خواص بتن

استفاده از مواد شيميايي از زمانهاي بسيار دور متداول بوده است. مصريان قديم گچ تكليس شده ناخالص را بكار مي‌بردند يونانيان و رومي‌ها سنگ آهك تكلنيس شده را مصرف مي‌كردند و بعداَ آموختند كه به مخلوط آهك و آب، ماسه،سنگ خردشده يا آجر و سفال‌هاي شكسته نيز اضافه كنند اين اولين نوع بتن در تاريخ بود. ملات آهك درزير آب سخت نمي‌شود و رومي‌ها براي ساختمان‌سازي در زير آب، سنگ و آهك و خاكستر آتشفشاني با پودر بسيار نرم سفال‌هاي

 

سوخته شده را با هم آسياب مي‌نمودند و بكار مي‌بردند سيليس و آلومين فعال موجود در خاكستر و سفال با آهك تركيب شده و آنچه به اسم سيمان پوزولاني (پوزولان از اسم دهكده pozzuli كه در نزديكي آتشفشان وزو قرار دارد و براي اولين بار خاكستر آتشفشاني را در اين محل پيدا نمودند

گرفته شده است). شناخته شده است را توليد مي‌نمايد نام «سيمان پوزولاني» را تا به امروز براي توصيف سيمانهايي كه بآساني از آسياب نمودن مواد طبيعي در دماي معمولي بدست مي‌آيند بكار برده‌اند بعضي از ساختمانهاي رومي كه در آنها آجرها بوسيله ملات به يكديگر چسبانده شده‌اند مانند

Coliseum در روم و pont du Gard در نزديكي Nimes و سازه‌هاي بتني مانند ساختمان pantheon در روم تا امروز باقي مانده‌اند و مواد سيماني آنها هنوز سخت و محكم است در خرابه‌هاي نزديك pompeii اغلب ملات بهم چسباننده سنگها كمتر از خود سنگها كه نسبتاَ سست مي‌باشد هوازده شده است.
در قرون وسطي انحطاطي در كيفيت و كاربرد سيمان بوجود آمد و فقط در قرن ۱۸ بود كه پيشرفتي در دانش سيمانها حاصل شد در سال ۱۷۵۶ كه john Smeaton مأمور بازسازي برج چراغ دريايي Eddystone د رفرا ساحل جنوب غربي انگلستان شده بود به اين نتيجه رسيد كه بهترين ملات

وقتي بدست مي‌آيد كه مواد پوزولاني با سنگ آهك حاوي نسبت قابل توجهي از مواد رسي مخلوط شود با تشخيص اينكه نقش خاك رس كه قبلاً نامناسب در نظر گرفته مي‌شد. Smeaton اولين شخصي بود كه خواص شيميايي آهك آبي يعني ماده‌اي كه از پخت مخلوطي از سنگ و خاك رس بدست مي‌آيد پي برد. متعاقباً سيمانهاي آبي ديگر مانند سيمان رومي كه james parker از كلسينه نمودن گلوله‌هاي سنگ آهك رسي آن را بدست آورده بوجود آمد. بالاخره در ۱۸۲۴ Joseph Aspdin كه معماري در شهر ليدز بود سيمان پرتلند را به ثبت رساند اين سيمان را از حرارت دادن

مخلوطي از پودر نرم خاك رس و سنگ آهك سخت در كوره تاحدودي كه CO2 آن بخارج رانده وشد بدست آورند دماي كوره خيلي پائين‌تر از حد لازم براي توليد كلينكر نخستين نمونه از سيماني كه امروزه آن را به نام سيمان پرتلند مي‌شناسيم در سال ۱۸۴۵ بوسيله Isaac Johnson از حرارت دادن مخلوط خاك رس و سنگ آهك كيفيت تا حد كلينكر شدن و صورت پذيرفتن واكنش‌هاي لازم براي تشكيل تركيبات چسباننده‌ي پرقدرت تهيه گرديد.

