بتن های توانمند و ویژه
چکیده
سالهای زیادی است که بتن بعنوان یک ماده ساختما نی مهم در ساخت و ساز ههای بتنی چون
ساختمانها، سدها، پلها، تونلها، راهها، اسکله ها و برجها و سازه های خاص دیگر کاربرد دارد . در اکثر موارد
به بتن بعنوان ماده ای مقاوم در برابر نیروهای فشار ی نگریسته م ی شده است . انج ام پروژه ه ای وسیع
تحقیقاتی بر روی مواد مختلف تشکیل دهنده بتن و آزمایش بتن های مختلف با مواد جدید در ساله ای آخر
قرن اخیر منجر به پیدایش بتن هایی شده است که علاوه بر تأمین مقاومت خواص دیگر ی از این ماده نظیر
دوام، کارایی، نرمی و مقاومت در برابر عوامل ی چون آتش و محیط و هوازدگی را دستخوش تغییرات
اساسی نموده است. علاوه بر دگرگونی و تحول در مواد تشکیل دهند ه بتن، افزودن مواد دیگر ی به بتن
همچون افزودنیهای مختلف، انواع الیاف ها و حت ی مواد زائد ی که ارزش خاص ی نداشته و باعث آلودگ ی
محیط زیست نیز می شوند، موجب پیدایش بت نهای جدید با خواص جدید و بهبود یافته شده است.
در بتن مسلح علاوه بر خود بتن بر رو ی آرماتور نیز تحولا تی صورت پذیرفته است . بعنوان مثال کاربرد
فولاده ای ضد زنگ بر ای مناطق بسی ار خورنده، استفاده از آرماتوره ای ساخته شده با الیا ف مختلف
پلاستیکی و پلیمری از جمله تحقیقاتی بوده است که نتایج اولیه سودمندی بدست داده است، لیکن کار بر
روی آنها و تحقیقات وسیع تر و دراز مدت برای بررسی داوم آنها هنوز ادامه داش ته و به قرن آینده خواهد
رسید.
هدف از این مقاله عنوان نمودن پاره ای از دستاورده ای اخیر در بتن و بتن مسلح و ادامه راه در ساله ای
MPa آینده می باشد. در این خصوص به تحول دستیابی به بت نه ای با مقاومت زیاد و بسیار زیاد و بالاتر از
١٠٠ و همچنین بتن های توانمند با عملکرد بالا خواهیم پرداخت. همچنین کاربرد مواد مختلف و الیاف بر ای
افزایش نرمی بتن که مسئله بسیار مهم ی در پدید ه زلزله و باره ای دینامیک ی بر رو ی سازه ه ای بتن ی
است، بیان خواهد شد. در ادامه به بتن هایی که بسیار کارا بوده و نیاز به لرزاندن نداشته و د رعین حال
مقاومت زیادی دارند، اشاره خواهد شد. در بخش دیگری از مقاله کاربرد بتن بعنوان راه حل ی بر ای کاهش
آلودگی محیط زیست توضیح داده خواهد شد . در بخش پایا نی آخرین نتایج و کار برد محدود آرماتورها با
جنسیت های مختلف از جمله الیاف کربنی، پلیمری و پلاستیکی آورده شده است.
باید اذعان نمود که نتایج تحقیقات سالهای آخر قرن حاضر و ادامه آنها در آینده و قرن جدید م ی تواند نگرش
تازه ای به بتن بعنوان یک ماده ساختمانی پرمصرف بدهد. این نتایج منجر خواهد شد تا دیدگاه بتن بعن وان
تنها یک ماده با مقاومت فشار ی خوب به کل ی دگرگون شده و خواص ویژه بتن ه ای جدید نظر اکثر
دست اندرکاران پروژه های بزرگ عمرانی را در جهان بخود معطوف سازد.
