آنچه در این مقاله می‌خوانید :
مواد تشکیل دهنده بتن
مواد تشکیل دهنده بتن چیست؟
مواد تشکیل دهنده بتن یک ماده کامپوزیت و مصنوعی است که شامل ماتریسی از چسب سیمانی و یک فاز پرکننده (سنگدانه درشت و ریز) است. خمیر سیمانی سنگدانه‌ها را به هم می‌چسباند تا یک ترکیب مستحکم را تشکیل دهد. مواد تشکیل دهنده بتن در میزان استحکام و چگالی و همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی محصول نهایی تعیین کننده هستند؛ اما بررسی خصوصیات و مشخصات هر یک مواد تشکیل دهنده جهت ارائه یک طرح اختلاط مهندسی شده بسیار مهم است.
اجزای تشکیل دهنده بتن
سیمان (Cement)
سیمان پرتلند رایج‌ترین نوع سیمان در مصارف عمومی است. سیمان از مهمترین مواد تشکیل دهنده بتن است که بر بسیاری از خصوصیات بتن مانند مقاومت فشاری تأثیر می‌گذارد. جوزف آسپدین، کارگر سنگ تراشی بریتانیایی، سیمان پرتلند را در سال ۱۸۲۴ به ثبت رساند. این سیمان به دلیل شباهت رنگ آن به سنگ آهک پرتلند، به این نام نامگذاری شده بود.
سیمان از سیلیکات‌های کلسیم (آلیت، بلیت)، آلومینات‌ها و فریت‌ها تشکیل شده است، ترکیباتی که کلسیم، سیلیکون، آلومینیوم و آهن را به شکل‌هایی ترکیب می‌کنند که با آب واکنش می‌دهند. سیمان پرتلند و مواد مشابه، با حرارت دادن سنگ آهک (منبع کلسیم) با خاک رس یا شیل (منبع سیلیکون، آلومینیوم و آهن) و آسیاب کردن این محصول (به نام کلینکر) با منبع سولفات (معمولاً گچ) ساخته می‌شود.
در کوره‌های سیمان بسیاری از ویژگی‌های پیشرفته برای کاهش مصرف سوخت در هر تن کلینکر استفاده می‌شوند. کوره‌های سیمان تاسیسات صنعتی بسیار بزرگ، پیچیده و ذاتاً غبارآلود هستند و انتشار گازهای گلخانه‌ای دارند که باید کنترل شوند. از بین مواد مختلفی که برای تولید مقدار مشخصی بتن استفاده می‌شود، سیمان از نظر انرژی گران‌ترین است. حتی کوره‌های پیچیده و کارآمد برای تولید یک تن کلینکر و سپس آسیاب کردن آن به سیمان، به ۳.۳ تا ۳.۶ گیگاژول انرژی نیاز دارند.
کیفیت سیمان تولیدی و انجام آزمایش‌های مختلف جهت بررسی کیفیت سیمان بسیار مهم هستند. در هر صورت، می‌توان از انواع سیمان به شرح زیر برای کاربردهای مختلف استفاده کرد:
- سیمان پرتلند معمولی (تیپ ۱)
- سیمان پرتلند اصلاح شده (تیپ ۲)
- سیمان سفید
- سیمان رنگی
- سیمان پوزولانی
- سیمان هوازا
- سیمان منبسط شونده
- سیمان هیدروگرافیک
- سیمان پرتلند زود سخت شونده (تیپ ۳)
- سیمان پرتلند با حرارت کم (تیپ ۴)
- سیمان پرتلند ضد سولفات (تیپ ۵)
- سیمان با آلومینای بالا
آب
آب از مواد تشکیل دهنده بتن است که با سیمان ترکیب می‌شود و در طی فرآیند هیدراتاسیون ، خمیر سیمانی را تشکیل می‌دهد. خمیر سیمان سنگدانه را به هم می‌چسباند، فضاهای خالی را پر می‌کند و باعث می‌شود تا آزادانه‌تر جریان پیدا کند. همانطور در قانون آبرامز بیان شده است، نسبت آب به سیمان کمتر، بتن قوی‌‌تر و بادوام‌‌تری را ایجاد می‌کند، در حالی که آب بیشتر، بتن با جریان آزادتر با اسلامپ بیشتر را ایجاد خواهد کرد. آب ناخالص که برای ساخت بتن استفاده می‌شود، می‌تواند در هنگام گیرش یا شکست زودرس سازه مشکلاتی ایجاد کند. به همین دلیل، بهتر است در تولید بتن از آب آشامیدنی استفاده شود.
