بتن چیست؟ همه چیز درباره انواع بتن و کاربردهای آن

بتن ماده‌ای است که در حالت کلی از دو قسمت عمده تشکیل شده است. این دو قسمت عبارتند از: سنگدانه‌ها (Aggregates) و خمیر سیمان (Cement Paste). خمیر سیمان مخلوطی از سیمان پرتلند و آب است که در اثر واکنش شیمیایی بین سیمان و آب، روند سخت شدن آن شروع شده و در گذر زمان و ادامه فرآیند،  سنگدانه ها (ماسه و شن یا سنگ شکسته) را به صورت توده سنگ مانندی به یکدیگر می چسباند. در این مقاله به توضیح اینکه بتن چیست و چه انواعی دارد می‌پردازیم.

تاریخچه بتن

اولین مورد ثبت شده در خصوص بکارگیری بتن به سال ۱۷۶۰ بر می‌گردد که جان اسمیتن (John Smeaton) آن را برای اولین بار در بندی در روی رودخانه کالدر (Calder) در انگلستان به کار برد و دیوارهای بند را از بتن و سنگ ساخت. در سال ۱۷۹۶ جی. پارکر ( J. Parker) سیمان طبیعی را در رومانی پیدا کرد و ۱۵ سال بعد ویکات (Vicat) مخلوطی از خاک رس و آهک را برای تولید سیمان پخت. در سال ۱۸۲۴ ژوزف اسپدین (Joseph Aspdin) سیمان پرتلند را در انگلستان تولید نمود. به این دلیل سیمان پرتلند گفته شد که وقتی سخت می‌شد به سنگ جزیره پرتلند شبیه بود.
جوزف لامبوت (Joseph Lambot) فرانسوی در سال ۱۸۵۴ قایق بتنی کوچکی که با شبکه هایی از سیم های فولادی مسلح شده بود، ساخت و در نمایشگاه پاریس عرضه نمود.

در آمریکا تادیوس هیات ( Thaddeus Hyatt) از ۵۰ عدد تیری که در آنها از میلگردهای فولادی در ناحیه کششی تیر استفاده کرده بود، آزمایش خمشی به عمل آورد و نتایج آن را در سال ۱۸۷۷ منتشر نمود. او کشف نمود که ترکیب بتن و فولاد را می توان در تمام اهداف عملی به عنوان جسم همگن فرض نمود. این فرض برای تئوری الاستیک بسیار مهم بود. در سال ۱۸۷۵ در نیویورک آمریکا، ویلیام وارد (William E. Ward ) خانه ای از بتن مسلح ساخت که در دیوارها، تیرها، دال‌هاو پله های آن از بتن مسلح استفاده کرده بود.
همچنین رانسام ( E. L . Ransome ) در دهه ۱۸۷۰ در شهر سانفرانسیسکو از بتن مسلح استفاده نمود. وی در سال ۱۸۸۴ استفاده از میلگردهای آجدار را به منظور چسبندگی بهتر میلگرد با بتن به نام خود ثبت نمود. وی در طی سال های ۱۸۹۱-۱۸۸۹ ساختمان موزه دو طبقه ای را از بتن مسلح ساخت. او همچنین یک پل بتنی در سانفرانسیسکو ساخت. تالبوت ( A. N. Talbot) از دانشگاه ایلینوی (Illinois) و ترنیر ( FE Turnearue) و ویتنی ( M. O . Whitney ) از دانشگاه ویسکانسین (Wisconsin) در دهه اول قرن بیستم آزمایشات زیادی جهت بررسی رفتار بتن مسلح و تعیین مقاومت فشاری و ضریب ارتجاعی آن انجام دادند.
از سال ۱۹۱۵ تا ۱۹۳۵ بیشتر تحقیقات بر روی ستونهای بتن مسلح تحت بار محوری متمرکز گردید. در دهه های ۱۹۳۰ تا ۱۹۵۰ ستونهای مسلح با بار خارج از محور، شالوده های بتن مسلح و نیز مقاومت نهایی تیرها و بتن پیش تنیده بیشتر مورد توجه محققان قرار گرفت. از سال ۱۹۶۳ آیین نامه ACI طراحی سازه های بتنی را بر اساس مقاومت نهایی بنا نهاده است و تحقیقات فراوانی روی اعضای سازه ای بتنی انجام گرفته و هنوز ادامه دارد.