سایت ساختمان مرجع صنعت ساختمان sakhtemoon.com
مقدمه
سالهای زیادی است که از بتن بعنوان یک ماده ساختمانی مهم و با تحمل فشاره ای بالا جهت ساخ ت و
ساز انواع سازه ها استفاده می شود. ضعف این ماده مهم و پر مصرف ساختمانی در مقابل کشش با قرار
دادن آرماتور تا حد زیادی جبران شده است. در سالهای اخیر و با بررسی دوام ساز ههای بتنی مسلح، بویژه
در مناطق خورنده و سخت برای بتن نظر اکثر کارشناسان و دست اندرکاران کاره ای بتن ی به این مس ئله
جلب شده است که مقاومت به تنهایی نم ی تواند جوابگو ی کلیه خواص مربوط به بتن بخصوص دوام آن
باشد و لازم است در طراحی بتن برای مناطق مختلف علاوه بر مسئله مقاومت و تحمل بارها در طول مدت
بهره دهی، پایایی و دوام آن نیز مد نظر قرار گیرد. در حال حاضر با اضافه نمودن مواد مختلف به بتن و تغییرات
در طرح اختلاط می توان به بتن هایی دست یافت که بدون تغییر قابل ملاحظه در مقاومت، آنها از نقطه نظر
دوام به بتن هایی با دوام بالا باشند. مسئله محیط زیست وآلودگی آن نیز در ساله ای اخیر نظر جهانیان را
بخود معطوف ساخته است. کاربرد مواد و مصالحی که در ساخت آن آلودگی کمتری به محیط منتقل گردد و
همچنین برداشت مصالح طبیعی که کمتر محیط را تخریب نماید، مورد توجه خاص قرار دارد . در این راستا
محدودیت کاربرد سنگدانه ها، دستیابی به مواد جدید و نیز استفاده از مو اد زائد کارخان ه ها و آلاینده ه ای
محیط زیست در بتن در رأس برنام ههای تحقیقاتی پاره ای از کشورهای جهان قرار گرفته است.
علاوه بر خود بتن و مصالح تشکیل دهنده آن در ساله ای اخیر بر رو ی آرماتور مصرف ی در ساز ه ه ای بتن ی
مسلح نیز تحولاتی صورت گرفته است. بعنوان مثال برای پرهیز از خطر خوردگ ی آرماتور، از فولاده ای ضد
زنگ و نیز آرماتوره ای س اخته شده با الیا ف مختلف پلاستیک ی و پلیمر ی در محیط ه ای بسیار خورنده
استفاده می شود. کار بر روی عملکرد دراز مدت چنین موادی هنوز ادامه دارد.
در مقاله اخیر به چند مورد از بت نه ای جدید که چند سا لی است از آنها در صنعت ساخت و ساز بر ای
سازه های بتنی استفاده می شود اشاره شده و مواد جدید مورد استفاده در بتن که تحقیقات روی آنها هنوز
ادامه دارد، نیز بیان خواهد شد. بعنوان مثال بتن های با مقاومت زیاد و بتن های توانمند و با عملکرد بالا در
این خصوص جایگاه ویژه ای دارند. کاربرد الیاف و مواد مختلف در بتن بر ای افزایش نرم ی آن و مقاومت در
مقابل بارهای ضربه ای و نیروهای ناشی از زلزله، مورد دیگری از بتن های خاص می باشد. با نگرشی عمیق
به مسئله دوام بتن و ضمن تأمین مقاومت لازم، کاربرد بتن ه ای با کار ایی بالا که اجر ای آن را نیز آسان
می سازد در برنامه کار مراکز بسیاری قرار گرفته و برخی از این بتن ها با اضافه کردن افزودنیه ای مختلف به
آنها، اینک وارد صنعت بتن شد هاند.