نام سيمان پرتلند كه در ابتدا به علت تشابه رنگ و سيمان حاصل كرده با سنگ پرتلند – سنگ آهكي كه در Dorset انگلستان استخراج مي‌شود به آن داده شد تا امروز در سراسر دنيا براي توصيف سيماني كه از در هم آميختن كامل و حرارت دادن مواد آهكي و رسي، يا ساير مواد حاوي سيليس، آلومين، و اكسيد آهن تا دماي كلينكر شدن و آسياب نمودن كلينكر حاصل شده باقي مانده است و تعريف سيمان پرتلند در استانداردهاي مختلف با توجه به اينكه از پخت سنگ گچ به آن افزوده مي‌شود بر اين راستا قرار دارد امروزه ممكن است مواد ديگري نيز افزوده يا آميخته شوند.

بتن تازه:
گواينكه بتن تازه فقط بصورت گذرا مورد توجه واقع مي‌شود بايد توجه نمود كه مقاومت بتن با نسبتهاي مخلوط معين بصورت خيلي جدي تحت تأثير درجه‌ي تراكم آن واقع مي‌شود و بنابراين بسيار مهم است كه رواني مخلوط بتن تازه در حدي باشد كه بتوان آنرا با سهولت كافي حمل نمود درجاريخت، متراكم كرد و سطح آن را پرداخت نمود بدون آنكه در خلال اين مراحل جداشدگي صورت گيرد.

عوامل مؤثر بر كارآيي:
عامل اصلي مقدار آب مخلوط است كه بر حسب كيلوگرم( يا ليتر) آب، بر متر مكعب بتن، بيان مي‌شود از نظر سهولت( گواينكه تقريبي است) فرض مي‌شود كه براي يك نوع سنگدانه بخصوص با دانه‌بندي معين و كارآيي مشخص بتن، مقدار آب مستقل از نسبت سنگدانه‌ها به سيمان و يا از مقدار سيمان مخلوط باشد براساس اين فرض مي‌توان نسبت‌هاي مخلوط بين بتن‌هاي بامقدار سيمان مختلف را تخمين زد. جدول A مقادير نمونه آب را براي اسلامب‌هاي مختلف بتن و حداكثر اندازه‌هاي مختلف سنگدانه‌ها مي‌دهد اين مقادير فقط در مورد بتن بدون حباب هوا صدق مي‌كند.

مقدار آب بتن kg/m3

 

حداكثر اندازه سنگدانه
in mm اسلامب ۲۵ تا mm 50 اسلامب ۷۵ تا mm 100 اسلامب ۱۵۰ تا mm 175
سنگدانه گرد گوشه‌ سنگدانه گوشه‌دار سنگدانه گرد گوشه سنگدانه گوشه‌دار سنگدانه گرد گوشه‌ سنگدانه گوشه‌دار
۵/۹ ۵/۱۸ ۲۱۰ ۲۰۰ ۲۲۵ ۲۲۰ ۲۵۰
۷/۱۲ ۵/۱۷ ۲۰۰ ۱۹۵ ۲۱۵ ۲۱۰ ۲۳۵

۱۹ ۱۶۵ ۱۹۰ ۱۸۵ ۲۰۵ ۲۰۰ ۲۲۰
۴/۲۵ ۱۵۵ ۱۷۵ ۱۷۵ ۲۰۰ ۱۹۵ ۲۱۰
۱/۳۸ ۱۵۰ ۱۶۵ ۱۶۵ ۱۸۵ ۱۸۵ ۲۰۰
۰۸/۵ ۲ ۱۴۰ ۱۶۰ ۱۶۰ ۱۸۰ ۱۷۰ ۱۸۵
۲/۷۶ ۳ ۱۳۵ ۱۵۵ ۱۵۵ ۱۷۰ ۱۶۵ ۱۸۰
جدول A : مقدار تقريبي آب براي اسلامب‌هاي مختلف و حداكثر اندازه‌هاي سنگدانه‌ها( تا حدي براساس روش سازمان ملي سنگدانه‌ها در ايالت متحده)

