مواد تشکیل دهنده بتن
مواد تشکیل دهند بتن به صورت کلی شامل سنگدانه، سیمان و آب می شود.
مواد تشکیل دهند بتن به صورت کلی شامل سنگدانه، سیمان و آب می شود. البته با توجه به کاربرد و نوع بتن مواد افزودنی به آن افزوده می شود. افزدونی های بتن شامل افزودنی های شیمیایی و افزودنی های معدنی است. افزودنی های شیمیایی شامل زودگیرکنندهها، دیرگیرکنندهها، هوازاها، روانکنندهها، رنگدانه، ضدزنگ، عامل اتصال، آسانکننده پمپاژ، فوق روانکنندهها و افزودنی های معدنی شامل خاکستر بادی، سرباره آتشفشانی، فوم سیلیکا، متکائولین واکنش پذیر و نانوفیبرهای کربنی می شود.
بتن چیست؟
بتن یک ماده ترکیبی ساخته از سنگدانههای کوچک و بزرگ، سیمان و آب است که در حقیقت این مواد تشکیل دهنده بتن هستند که این مواد در مخلوط باهم و به روش خاصی و با گذر زمان به نام بتن سفت و محکم میشوند. ماده پایه در اکثر بتنها، آهک است. به عبارت دیگر بتن، عموما حاصل فعل و انفعال سیمان های هیدرولیکی و آب است.
البته بتن ممکن است از انواع مختلف سیمان و نیز پوزولان ها، سرباره کوره ها، مواد مضاف، گوگرد، مواد افزودنی بتن، پلیمر های بتن، الیاف بتن و... تهیه شود. همچنین در نحوه ساخت آن ممکن است حرارت، بخار آب، اتوکلاو، خلا، فشارهای هیدرولیکی و متراکم کننده های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. اغلب افزودنیهایی به ترکیب اضافه میشوند تا خواص فیزیکی ترکیب را بهبود ببخشند.
زمانی که سنگدانه با سیمان پرتلند خشک و آب مخلوط میشود، ترکیب حاصله دوغابی به دست می آید که به راحتی میتوان از آن استفاده کرد یا آن را درون قالب ریخت. سیمان با آب و سایر اجزا واکنش شیمیایی نشان می دهد و ماده سفتی را به وجود می آورد که مواد را کنار همانند یک سنگ بادوام و پرکاربرد نگه میدارد.
مواد تشکیل دهنده بتن
بتن دارای انواع مختلفی است، از همین رو مواد تشکیل دهنده آن بستگی به نوع آن دارد. با توجه به نوع کاربرد و خواص مورد انتظار مانند مقاومت، چگالی و مقاومتهای شیمیایی و گرمایی میتوان بتن مورد نظر و مواد تشکیلدهنده آن را انتخاب کرد. مواد اصلی در ساخت و تهیه بتن در ادامه توضیح داده می شود.
سنگدانه
سنگدانههای ریز و درشت، بیشترین سهم را در ترکیب بتن دارد. سنگدانه شامل ماسه، شن طبیعی و سنگ خردشده است. سنگدانههای بازیافتی (از ساخت و ساز، تخریب و زباله های حفاری) به عنوان جایگزینی برای سنگدانههای طبیعی مورد استفاده قرار میگیرند.
توزیع اندازه سنگدانهها تعیین کننده میزان ملات مورد نیاز است. اگر اندازه سنگدانهها یکنواخت باشد، بیشترین فضای بین اجزا را دارند که با اضافه کردن سنگدانههای ریزتر این فضاها پر می شوند. ملات باید فضای بین سنگدانهها را پر کند، سطح سنگدانهها را به هم چسبانده و در عین حال گران قیمتترین عضو ترکیب است. از همین رو استفاده از سنگدانههای با سایزهای مختلف سبب کاهش قیمت میشود. معمولا سنگدانهها از مقاومت بالاتری نسبت به ملات برخوردارند، از این رو تاثیر منفی بر مقاومت نخواهد داشت.