بتن با مقاومت زیاد
امروزه بر اساس تکنولوژی رایج بتن، ساخت بتن های با مقاومت های فشاری زیاد و دور از انتظار که می تواند
برای طراحی سازه های اجرایی رایج مورد استفاده قرار گیرند، امکا نپذیر می باشد. اگر چه اغلب
۶٠ محدود می کنند، اما MPa آیین نامه های بتن هنوز مقاومت بتن مورد استفاده در ساز هها را به
١٠۵ را نیز در نظر گرفت هاند. ساخت بت نهای با مقاومت زیاد و در MPa آیین نامه های جدید اخیراً حدی بالاتر از
١٢٠ و کاربرد آن در ساختمان های بلند در کشورهای پیشرفته دنیا رواج یافته است. این مقاومت با MPa حد
MPa اضافه نمودن مواد ریز و فعال به سیمان تا حدی افزایش یافته که بتن هایی با مقاومت های فشاری بین
١۵٠ در نمونه های آزمایشگاهی بدست آمده MPa ٣٠ و MPa ٨٠٠ و مقاومت های کششی بین MPa ٢٠٠ و
است. برای دستیابی به چنین مقاوم ت هایی لازم است تغییرات ی در طرح اختلاط داده و از مواد و
افزودنی های جدیدی استفاده نمود.
از عوامل مهم در رسیدن به چنین مقاومت هایی استفاده از سنگدانه ه ای مقاوم و کاهش حد اکثر اندازه
سنگدانه در مخلوط بتنی برای همگنی بیشتر آن می باشد. همچنین با استفاده از مو اد بسیار ریزدانه و با
اندازه های کمتر از دهم میکرون م ی توان مجموع ه ای متراکم تر و با تخلخل بسیار کم که بالاترین وزن
مخصوص را خواهد داشت، تهیه نمود . در بتن ه ای با مقاومت زیاد بایست ی تا حد ممکن نسبت آب به
استفاده شده است) که در این حالت بعضی w/c = ٠/ را کاهش داد (امروزه حتی نسبت ١٨ (w/c) سیمان
دانه های سیمان هیدراته نشده بصورت مواد ریزدانه پرکننده، دانسیته را افزایش داده و در نتیجه سبب
افزایش مقاومت می شوند. بدیهی است برای تأمین کارایی چنین مخلوط هایی با آب بسیار کم لازم است
از روان کننده ها، فوق روان کننده ها و پخش کننده ذرات ریز در بتن استفاده نمود . بر ای افزایش نرم ی چنین
بتن هایی (با افزایش مقاومت شکنندگی و تردی بتن افزایش میییابد) مییتوان به آنها الیا ف کوتاه اضافه نمود.
در ساخت چنین بتن هایی (مقاومت در حد فولاد و بالاتر) از روشهای سخت شده تحت فشار و دم ا بر ای
عمل آوری بتن و تأمین مقاومت اولیه زیاد استفاده می گردد.
جدول ١- مشخصات بتن بکار رفته در یک ساختمان بلند در مونترال کانادا
طرح اختلاط خواص بتن
٠ اسلامپ ٢٥٠ میلی متر / نسبت آب به سیمان ٢٥
٤ درصد / آب ١٣٥ لیتر درصد هوا ٤
٥٠٠ کیلوگرم در متر سیمان نوع ١
مکعب
مقاومت فشاری ٧ روزه ٧٧
مگاپاسکال
٩٢/ دوده سیلیس ٣٠ کیلوگرم در متر مکعب مقاومت فشاری ٢٨ روزه ٣
مگاپاسکال
شن ب احداکثر اندازه ١٠ میلیمتر
١١٠٠ کیلوگرم در مترمکعب
مقاومت فشاری ٩٠ روزه ١٠٦
مگاپاسکال
ماسه طبیعی ٧٠٠ کیلوگرم در متر مقاومت فشاری یکساله
١١٩ مگاپاسکال / مکعب ٤
١ لیتر در متر مکعب / دیرگیر کننده ٨
فوق روان کننده ١٤ لیتر در متر مکعب
بتن های با کارایی بسیار زیاد (بتن خود متراکم)
امروزه در بعضی کشورهای جهان و بویژه در ژاپن بتن جدیدی با کارایی بسیار بالا که نیاز به لرزاندن نداشته
و خودبخود متراکم می گردد ساخته شده و در برخی پروژه ها اجرا شده است. با داشتن کار ایی بسی ار زیاد
این بتن در اجرا، خطر جدایی سنگدانه ها و خمیر را نداشته و در عین حال از مقاومت زیاد و دوام نسبتاً
بالایی برخوردار است. در طرح اختلاط این بتن، موارد زیر در نظر گرفته شده است.