چنانچه مقدار آب بتن وساير نسبتهاي مخلوط ثابت فرض شوند در اين صورت كارآيي توسط حداكثر اندازه سنگدانه‌ها، دانه‌بندي، شكل و بافت سطحي آنها كنترل مي‌شود.
دانه‌بندي و نسبت آب به سيمان تواماً مورد بررسي قرار گيرند زيرا دانه‌بندي معيني كه بهترين كارآيي را براي يك مقدار بخصوص نسبت آب به سيمان توليد مي‌كند ممكن است بهترين دانه‌بندي براي نسبت ديگري از آب به سيمان، نباشد بويژه هر چه نسبت ‌آب به سيمان بيشتر باشد براي حصول بهترين كارآيي دانه‌بندي ريزتري مورد نياز خواهد بود درواقع براي نسبت معيني از آب به سيمان يك نسبت سنگدانه درشت» با مصرف مصالح معين« وجود خواهد داشت كه بهترين كارآيي را مي‌دهد و بر عكس براي يك كارآيي معين مقدار ثابتي از نسبت سنگدانه درشت به ريز وجود دارد كه احتياج به كمترين مقدار آب خواهد داشت.

به هر حل بايد به خاطرداشت كه اگر چه هنگام بحث در مورد دانه‌بندي لازم براي حصول يك كارآيي مناسب نسبت‌هاي جرمي توصيه شده‌اند وليكن اين توصيه‌ها فقط درمورد سنگدانه‌هاي با وزن مخصوص ثابت صدق مي‌كنند. در حقيقت كارآيي بوسيله نسبت‌هاي حجمي دانه‌هاي با اندازه‌هاي مختلف كنترل مي‌شود لذا وقتي سنگدانه‌هاي با وزن مخصوص‌هاي مختلف اصلاً در حالت بعضي از مصالح سبك وزن يا مخلوطي از مصالح سبك وزن و معمولي با كاربرده مي‌شوند. بايد نسبتهاي مخلوط را براساس حجم مطلق هراندازه از دانه‌ها تعيين نمود اين موضوع در حالت بتن با حباب هوا نيز صدق مي‌كند زيرا حباب هوا همانند ذرات ريز بدون وزن عمل مي‌نمايد. تأثير خواص سنگدانه‌ها بر كارآيي افزايش مقدار سيمان مخلوط كاهش مي‌يابد و احتمالاً وقتي نسبت سنگدانه به سيمان به كمي يا ۲ باشد بكلي اين اثر از بين مي‌رود.
در عمل تخمين اثر نسبت هاي مخلوطي بر كارآيي احتياج به دقت دارد، زيرا از سه عامل نسبت به سيمان. نسبت سنگدانه‌ها به سيمان و مقدار آب مخلوط، فقط دو عامل مستقل از يكديگرند. براي مثال اگر نسبت سنگدانه‌ها به سيمان كاهش داده شود اما نسبت آب به سيمان ثابت بماند مقدار آب مخلوط افزايش مي‌يابد و در نتيجه كارآيي افزاش خواهد يافت از طرف ديگر اگر مقدار آب ثابت نگه داشته شود وقتي كه نسبت سنگدانه به سيمان كاهش مي‌يابد نسبت آب به سيمان كاهش خواهد يافت اما كارآيي بصورت جدي تحت تأثير قرار نمي‌گيرد.

بعلت بعضي از اثرات ثانوي ذكر آخرين شرط نيز ضروري بنظر مي‌رسد نسبت كمتري از سنگدانه‌ها به سيمان به معني مقدار بيشتري از كل سطح جانبي مواد جامد (سنگدانه‌ها و سيمان) است بطوريكه در اين صورت يك مقدار معين از آب، سبب كارآيي تا حدي كمتر مي‌شود. اين اثر را مي‌توان با استفاده از دانه‌بندي قدري درشت‌تر از سنگدانه‌ها، خنثي نمود همچنين عوامل جزئي ديگر نيز مانندبرخي ذرات سيمان، مؤثرند. اما تأثير اين عوامل، هنوز بحث‌انگيز است.