سیمان پرتلند
سیمان پرتلند از جمله پرکاربردترین نوع سیمان برای تولید بتن به شمار می رود، در حقیقت این مواد برای تهیه انواع ملات مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده عضو پایهای بتن، ملات و بسیاری از پلاسترهاست. سیمان در مقایسه با سایر مواد تشکیل دهنده بتن به انرژی بیشتری نیاز دارد. ترکیب سیمان با آب، ماده ای چسبنده را ایجاد می کند که سنگدانه ها و ماسه را به یکدیگر می چسباند.
مواد سیمانی دیگر مانند خاکستر بادی یا سیمان سرباره نیز گاهی اوقات به عنوان افزودنیهای معدنی مورد استفاده قرار میگیرند که این استفاده میتواند از طریق پیش ترکیب با سیمان یا استفاده مستقیم در بتن باشد.
آب
برای تولید بتن از بسیاری از سیمانها (به جز از آسفالت)، از آب استفاده میشود که دوغابی به دست می آید که قابلیت شکل دهی دارد. بتن طی یک فرآیند شیمیایی به نام هیدراته شدن، سفت میشود که در آن آب با سیمان وارد واکنش شده و بقیه اجزا را به هم چسبانده و مادهای قدرتمندتر مانند سنگ ایجاد میکند.
نسبت پایینتر آب به سیمان، بتن با مقاومت بالا و پایدارتری تولید میکند، اما آب بیشتر سبب میشود، بتن به راحتی جریان پیدا کند و اسلامپ بالاتری داشته باشد. استفاده از آب ناخالص برای ساخت بتن، میتواند سبب ایجاد مشکل هنگام تولید و ایجاد اشکال در سازه شود.
افزودنی های بتن
افزدونی های بتن شامل افزودنی های شیمیایی و افزودنی های معدنی می شود که امکان دارد با توجه به خواص مورد انتظار به کار گرفته شوند.
افزودنی های شیمیایی
اگرچه افزودنیهای شیمیایی جزو اجزای اصلی ترکیب اصلی بتن نیست اما برای بخشیدن برخی خواص مختلف از آنها استفاده میشود. این افزودنیها میتوانند سرعت گیرش را افزایش یا کاهش دهند یا خواص مفید دیگری را سبب شوند، از جمله افزایش مقاومت کششی، افزایش کارایی، ایجاد حباب هوا و مقاومت در برابر آب است.
افزودنیهای شیمیایی موادی ممکن است که به شکل پودر یا مایع باشند که به منظور ایجاد ویژگیهای خاصی افزوده میشوند. در کاربردهای معمولی، غلظت افزدونیها کمتر از ۵ درصد حجم سیمان مورد استفاده بوده و در زمان اختلاط افزوده میشوند. نمونههای رایج افزودنیهای شیمیایی عبارتند از:
زودگیرکنندهها: سبب افزایش سرعت هیدراته شدن میشوند. با توجه به ترکیبات موجود در آنها و حضور کلر، استفاده از آنها در برخی کشورها ممنوع است. زودگیرکنندهها بهویژه برای بهبود خواص در شرایط آب و هوایی سرد مورد استفاده قرار میگیرند.
دیرگیرکنندهها: سبب کاهش سرعت هیدراتاسیون میشود و برای بتنریزیهای عظیم و دشوار که گیرش موضعی تا پایان بتنریزی مد نظر نیست، مورد استفاده قرار میگیرد. چند نمونه دیرگیرکننده در دسترس شامل شکر، ساکارز، گلوکز، اسید سیتریک، سدیم گلوکونات و تارتاریک اسید است.
هوازاها: سبب حبابهای هوای ریز می شود که موجب کاهش آسیب در چرخههای یخزدگی شده و پایداری را بالا می برد. اگرچه هوای محبوس سبب کاهش مقاومت میشود که به ازای هر ۱درصد هوای موجود، مقاومت فشاری ۵ درصد کاهش مییابد. اگر در نتیجه اختلاط، هوای بسیاری محبوس شود، میتوان از افزودنیهایی برای آوردن این حبابها به سطح استفاده کرد.
روانکنندهها: سبب افزایش کارایی بتن تازه شده و به آن اجازه میدهد آسانتر در محل قرار بگیرد. از روانکنندهها میتوان برای کاهش آب موجود در بتن همزمان با حفظ کارایی آن استفاده کرد. با استفاده از آنها مقاومت و پایداری افزایش پیدا می کند.
