسته سوزانده شده است. مقدار زیادی سیلیکا در خاکستر پوسته برنج وجود دارد.
با افزودن این ماده به ترکیب بتن، تغییرات زیر حاصل می‌شوند:
- افزایش مقاومت
- کاهش نفوذپذیری (به دلیل ریزتر بودن ذرات از سیمان)
- کاهش دمای هیدراتاسیون
- بهبود مقاومت در برابر اثرات مضر کلراید و سولفات
متاکائولین
هنگامی که رس معمولی و رس کائولین از نظر حرارتی فعال می‌شوند، شکل ناخالص متاکائولین به وجود می‌آید. اندازه ذرات این ماده از سیمان کوچکتر است. برخلاف دیگر افزودنی‌های بتن، متاکائولین یک محصول جانبی نیست. این ماده در بتن الیافی و مجسمه‌های هنری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
از اثرات متاکائولین بر روی خواص بتن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- افزایش مقاومت
- کاهش نفوذپذیری
- مقاومت در برابر عوامل شیمیایی
- افزایش دوام
- بهبود نرخ افزایش مقاومت در مراحل اولیه گیرش
- کاهش قابل توجه آب انداختن
استفاده از افزودنی ها در بتن چه مزایایی دارد؟
مزایای استفاده از افزودنی‌های مختلف در بتن را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:
- کاهش هزینه‌ها
- صرفه‌جویی در مصرف انرژی
- بهبود کارایی
- کاهش واکنش بین مواد قلیایی و سنگدانه‌ها
- افزایش مقاومت
- کاهش آب مورد نیاز
- کاهش دمای هیدراتاسیون
- کاهش جمع شدگی حرارتی
- سهولت تحکیم
بدون دیدگاه