سیمان پرتلند متشکل از پنج ترکیب اصلی سیلیکات کلسیم و آلومینیت‌ها با وزنی بین ۵ تا ۵۰ درصد است که همگی برای کمک به استحکام مواد نهایی هیدراته می‌شوند. بنابراین، هیدراتاسیون سیمان شامل واکنش‌های بسیاری است که اغلب در زمان مخلوط شدن آب با سیمان رخ می‌دهد. با ادامه واکنش‌ها، محصولات حاصل از فرآیند هیدراتاسیون سیمان به تدریج ذرات شن و ماسه و سایر اجزای بتن را به یکدیگر متصل می‌کنند تا یک توده جامدی را تشکیل دهند.
با توجه به ماهیت پیوندهای شیمیایی ایجاد شده در واکنش آب با سیمان و ویژگی‌های نهایی ذرات تشکیل شده، فرآیند هیدراتاسیون سیمان غیرقابل برگشت تلقی می‌شود. از این رو، باید سیمان را بعد از اتمام عمر مفید بازیافت کرد. ناگفته نماند، در طرح اختلاط بتن مهم است به نسبت آب به سیمان (W/C) توجه بسیاری شود زیرا این مهم در مقاومت فشاری، دوام، شرینکیج و بساری خصوصیات بتن تاثیرگذار است.
سنگدانه‌ها (Aggregates)
سنگدانه‌های ریز و درشت از مواد تشکیل دهنده بتن هستند که قسمت بیشتر مخلوط بتن را تشکیل می‌دهند (تا ۷۰ درصد). سنگدانه‌های بازیافتی از زباله‌های ساخت و ساز، تخریب و حفاری به طور فزاینده‌ای به عنوان جایگزین جزئی برای سنگدانه‌های طبیعی استفاده می‌شوند، در حالی که تعدادی از سنگدانه‌ها از جمله سرباره کوره بلند خنک شده با هوا و خاکستر کم نیز برای استفاده در بتن مجاز هستند.
توزیع اندازه سنگدانه تعیین می‌کند که چه مقدار به خمیر سیمانی نیاز است. سنگدانه با توزیع اندازه بسیار یکنواخت، دارای بهترین نوع دانه بندی است زیرا سنگدانه‌های ریز فضای بین سنگدانه های درشت را پر می‌کنند. سپس چسب سیمانی باید شکاف‌های بین سنگدانه را پر کند و سطوح سنگدانه را به هم بچسباند. بنابراین، تغییر در اندازه سنگدانه‌ها هزینه بتن را کاهش یا افزایش می‌دهد.
با اینکه خمیر سیمانی بیشترین تاثیر را در مقاومت فشاری بتن دارد اما سنگدانه‌ها نیز تأثیر مثبتی بر مقاومت بتن دارند. برای مثال، سنگدانه‌های درشت تیز گوشه نسبت به انواع گرد گوشه، مقاومت فشاری بتن را افزایش می‌دهند. مقدار زبری سنگدانه‌ها نیز در میزان مقاومت فشاری و روانی بتن مؤثر هستند. ناگفته نماند، ویبره زیاد بتن باعث پراکنده شدن سنگدانه‌ها و شن نمایی سطح بتن می‌شود.
مواد افزودنی (Admixtures)
مواد افزودنی به موادی به شکل پودر یا سیال مانند گفته می‌شود که به بتن اضافه شده تا ویژگی‌های خاصی به آن ببخشند. این مواد به عنوان افزودنی‌هایی تعریف می‌شوند که در زمان آماده سازی مخلوط بتن ساخته خواهند شد. متداول‌ترین افزودنی‌ها کند کننده‌ها و شتاب دهنده‌ها هستند. در استفاده معمولی، دوزهای افزودنی کمتر از پنج درصد جرمی سیمان است و در زمان بچینگ به طرح اختلاط بتن اضافه می‌شوند.
انواع رایج افزودنی‌ها به شرح زیر هستند:
شتاب دهنده‌ها
هیدراتاسیون بتن را سرعت می‌بخشند. مواد معمول شتاب دهنده‌ها شامل کلرید کلسیم، نیترات کلسیم و نیترات سدیم هستند. با این حال، استفاده از کلریدها ممکن است باعث خوردگی میلگردها شود. افزودنی‌های تسریع کننده به ویژه برای اصلاح خواص بتن در هوای سرد مفید هستند.
عوامل حباب کننده هوا
حباب‌‌زاها هوای ریز را در بتن اضافه می‌کنند که این باعث کاهش آسیب در چرخه‌های یخ زدگی و افزایش دوام بتن می‌شود. با این حال، هر یک درصد هوا ممکن است مقاومت فشاری را تا پنج درصد کاهش دهد. اگر در نتیجه فرآیند اختلاط، هوای زیادی در بتن گیر کند می‌توان از کف زداها برای ترغیب حباب هوا به تجمع، بالا آمدن تا سطح بتن مرطوب و سپس پراکندگی استفاده کرد.