رنگدانه: برای نماسازی و جهت تغییر رنگ میتوان از آنها استفاده کرد.
ضدزنگ: برای کاهش زنگ زدگی فولاد و میلگردهای موجود در بتن مورد استفاده قرار میگیرد.
عامل اتصال: برای ایجاد اتصال بین بتن قدیمی و جدید، با تلورانس دمایی بالا و مقاومت در برابر زنگزدگی از آنها استفاده میشود.
آسانکننده پمپاژ: سبب بهبود قابلیت پمپاژ، ضخیم شدن چسب، کاهش جدا شدن ذرات هنگام پاشش و کاهش آب انداختن میشود.
فوق روانکنندهها: نوعی روانکننده است که خواص زیانآور کمتری دارد و در صورت استفاده سبب کارایی بیشتر می شود.
افزودنیهای معدنی
افزودنیهای معدنی در دهههای اخیر استفاده بیشتری پیدا کردهاند. استفاده از مواد بازیافتی بهعنوان اجزای بتن به دلیل افزایش سختگیریهای محیط زیستی و کشف اینکه چنین موادی دارای خواص ارزشمندتری هستند؛ مورد استقبال قرار گرفته است. آشکارترین این موارد را می توان به خاکستر بادی -یک محصول جانبی از نیروگاههای زغالی- سرباره آتشفشانی، محصول جانبی صنایع فولادی و فوم سیلیکا، محصول جانبی کورههای قوس الکتریکی اشاره کرد. استفاده از این مواد، نیاز به استفاده از منابع مورد نیاز را کاهش میدهند، چراکه افزودنیهای معدنی بهعنوان جایگزین سیمان عمل میکنند. این موضوع سبب کم شدن نیاز به تولید سیمان شده که خود یک فرآیند نیازمند انرژی بالا و مشکلزا برای محیط زیست است و در عین حال حجم زبالههای صنعتی را کاهش می دهد. افزودنیهای معدنی میتوانند در زمان تولید سیمان با آن مخلوط شده یا همزمان با تولید همراه با اجزای دیگر به ترکیب اضافه شوند.
خاکستر بادی: یک محصول جانبی از نیروگاههای برقی زغال سنگ است. از آن به عنوان جایگزینی برای سیمان پرتلند استفاده میشود. خواص خاکستر بستگی به زغالی دارد که مورد استفاده قرار گرفته می گیرد. در مجموع خاکستر بادی سیلیسی پوزولانی است.
سرباره آتشفشانی: محصول جانبی تولید فولاد است که به عنوان جایگزین سیمان پرتلند مورد استفاده قرار میگیرد. این محصول دارای خواص هیدرولیکی است.
فوم سیلیکا: محصول جانبی تولید آلیاژهای سیلیکون و فروسیلیکون است. فوم سیلیکا به خاکستر بادی شبیه است، اما ذرات آن ۱۰۰ برابر کوچکتر هستند. نتیجه آن بالاتر بودن سطح ویژه و بالاتر بودن واکنش پوزولانی است. فوم سیلیکا برای افزایش مقاومت و پایداری مورد استفاده قرار میگیرد، اما برای حفظ کارایی نیاز به فوق روانکنندهها دارد.
متکائولین واکنش پذیر: متاکائولین سبب تولید بتنی با مقاومت و پایداری مشابه بتن تولید شده با فوم سیلیکا میشود، در حالی که فوم سیلیکا معمولا خاکستری تیره یا مشکی است، این محصول معمولا رنگ روشنی دارد که آن را برای کاربردهای معماری که در آن ظاهر اهیمت دارد، مناسب است.
نانوفیبرهای کربنی: در افزایش مقاومت فشاری و رسیدن به مدول یانگ بالاتر و همچنین بهبود خواص الکتریکی مورد نیاز برای مانیتور کرنش، ارزیابی آسیب و مانیتور سلامت بتن کاربرد دارد. فیبر کربنی مزیتهای بسیاری در زمینه خواص مکانیکی، الکتریکی و امکان مانیتورینگ به دلیل مقاومت کششی و رسانایی بالا دارند. محصولات کربنی به منظور رسانا کردن بتن برای یخ زدایی در بتن کاربرد دارد.