---

شرایط ساخت ملات بتن چیست؟

سنگدانه ها حدود ۶۰ تا ۷۵ درصد بتن را تشکیل می‌دهد، در نتیجه انتخاب آنها از اهمیت خاصی برخوردار است. سنگدانه‌ها باید از موادی تشکیل شده باشد که دارای مقاومت کافی بوده و در مقابل شرایط محیطی، مقاوم باشد، همچنین نباید حاوی مصالحی باشد که منجر به خرابی سازه گردد. گاهی یک یا چند افزودنی نیز برای تغییر دادن مشخصه های بتن از جمله کارایی، پایایی و زمان سخت شدن به آن اضافه می کنند. مخلوط خمیری را داخل قالب می ریزند و بعد از عمل آوری، محصول نهایی شبیه سنگ می‌باشد، مقاومت فشاری آن بالا و مقاومت کششی آن پایین (تقریبا یک دهم مقاومت فشاری آن) است. در نتیجه در نواحی کششی بتن برای جبران ضعف مقاومت کششی آن از فولاد کششی و برشی استفاده می‌گردد و به آن بتن مسلح گفته می‌شود.

اگر اجزاء تشکیل دهنده بتن متناسب انتخاب گردد و عمل‌آوری آن صحیح انجام گیرد، محصول نهایی، محکم، پایا و قابل استفاده در اعضای اصلی سازه‌ها خواهد بود.

---

مواد تشکیل دهنده و اجزای بتن چیست؟

مواد اصلی تشکیل دهنده بتن، سیمان پرتلند، سنگدانه‌ها و آب می‌باشند. اما عموما برای اصلاح خواص آن، افزودنی‌های دیگری نیز به آن اضافه می‌شود. از جمله این افزودنی‌های می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• روان کننده
• حباب ساز
• کندگیر کننده
• شتاب دهنده
• ضد یخ
• آب بند
• افزودنی‌های چسباننده

وجود این افزودنی‌ها مزایایی نظیر تسریع در روند کسب مقاومت اولیه، طولانی کردن زمان گیرش و افزایش کارایی بدون نسبت آب به سیمان، به سازه اضافه می‌کنند.

---

انواع بتن کدامند؟

بتن سازه‌ای اغلب از دو مصالح بتن و فولاد تشکیل می‌گردد. این دو مصالح مکمل یکدیگر است؛ بتن نیروی فشاری و فولاد نیروی کششی را تحمل می کند.
بتن به عنوان مصالح در طراحی سازه‌های مختلف به کار می‌رود. در ادامه به بررسی انواع بتن می‌پردازیم و توضیحاتی درباره آن‌ها ارائه می‌دهیم. همچنین از این ماده در طراحی مقاطع مركب نیز استفاده می‌شود. طراحی اعضای سازه‌ای مرکب، مانند تیرها و ستون‌ها، موقعی که عضو شامل بتن و نیمرخ های فولادی است کاربرد دارد.

۱- بتن غیر مسلح (Plain Concrete)

بتن غیر مسلح اصطلاحا به محصولی گفته می‌شود که متشکل از مواد متعارف نظیر سیمان و سنگدانه و سایر افزودنی‌ها بوده و از محصول مجزایی نظیر میلگرد برای بهبود خواص استفاده نمی‌کند از این رو این ماده دارای شرایط کاری محدودتری نسبت به سایر حالات می‌باشد و فقط در کاربری‌های عمومی به کار گرفته می‌شود.

۲- بتن مسلح (بتن آرمه)

به جرئت می‌توان گفت که پر مصرف‌ترین نوع بتن در انواع صنایع بتن آرمه یا بتن مسلح است. این محصول به دلیل عوامل تقویت کننده (عمدتا آهنی) در ساختار خود، خواص مکانیکی بسیار خوبی را از خود نشان می‌دهد که باعث شده است ترکیبی از خاصیت‌های مفید بتن و فولاد را به طور همزمان دارا باشد. در ادامه این مقاله به طور جداگانه به مرور کاربردهای این محصول می‌پردازیم.

۳- بتن پیش تنیده (Prestrssed Concrete)

بتن پیش تنیده به حالتی از بتن‌های مسلح گفته می‌شود که عموما به کمک کابل‌های فولادی، به سازه مورد نظر تنش فشاری وارد می‌کند. اهمیت این موضوع زمانی مشخص می‌شود که سازه تحت تنش‌های کششی مانند مواقع زلزله رار می‌گیرد. تنش فشاری از پیش اعمال شده مقدار قابل توجهی از تنش کششی ناشی از بارگذاری یا زلزله را خنثی کرده و از تخریب سازه جلوگیری می‌کند.

۴- بتن خود متراکم (Self-Consolidating Concrete)

بتن خود متراکم به بتنی گفته می‌شود که خود به خود و بدون نیاز انجام به هیچ گونه عملیاتی و صرفا به وسیله وزن خود متراکم می‌شود و به دلیل روان بودن بالا نیازی به لرزش و یا ویبره ندارد.

۵- بتن سبک (Lightweight Concrete)

برای تولید این نوع بتن به جای شن و ماسه از سنگدانه‌های سبک‌تر مانند سنگ‌پا، پوکه معدنی، رس و مواد فرآوری شده استفاده می‌شود و به دلیل مقاومت پایین بیشتر برای نماسازی، سقف کاذب و دیوار‌‌های جدا کننده کاربرد دارد.