میزان شن در این بتن حدود ۵٠ درصد حجم مواد جامد بتن بوده و در آن ماسه به میزان
۴٠ درصد حجم ملات استفاده شده است. نسبت آب به مواد ریزدانه و پودر ی بر اساس خو اص مواد ریز
٠ تا ١ انتخاب می شود. برای تعیین میزان نسبت آب به سیمان و مقدار فوق روان کننده مخصوص / بین ٩
مصرفی با استفاده از این روش میزان روانی و مقدار بهینه با آزمون و خطا تعیین می گردد.
بتن با سنگدانه بازیافتی
امروزه با توجه به پیشرفت جمعیت و مشکل فضا در شهرهای بزرگ برای ساخت و ساز لازم است
ساختمان های قدیمی بتنی تخریب و بجای آن ساختمان های بلند جدید احداث شوند. در کشور ژاپن و چند
کشور اروپایی که زمین و فضای لازم برای ایجاد بنا ارزش ویژه ای دارد و همچنین بر ای جلوگیر ی از مسائل
محیط زیستی که از تخریب ساختمانها ناشی می شود و کاربرد مصالح آن در بنای جدید تحقیقات وسیع ی
در ساخت بتن با سنگدانه بازیافتی (خورد کردن بتن قدیم و استفاده از آن بعنوان سنگدانه در بتن جدید ) در
حال انجام است. بعنوان مثال در کشور هلند هر سال حدود ١٠ میلیون تن مصالح ناشی از تخریب
ساختمان های بتنی که حدود حجم بتن مورد نیاز در ساخت ساختمانهاست، تولید م ی شود . قرار است
نیمی از این مصالح در بتن های جدید استف اده شوند . در حال حاضر تحقیقات رو ی میزان جمع شدگ ی و
خزش و دوام این بت نها ادامه دارد تا در قرن بیست و یکم کاربرد وسی عتر آن را امکا نپذیر سازد.
بتن های با نرمی بالا
امروزه کاربرد بتن با نرمی بالاتر که بتواند تغییر شکل های زیاد را بدون شکست تحمل نماید، مورد توجه قرار
گرفته است. تحقیقات وسیعی در خصوص تأمین نرمی لازم در بتن با الیاف مختلف و حت ی حذف آرماتور در
حال انجام می باشد. هدف از کاربرد الیاف در بتن افزایش مقاومت کششی، کنترل گسترش ترکها و افزایش
بتن می باشد تا قطعه بتنی بتواند در مقابل بارهای وارده در یک مقطع ترک خورده تغییر (Toughness) طاقت
شکل های زیادی را پس از نقطه حداکثر تنش تحمل نماید. شکل شماره ١ عملکرد یک تیر خمشی با الیاف
را در تحمل خیزهای زیاد در مقایسه با بتن بدون آرماتور نشان می دهد.
شکل ١- منحنی تغییر شکل یک تیر با و بدون الیاف در یک تیر خمشی
بتن با الیاف مختلف در سالهای اخیر در سازه های عمده ای چون روسازی راهها و فرودگاه ها، بتن پ ی ه ای
عظیم با تغییر شکل های زیاد و بویژه در پوشش بتنی تونلها بکار رفته است. در ساخت پوشش تونلها بتن
الیافی با پاشیدن بر جداره شکل می پذیرد. اخیراً برای حذف ترکها در پوشش تونلهایی که بصورت چند تکه
پیش ساخته اجرا می شود از بتن بدون آرماتور و تنها الیاف استفاده شده و این نوع ب تن سبب حذف ترکها
در حین عم لآوری و حمل و نقل قطعات و نصب آنها برای کامل کردن مقطع تونلهای مترو شده است.