زمان سخت‌شدن بتن:
براي مشخص نمودن ميزان سفت‌شدن بتن مي‌توان ملات خارج شده از آن را با استفاده از الك mm 5 آزمايش نمود. ميله‌اي از نوع واكنش فلزي به اسم ميله proctor را براي تعيين زمانهايي كه مقاومت در مقابل نفوذ برابر Mpa 5/3 و Mpa 6/27 بكار مي‌برند. قرائت اول زمان گيرش اوليه ناميده مي‌شود و نشانگر آن است كه بتن بيشتر از آنكه بتواند در اثر لرزيدن قابليت تحرك‌پذيري يابد سفت شده است. زماني كه مقاومت در برابر نفوذ به Mpa 6/27 برسد، زمان گيرش نهايي مي‌باشد. مقاومت فشاري بتن سنجيده شده با استوانه استاندارد در اين صورت Mpa 7/0 مي‌باشد اين زمان گيرش كاملاً متمايز از زمانهاي گيرش سيمان مي‌باشد.
روش انجام اين آزمايش توسط ASTMC 403-92 تجويز شده اس

ت و مي‌تواند براي مقاصد مقايسه‌اي بكار رود اين سنجش نمي‌تواند يك ارزيابي مطلق باشد زيرا آزمايش، بجاي بتن اصلي، بر روي ملات انجام مي‌شود. بخش اول آئين‌نامه BS5072:1982 نيز آزمايش زمان سفت‌شدن را تجويز نموده است.
اثر زمان و دما بر كارآيي:
بتن تازه مخلوط شده به مرور زمان سفت مي‌شود ولي اين موضوع را نبايد با گيرش سيمان اشتباه نمود. بسادگي مي‌توان گفت كه قسمتي از آب مخلوط مي‌تواند جذب سنگدانه‌ها( اگر اشباع نشده باشند) گردد و قسمتي بوسيله تبخير از بين مي‌رود (بخصوص اگر بتن در معرض تابش خورشيد يا وزش باد قرار گيرد. ) و بخشي از آن نيز صرف واكنش‌هاي شيميايي اوليه مي‌گردد در خلال مدت يك ساعت از زمان مخلوط نمودن بتن ضريب تراكم تا حدود ۱/۰ كاهش پيدا مي‌كند.
مقدار دقيق افت در كارآيي به عوامل متعددي بستگي دارد. اولاً هر چه كارآيي اوليه بالاتر باشد كاهش اسلامپ بيشتر خواهد بود. ثانياً روند كاهش اسلامپ در مخلوط‌هاي پرسيمان بيشتر است و بعلاوه روند اين كاهش به خواص سيمان مصرف شده بستگي دارد وقتي كه مقدار قليايي‌ها خيلي زياد و مقدار سولفات خيلي كم باشد روند كاهش بيشتر خواهد بود.

تبخير كارآيي نسبت به زمان همچنين به شرايط رطوبتي سنگدانه‌ها بستگي دارد (در يك مقدار آب كل معين)؛ البته همانطور كه ملاحظه مي‌شود افت كارآيي در سنگدانه‌ها بستگي دارد به علت جذب آب توسط آنها بيشتر است هر چند كه افزودني‌هاي كاهنده آب، زمان سفت شدن اوليه بتن را به تأخير مي‌اندازند ولي غالباً باعث قدري افزايش در
روند كاهش اسلامپ با گذشت زمان مي‌شوند.
همچنين كارآيي مخلوط تحت تأثير دماي محيط قرار مي‌گيرد گو اينكه اگر دقيقاً بخواهيم دراين رابطه‌هاي خود بتن مطرح است واضح است كه براي حفظ كارآيي اوليه در يك روز گرم مقدار آب د زيرا چنين مخلوط‌هايي كمتر تحت تآثير تغييرات ميزان آب واقع مي‌شوند از آنجائيكه كارآيي بتن با دما كاهش مي‌يابد سنجيدن اسلامپ پس از گذشت يك زمان از پيش تعيين شده پس از مخلوط كردن مهم است اندازه‌گيري اسلامپ بلافاصله پس از تخليه بتن از دستگاه مخلوط‌كن بمنظورز كنترل پيمانه و مخلوط كردن آن ارزشمند است همچنين تعيين اسلامپ در زمان ريختن بتن در قالب بمنظور حصول اطمينان از آن كه كارآيي براي روش بكارگرفته شده تراكم بتن مناسب است ارزش دارد.