۶- بتن سنگین (Heavy Weight Concrete)

این نوع ماده تحت عنوان بتن با چگالی بالا نیز شناخته می‌شوند و برای تولید آن، از سنگدانه‌های دارای چگالی بالا مانند باریت استفاده می‌شود. با توجه به مقاومت بالای این بتن در برابر امواج رادیواکتیو و جلوگیری از بروز نشست‌های اتمی و آلاینده‌های محیط‌ زیستی، در نیروگاه‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۷- بتن مگر (یا بتن بستر) چیست؟

نوعی بتن با عیار سیمان پایین می‌باشد که قبل از آغاز عملیات ساخت و ساز، به منظور آماده سازی بستر خاکبرداری شده جهت آرماتوربندی و صفحه‌گذاری اجرا می‌گردد. از بتن مگر علاوه بر ساختمان‌سازی در راهسازی نیز استفاده می‌شود.

۸- بتن الیافی (Fibrous Concrete) چیست؟

بتن الیافی نوعی کامپوزیت است که با استفاده از الیاف تقویت‌کننده در داخل بتن، باعث افزایش بسیار زیاد مقاومت کششی بتن می‌شود و دارای یکپارچگی و پیوستگی مناسبی می‌باشد.

۹- بتن پیش ساخته (Precast Concrete) چیست؟

به شکل‌های متنوع بتن گفته می‌شود که برای ساخت آن در کارخانه از قالب‌های مخصوص استفاده می‌شود و به شکل کنترل شده‌ای به عمل می آید. این نوع بتن‌ها در زمان احتیاج به محل پروژه انتقال داده می‌شوند و از مزیت‌های آن سرعت بالای اجرا می‌باشد.

۱۰- بتن زودگیر (Rapid Hardening Concrete)

برای سخت شدن این نوع بتن‌‌ها فقط چند ساعت زمان نیاز است و در مدت زمان کوتاهی مقاومت خود را به دست می‌آورد. در راهسازی، ترمیم جاده‌ها و پروژه‌هایی که نیاز به ساخت سریع سازه باشد از این نوع بتن استفاده می‌شود.

۱۱- بتن پاششی یا شاتکریت

تفاوت اصلی این نوع بتن در شیوه‌ی اجرای آن با سایر بتن‌ها می‌باشد. در این نوع فرایند بتن یا ملات با سرعت و فشار بالا بر روی یک سطح پاشیده می‌شوند تا لایه‌ای خودنگهدار، باربر، متراکم و سخت ایجاد شود. 

۱۲- بتن هوادار

با اضافه کردن مواد افزودنی هوادار تولید می‌شود و در مکان‌‌هایی که بتن در معرض خطر انجماد و ذوب قرار دارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۱۳- بتن پلیمری

در این نوع بتن از پلیمر به جای سیمان استفاده می‌شود و سنگدانه‌‌ها به وسیله پلیمر به یکدیگر می‌چسبند.

۱۴- بتن متخلخل (aerated concrete)

15 تا 20 درصد حجم این بتن فضای خالی می‌باشد و جهت عبور دادن آب و هوا از خود طراحی شده است. این بتن دارای حفره و سوراخ بوده و با روند اختلاط و روش‌های پیاده‌سازی بخصوص، اجرا و ساخته می‌شود.

۱۵- بتن شیشه‌ای

در این نوع بتن از شیشه‌های بازیافتی به جای سنگدانه استفاده می‌شود. از ویژگی‌های این نوع بتن می‌توان به دوام طولانی مدت، ظاهر زیبا و شیک و عایق حرارت بودن اشاره کرد.

موارد ذکر شده تنها بخشی از انواع بتن بوده و این محصول دارای تنوع بسیار زیادی است.

---

عوامل موثر بر کیفیت بتن تولید شده چیست؟

در حالت کلی، بتن شامل سنگدانه‌های ریز و درشت و سیمان می‌باشد. علاوه بر آن، در بیشتر مواقع و کاربردها، انواع مختلف افزودنی نیز جهت بهبود خواص بتن به آن اضافه می‌شود. مصالح با هم مخلوط می‌شوند و خمیر سیمان را به وجود می‌آورند. خمیر سیمان متشکل از سیمان پرتلند، آب و هوای محبوس یا حباب های هوایی است که به صورت عامدانه در ساختار قرار داده شده است. کیفیت بتن تا حد زیادی به کیفیت خمیر سیمان بستگی دارد. در بتنی که به طور صحیح ساخته می‌شود، هر یک از دانه‌ها کاملاً به خمیر سیمان آغشته شده و تمامی فضای موجود بین دانه‌ها کاملاً با خمیر سیمان پر می‌شود. 