در نوع بسیار جدید بتن الیافی که می توان با آن به حداکثر نرم ی در بتن رسید از روش ریختن دوغاب رو ی
استفاده می شود. در این روش ابتدا الیاف ریخته شده و سپس فض ای بین آنها با ملات (SIFCON) الیاف
دوغابی پر می شود. میزان الیاف در این بتن حدود ١٠ درصد م ی باشد که حدود ١٠ برابر میزان الیاف در
بتن های الیافی متداول است. با این مصالح لایه های محافظی بدون ترک و تق ریباً غیر قابل نفوذ م ی توان
ایجاد نمود. بعلت نرمی زیاد این قطعات ظرفیت تغییر شکل پذیر ی این قطعات به میزان ظرفیت داله ای
٣۵- ٨۵ مگاپاسکال و مقاومت خمش ی حدود ۴۵ - فولادی می رسد. مقاومت فشاری این نوع بتن حدود ١١٠
مگاپاسکال می باشد. از این قطعات نه تنها می توان بعنوان لایه های محافظ کوچک استفاده نمود، بلکه در
باندهای فرودگاه در برابر ضربات عملکرد خوبی نشان می دهند. در کارهای تعمیرات ی دالها م ی توان از آنها
بعنوان لایه روی بتن قدیم و بدون درز و در زمانی کوتاه استفاده نمود.
آرماتورهای غیرفولادی در بتن
در سالهای اخیر استفاده محدودی از آرماتورهای غیرفلزی آغاز گشته است هر چند تحقیقات بر روی کاربرد
وسیع تر آنها و عملکرد دراز مدت این نوع آرماتورها ادامه دارد. این آرماتورها که معروف به آرماتورهای با الیاف
و الیاف (AFRP) الیاف آرامید ی ،(GFRP) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه ای (FRP) پلاستیکی
در یک رزین چسباننده تشکیل شده اند. در جدول ٢ خواص مکانیکی چند آرماتور الیاف ی که (CFRP) کربنی
کاربرد پیدا کرد ه اند ، آورده شده است . در ش کل ٢ میله ه ای پلاستیک ی ساخ ته شده با الیاف مختلف و
فولادهای پیش تنیدگی از نقطه نظر منحنی های تنش-کرنش با یکدیگر مقایسه شد هاند.
جدول - خواص مکانیکی الیاف های مختلف
نوع الیاف مقاومت کششی
(MPa)
کرنش نهایی
(٪)
(Gpa) E
٧٣-١٦٥ ٢/٥-٤ ٢٧٠٠- آرامید ٣٤٠٠
٧٥ ٣ -٥ ٣٥٠٠ E شیشه
٨٧ ٤/٥-٥/٥ ٤٥٠٠ S شیشه
کربن مدول
پایین
٢٥٠ ١-١/٦ ٣٢٠٠-٣٩٠٠
کربن مدول
بالا
٤٠٠ ٠/٦ ٢٣٠٠-٢٧٠٠
سایت ساختمان مرجع صنعت ساختمان sakhtemoon.com
خاصیت عمده این آرماتوها که سبب کاربرد آنها شده است، مقاومت در برابر خوردگی آنهاست که می تواند
در محیط های بسیار خورنده دوام دراز مدتی داشته باشند. علاوه بر این مقاومت بالا، مقاومت به خستگ ی
بالا، ظرفیت بالای تغییر شکل ارتجاعی، مقاومت الکتریکی زیاد و هدایت مغناطیسی پایین و کم این مواد از
مزایای آنها شمرده می شود. البته این مواد معایبی چون کرنش گسیختگی کم و شکننده بودن و خزش زیاد
و تفاوت قابل ملاحظه ضریب انبساط حرارتی آنها در مقایسه با بتن را به همراه دارند.
اخیراً از الیاف مختلف شبکه هایی بافته شده و بصورت یک شبکه آرماتور در سطح بتن برای کنترل ترک و کم
کردن عرض آن و همچنین در دیوارهای نمای بتن ی از آن استفاده م ی کنند . تحقیقات رو ی کاربرد صفحات
الیافی بجای صفحات فولاد ی بر ای تقویت قطعات خمش ی و تیرها و دالها بویژه در پلها ادامه دارد . این
صفحات بارزی نهای اپوکسی به نواح ی کشش ی از خارج اتصال داده م ی ش وند. کاربرد صفحات با الیاف
کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعض ی کشوره ای اروپ ایی از آن
استفاده شده است.