جداشدگي:

در بحث كلي بتن ، كارآيي بيان گرديد كه در چنين بتني نبايد جداشدگي بآساني رخ دهد يعني بايد چسبدگي داشته باشد وليكن اگر دقيقاً بخواهيم درتعريف مخلوط كارآيي عدم وجود تمايل به جداشدگي گنجانيده نشده است. با وحود اين فقدان جداشدگي محسوس الزامي است، زيرا تراكم كامل مخلوطي كه مواد آن از يكديگر جدا شده باشند امكان‌پذير نمي‌باشد.

جداشدگي را مي‌توان بصورت جداشدگي مواد متشكله يك مخلوط غير همگن از يكديگر تعريف نمود. بطوريكه توزيع مواد در مخلوط ديگر يكنواخت نباشد. در مورد بتن، اختلاف بين اندازه ذرات و همچنين اختلاف بين وزن مخصوص آنها دلايل اصلي جداشدگي مي‌باشند اما ميزان جداشدگي را مي‌توان با انتخاب دانه‌بندي مناسب و دقت در نحوه جابجا نمودن بتن كنترل نمود.

شايان توجه است كه لزجت بيشتر بخش خمير تازه سيمان مانع سقوط سگندانه‌هاي سنگين‌تر مي‌شود در نتيجه مخلوط‌هايي با نسبت آب به سيمان كم، مستعد جداشدگي كمتري مي‌باشند.
دو نوع جداشدگي وجود دارد در نوع اول سنگدانه‌هاي درشت‌تر تمايل به جداشدن دارند، زيرا آنها در امتداد سطح شيبدار فاصله بيشتري را طي مي‌كنند و يا بيشتر از ذرات ريزتر ته‌نشين مي‌شوند

نوع دوم جداشدگي كه (بخصوص در مخلوط‌هاي پرآب اتفاق مي‌افتد.) با جدا شدن دوغاب سيمان ( سيمان+ آب) از مخلوط بروز مي‌نمايد وقتيكه مخلوط كم سيمان بكار برده مي‌شود با برخي از دانه‌بندي‌ها اگر مخلوط خيلي خشك باشد ممكن است جداشدگي نوع اول اتفاق افتد افزودن آب به مخلوط، چسبندگي آن را بهبود مي‌بخشد اما وقتي كه آب مخلوط خيلي زياد است جداشدگي نوع دوم اتفاق خواهد افتاد.

اگر بتن نبايد فاصله‌ي زيادي با بپيمايد و مستقيماَ از ظرف يا سطل بتن‌ريزي به محل نهايي خود در قالب ريخته مي‌شود خطر جداشدگي كم خواهد بود. از طرف ديگر ريختن بتن از يك ارتفاع قابل ملاحظه عبور دادن بتن در امتداد يك شيب( بخصوص با تغييرات جهت) و تخليه شدن در مقابل يك مانع، سبب ترغيب جداشدگي مي‌شود لذا تحت چنين شرايطي بايد مخلوط كه بويژه چسبندگي آن زياد است بكار برده شود. با روش صحيح جابجا نمودن، حمل و نقل، درجاريختن، احتمال جداشدگي را مي‌توان به ميزان چشمگيري كاهش داد در اين مورد قواعد عملي متعددي وجود دارد كه در آئين‌نامه‌ي۳۰۴R-85 ACI ارائه شده‌اند.