بازدارنده‌های خوردگی
از مواد تشکیل دهنده بتن که جزء مواد افزودنی قرار دارد، می‌توان به بازدارنده‌های خوردگی اشاره کرد. این مواد برای به حداقل رساندن خوردگی میلگردها در بتن استفاده می‌شوند.
مواد افزودنی کریستالی
معمولاً در طول بچینگ بتن برای کاهش نفوذ پذیری اضافه می‌شوند. این واکنش زمانی انجام می‌شود که مواد کریستالی در معرض آب و ذرات سیمان هیدراته نشده قرار گرفته و کریستال‌های سوزنی شکل نامحلولی را تشکیل دهند که منافذ مویرگی و ریزترک‌های بتن را پر می‌کنند تا مسیرهای ورود آب و آلودگی‌های موجود در آب را مسدود نمایند. بتن با مخلوط کریستالی خود آب بندی می‌شود زیرا قرار گرفتن مداوم در معرض آب به طور مداوم شروع به کریستالی شدن می‌کند.
بیشتر بدانید : اجرا ساختمان فلزی و بتنی در اصفهان | تعیین ابعاد بهینه بازشو‌های افقی در جان تیر‌های بتن مسلح | بهینه‌سازی طراحی قاب‌های خمشی بتن آرمه با استفاده از الگوریتم تقریب سازگار
رنگدانه‌ها
از رنگدانه‌ها می‌توان برای تغییر رنگ بتن برای مصارف زیبایی شناسی استفاده کرد.
نرم کننده‌ها
نرم کننده‌ها کارایی پلاستیک بتن تازه را افزایش می‌دهند و به بتن اجازه داده تا راحت‌‌تر در قالب پخش شود. یک نرم کننده معمولی لیگنوسولفونات است. نرم کننده‌ها را می‌توان برای کاهش محتوای آب بتن با حفظ کارایی استفاده کرد و گاهی اوقات به دلیل این کاربرد، کاهنده آب نیز نامیده می‌شوند. چنین موادی ویژگی‌های استحکام و دوام بتن را بهبود می‌بخشد.
فوق روان کننده‌ها
دسته‌ای از نرم کننده‌ها هستند که اثرات مضر کمتری دارند و می‌توان برای افزایش کارایی بیشتر از نرم کننده‌های سنتی استفاده کرد. همچنین برای افزایش مقاومت فشاری از فوق روان کننده‌ها استفاده می‌شود. این مواد کارایی بتن را افزایش می‌دهند و نیاز به آب را ۱۵ تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهند. فوق روان کننده‌ها منجر به اثرات کند کنندگی خواهند شد.
کمک پمپاژ
باعث بهبود قابلیت پمپاژ، غلیظ شدن خمیر و کاهش جدایی و آب انداختگی می‌شود.
کندکننده‌ها
این مواد هیدراتاسیون بتن را کند می‌کنند و در بتن ریزی‌های بزرگ استفاده می‌شوند. کندکننده‌های معمولی شامل ساکارز، گلوکونات سدیم، گلوکز، اسید سیتریک و اسید تارتاریک هستند.
مواد افزودنی معدنی و انواع جایگزین سیمان
این‌ها مواد تشکیل دهنده بتن هستند که خواص هیدرولیکی پوزولانی دارند. این مواد بسیار ریز دانه برای بهبود خواص بتن (افزودنی‌های معدنی) یا به عنوان جایگزینی برای سیمان پرتلند (سیمان‌های مخلوط) به مخلوط بتن اضافه می‌شوند. خاکستر بادی، سرباره کوره بلند و سایر مواد مفید با خواص پوزولانی در مخلوط استفاده هستند. این پیشرفت‌ها برای به حداقل رساندن تأثیرات ناشی از استفاده از سیمان و انتشار گازهای گلخانه‌ای است. استفاده از مواد جایگزین همچنین می‌تواند هزینه‌های ساخت پروژه را کاهش دهد، خواص بتن را بهبود ببخشد و ضایعات را بازیافت کند.
انواع مواد جایگزین سیمان عباراتند از:
خاکستر بادی
محصول جانبی نیروگاه‌های تولید برق با سوخت زغال سنگ، برای جایگزینی جزئی سیمان پرتلند (تا ۶۰ درصد جرمی) استفاده می‌شود. خواص خاکستر بادی به نوع زغال سنگ سوخته بستگی دارند. به طور کلی، خاکستر بادی سیلیسی پوزولانی است، در حالی که خاکستر بادی آهکی دارای خواص هیدرولیکی پنهان می‌باشد.
سرباره کوره بلند دانه بندی شده زمینی (GGBFS یا GGBS)
یک محصول جانبی تولید فولاد برای جایگزینی جزئی سیمان پرتلند (تا ۸۰ درصد جرمی) استفاده می‌شود و دارای خواص هیدرولیکی نهفته است.