بتن های ابداعی
در بعضی موارد با تغییر در مواد تشکیل دهنده بتن و با رو شهای ابداعی می توان پار های از خواص نامطلوب
بتن را حذف نمود. این امر منجر به پیدایش بت نهای خاص با خواص ویژ های می گردد . بعنوان مثال تغییرات ی
است که می توان در ترکیب بت نهای با مقاومت زیاد که این روزها کاربرد بیشتر ی پیدا م ی کنند را نام بر د.
بتن های با مقاومت بالا معمولاً با سیمان زیاد و نسبت آب به سیمان کم و اضافه و جایگزین نم ودن سیمان
با دوده سیلیس ساخته می شوند. در حین عمل هیدراسیون سیمان و سخت شدن این بتن ها چون آب
داخل بتن کافی نیستَ، مقداری آب از سطح خارجی به قسمت داخلی برای تکمیل عمل فوق م ی رسد .
بنابراین بتن های با مقاومت زیاد در ساعت اولیه سخت شدن دچار جم ع شدگ ی ذات ی قابل ملاحظه ای
می شوند. ممکن است اثرات منفی دیگری نظیر حساسیت به ترک خوردگی بیشتر در این بت ن ها مشاهده
شود. این معایب را می توان با روش ساده ای برطرف نمود. در یک عمل ابداعی م ی توان حدود ٢۵ درصد از
حجم سنگدانه را با سنگدانه سبک وزن قبلاً خیس شده جایگزین نمود. این سنگدانه ها باعث ایجاد ذخیره
آب در بتن شده و محیطی با عمل آوری مرطوب فراهم می سازند. نتیجه اضافه کردن سنگدانه پیش اشباع
شده به بتن با مقاومت زی اد، کاهش جم ع شدگ ی ذات ی و کم شدن و حذف ترکه ای مو یی خواهد ب ود.
همچنین تراکم و دانسیته بالای بتن های با مقاومت زیاد سبب کاهش م قاومت در برابر آتش این بت ن ها
می شود که بعنوان یک عیب محسوب می شود. در دمای بالا آب شیمیایی خمیر سیمان بخار شده ولی به
علت متراکم بودن بتن با مقاومت زیاد نمی تواند از آن خارج شود. در نتیجه پوشش بتن ی بصورت ورقه جدا
شده و ظرفیت بار پذیری ستون کاهش می یابد. در یک کار ابداعی می توان الیاف پروپیلن ی به بتن اضافه
نمود. در دمای بالا الیاف ذوب شده و کانالهایی برای فرار و خروج بخار آب از بتن فراهم م ی ساز ند و از ورقه
ورقه شدن بتن جلوگیری بعمل می آورند.
نتیجه گیری
در سالهای اخیر تحول عظیمی در تکنولوژی بتن و پیدایش بتن های جدید صورت گرفته است. این تحولات به
پیدایش بتن های با مقاومت بسیار زیاد، بت نهای با نرمی بالا، بت نهای با آرماتورهای غیرفلزی، بتن با کارایی
بسیار زیاد، بتن با سنگدانه های بازیافتی و بتن های ابداعی منجر شده است . باید اذ عان نمود که نتایج
تحقیقات سالهای آخر قرن حاضر و ادامه آنها در قرن جدید می تواند نگرش تاز ه ای به بتن بعنوان یک ماده
ساختمانی پرمصرف بدهد. این نتایج منجر خواهد شد تا دیدگاه بتن بعنوان تنها یک ماده با مقاومت فشار ی
خوب به کلی دگرگون شده و خواص جدید بتن های نوین نظر اکثر دست اندرکاران پروژه های عظیم عمران ی
را در جهان بخود معطوف سازد.