عوامل مؤثر در کیفیت بتن به طور خلاصه به شرح زیر است:

• کیفیت سیمان
•  نسبت آب به سیمان
•  مقاومت و تمیزی سنگدانه‌ها
•  چسبندگی بین خمیر سیمان و سنگدانه‌ها
•   اختلاط کافی اجزای بتن
•  متراکم کردن و پرداخت صحیح هنگام بتن‌ریزی
• نگهداری حرارت عمل آوری بتن در حداقل نباید کمتر از ۱۰ درجه سانتیگراد تا زمان نهایی مقاومت لازم بتن

---

کاربرد بتن چیست؟

بتن عموما به صورت ساده و بدون مسلح کردن در صنعت امروزی کاربرد گسترده‌ای ندارد. بتن به دلیل مواد موجود در ساختار خود توانایی بالایی در تحمل ضربه نداشته و همین امر باعث شده است که از آن فقط در کاربردهای عمومی و غیر حیاتی استفاده شود. اما بر خلاف بتن ساده، حالت مسلح و یا از پیش تنیده آن، بسیار پرکاربرد بوده که در ادامه به توضیح آن می‌پردازیم.

کاربرد بتن مسلح

بتن مسلح به عنوان یک مصالح سازه ای، در بیشتر سازه‌ها در سطح گسترده کاربرد دارد. اگر به طور اقتصادی طراحی و اجرا گردد با فولاد قابل رقابت است. امروزه بیشتر ساختمان‌های متعارف و بلند مرتبه، سدها، تونل‌ها، پل‌ها، کانال‌های آب‌رسانی منابع آب، مخازن مواد نفتی، دیوارهای حایل، لوله‌ها، برج‌های خنک‌کننده نیروگاه‌ها از بتن مسلح ساخته می‌شود. به منظور استفاده موفقیت‌آمیز از بتن، طراحان سازه‌های بتنی باید از نکات ضعف و قوت آن آگاه باشند. در بتن مسلح از میلگرد آجدار به عنوان عامل تقویت‌کننده در مقابل تنش استفاده می‌شود.

---

مزایا و معایب بتن

در این قسمت به مزایا و معایب بتن اشاره خواهیم کرد:

مزایای استفاده از بتن چیست؟

همانطور که در بالا ذکر شد، بتن کاربردهای گوناگونی به خود گرفته است که علت آن ناشی از مزایای منحصر به فرد بتن است. از جمله مزایای بتن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مقاومت فشاری بتن نسبتاً بالا است.
•  در برابر آتش مقاوم‌تر از فولاد است.
•  با هزینه نگهداری کم عمر مفید طولانی دارد.
• در برخی از انواع سازه ها مانند سدها، شمع ها و شالوده‌ها، اقتصادی‌ترین مصالح سازه‌ای است.
• بتن تازه حالت خمیری دارد، به راحتی در داخل قالب جای می‌گیرد و به شکل قالب در می‌آید. سازه‌های با اشکال پیچیده را با ساختن قالب آن به راحتی می‌توان اجرا کرد.
•  سازه‌های بتن مسلح بسیار صلب‌اند. در زمان بهره‌برداری لرزشی در ساختمان احساس نمی‌شود.

معایب استفاده از بتن چیست؟

علی رغم مزایای ذکر شده برای استفاده از بتن، بکارگیری آن به محدودیت‌ها و معایبی نیز همراه است. از جمله این معایب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

•  مقاومت کششی بتن بسیار پایین و حدود ده درصد مقاومت فشاری آن می‌باشد.
•  بتن نیاز به مخلوط نمودن، در قالب ریختن و عمل آوری دارد، همه آنها روی مقاومت نهایی آن اثر دارد. 
•  هزینه قالب بتن نسبتا زیاد است. هزینه مصالح قالب و قالب بندی ممکن است مساوی هزینه بتن سازه باشد.
•  مقاومت فشاری بتن در مقایسه با فولاد کم است (نسبت آن حدود ۱ به ۱۰ است) در نتیجه مقاطع ستون در ساختمان های مرتفع بزرگ می شود. 
•  در اثر انقباض (Shrinkage) و اعمال بارهای زنده ترک‌ها گسترش می یابد. 
•  وزن سازه های بتنی در مقایسه با سازه های فولادی مشابه بسیار سنگین تر است.

---

جمع‌بندی

در این مقاله ابتدا به بررسی مفهوم و معنای بتن پرداخته شد، سپس مطالبی در خصوص تاریخچه استفاده از بتن ذکر شد. پس از آن، کاربردها و مزایا و معایب بتن به تفکیک بررسی شد و مطالبی هم در مورد وژگی‌های بتن مسلح ذکر شد. در صورت نیاز به دریافت مشاوره در خصوص انواع مقاطع آهن آلات به وبسایت فولادینو مراجعه کنید.