دوده سیلیس
محصول جانبی تولید سیلیکون و آلیاژهای فروسیلیس است. دود سیلیس شبیه خاکستر بادی است اما اندازه ذرات آن ۱۰۰ برابر کوچک‌تر است. این مهم منجر به نسبت سطح به حجم بالاتر و واکنش پوزولانی بسیار سریع‌تری می‌شود. دوده سیلیس برای افزایش مقاومت و دوام بتن استفاده می‌شود اما به طور کلی برای کارایی نیاز به استفاده از فوق روان کننده‌ها دارد.
متاکائولین با واکنش پذیری بالا (HRM)
متاکائولین بتن با مقاومت و دوام مشابه بتن ساخته شده با دود سیلیس تولید می‌شود. در حالی که دوده سیلیس معمولاً به رنگ خاکستری تیره یا سیاه است، متاکائولین با واکنش پذیری بالا معمولاً به رنگ سفید است که باعث می‌شود این ماده افزودنی را به انتخاب ارجح برای بتن‌های معماری که سبک طراحی و ظاهر برای آنها مهم است، تبدیل کند.
نانوالیاف کربنی
این ماده را می‌توان برای افزایش مقاومت فشاری، به دست آوردن مدول یانگ بالاتر، برای بهبود خواص الکتریکی مورد نیاز برای نظارت بر کرنش، ارزیابی آسیب و نظارت بر سلامت خود بتن نیز اضافه کرد. فیبر کربن از نظر خواص مکانیکی و الکتریکی، استحکام کششی بالا و رسانایی بالا دارای مزایای زیادی است.
روند تولید بتن با اجزای تشکیل دهنده
سنگدانه‌ها از قطعات بزرگی از مواد در یک مخلوط بتن، به طور کلی شن درشت یا سنگ‌های خرد شده مانند سنگ آهک یا گرانیت، همراه با مواد ریزتری مانند ماسه تشکیل شده‌اند. خمیر سیمان که بیشتر از سیمان پرتلند ساخته می‌شود، رایج‌ترین نوع چسب بتن است. (اجرای ساختمان بتنی در اصفهان) برای چسباندن سیمان، آب با پودر سیمان خشک و سنگدانه مخلوط می‌شود که یک دوغاب نیمه مایع (خمیر) تولید می‌کند که می‌تواند به راحت در قالب ریخته شده و به شکل مورد نظر درآید.
بتن از طریق فرآیند شیمیایی به نام هیدراتاسیون جامد و سخت می‌شود. آب با سیمان واکنش می‌دهد و مواد تشکیل دهنده بتن را به یکدیگر متصل می‌کند و ماده‌ای محکم و سنگ مانند را ایجاد می‌نماید. مواد سیمانی دیگری مانند خاکستر بادی و سیمان سرباره، گاهی اوقات به مخلوط بتنی اضافه می‌شوند یا از قبل با سیمان مخلوط شده یا مستقیماً به عنوان یک جزء بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
خاکستر بادی و سرباره می‌توانند برخی از خواص بتن مانند دوام را افزایش دهند. به طور متناوب، مواد دیگری نیز می‌توانند به عنوان چسب بتن استفاده شوند که رایج‌ترین جایگزین آن «آسفالت» است که به عنوان چسب در بتن آسفالتی استفاده می‌شود. مواد افزودنی برای تغییر میزان گیرش یا خواص دیگر بتن استفاده می‌شوند.
مواد افزودنی معدنی از مواد بازیافتی به عنوان مواد تشکیل دهنده بتن ساخته می‌شوند. مواد افزودنی عبارتند از خاکستر بادی، سرباره کوره بلند و دوده سیلیس هستند. سازه‌های بتنی معمولاً آرماتورهای فولادی برای تولید بتن مسلح استفاده می‌کنند. در نهایت، طراحی اختلاط به نوع سازه در حال ساخت، نحوه اختلاط، اقلیم منطقه، شرایط تحویل بتن، نحوه بتن ریزی و موارد دیگ
ر بستگی دارد.
و در آخر
مواد تشکیل دهنده بتن – در حالت عادی، بتن از چهار ماده اصلی از جمله سیمان، آب، شن و ماسه تولید می‌شود؛ اما با پیشرفت تکنولوژی بتن، هم اکنون مواد تشکیل دهنده مختلفی نیز برای بهبود خواص بتن به این ماده اضافه می‌شوند. درصد و خصوصیات مواد تشکیل دهنده بتن در طرح اختلاط وارد می‌شوند تا نیازها و اهداف پروژه را تأمین کنند. در هر صورت، شناخت اجزای تشکیل دهنده بتن بسیار مهم است زیرا در مقاومت، دوام، کارایی و موارد دیگر تأثیر مستقیم دارد.
برای اطلاعات بیشتر می توانید با گروه فنی و مهندسی زانیس سازه تماس حاصل نمائید.