وليكن لازم به تأكيد است كه هميشه بايد مستقيماً د رمحل نهايي خود ريخته شود و نبايد اجازه داد كه بتن در قالب جريان پيدا كند و يا در داخل قالب از محلي به محل ديگر حركت داده شود. اين ممنوعيت شامل استفاده از لرزاننده جهت پخش نمودن انبوهي از بتن برروي سطح بزرگتر نيز مي‌شود.
لرزاندن با ارزشترين وسيله‌ي تراكم را فراهم مي‌آورد اما از آنجائيكه مقدار زيادي كاربر روي بتن انجام مي‌شود لذا خطر جداشدگي (درهنگام ريختن درجا كاملاً متمايز از جابجايي) ناشي از كاربرد نامناسب لرزاننده افزايش مي‌يابد. اين امر بخصوص وقتي كه لرزاندن براي ودت طولاني ادامه داشته داده شود صورت مي‌گيرد در بسياري از مخلوطها ممكن است، جداشدن و حركت سنگدانه‌هاي درشت به طرف كف قالب و خمير سيمان به طرف سطح بتن نتيجه مي‌شود.
چنين بتني مسلماً كم قدرت مي‌شود ولايه‌ي نزديك به سطح آن بسيار پرسيمان و با آب زياد خواهد بود بطوريكه ترك برمي‌دارد و ممكن است نهايتاً سبب ايجاد گرد و غبار در سطح بتن شود شيره‌ي ضعيف بتن نبايد از آب آمده به سطح بتن( آب انداختن بتن) تميز داده مي‌شود. مي‌توان متذكر شد كه حباب هو اخطر جداشدگي را كاهش مي‌دهد. از طرف ديگر سنگدانه‌هاي درشتي كه زون مخصوص آنها به ميزان قابل ملاحظه‌اي با وزن مخصوص سنگدانه‌هاي ريز تفاوت داشته باشد، منجر به افزايش جداشدگي خواهد شد.
سنجش كمي جداشدگي مشكل است اما وقتي كه بتن به يكي از روشهاي نامناسبي كه در بالا ذكر شده جابجا شود بآساني قابل تشخيص مي‌باشد با انجام آزمايش جريان( پخش) مي‌توان تصوير خوبي از ميزان چسبندگي بدست آورد. ضربه‌هاي اعمال شده در طول آزمايش، جداشدگي را تقويت مي‌كند و اگر مخلوط چسبناك نباشد، ذرات درشت‌تر سنگدانه‌ها جدا خواهند شد و به سمت لبه‌ي ميز حركت خواهندكرد دريك مخلوط بسيار روان خ

مير سيمان تمايل به دور شدن از مركز ميز دارد و سنگدانه‌هاي درشت‌تر در مركز باقي مي‌مانند.
تا آنجا كه به جداشدگي ناشي از لرزاندن زياد مربوط مي‌شود يك آزمايش مناسب آن است كه قالب مكعبي يا استوانه‌اي حاوي بتن را به مدت ۱۰ دقيقه لرزاند و سپس بدنه‌ي قالب را جدا نموده و توزيع دانه هاي درشت در بدنة بتن را مشاهده نمود. هرگونه جداشدگي بوضوح ديده خواهد شد.

بتن آماده:
قبلاً بتن آماده بصورت موضوعي جداگانه مطرح مي‌شد اما امروزه درحالي كه قسمت عمدة بتن در بسياري از كشورها در يك ايستگاه مركزي توليد مي‌شود در اين بخش فقط برخي از خصوصيان ويژة بتن آماده بررسي قرار خواهد گرفت.

بتن آماده بويژه در كارگاههاي پرتراكم و يا در جاده‌سازي در مواردي كه فضاي كمي براي دستگاه مخلوط‌كن و انباشته‌هاي گسترده‌اي از سنگدانه وجود دارد مفيد است. اما شايد برجسته‌ترين امتياز منحصر به فرد بتن آماده آن است كه مي‌توان آن را در شرايط بهتري از آنچه كه معمولاً در كارگاههاي بزرگ ساختماني امكانپذير است توليد نمود د رتوليد بتن اعمال كنترل ضرورتي اجتناب ناپذير است اما از آنجا كه ايستگاه مركزي توليد بتن تقريباً تحت شرايط كارخانه‌اي عمل مي‌كند

كنترل كاملاً دقيقي بر كليدي عمليات توليد بتن تازه امكانپذير خواهد بود دقت مناسب در جريان حمل بتن نيز با استفاده از كاميون‌‌هاي بهم زن تأمين مي‌گردد اما البته در جاريختن بتن وتراكم آن از مسئوليتهاي كاركنان كارگاه خواهد بود. در مواردي كه مقادير كمي از بتن لازم باشد و

يا وقتيكه بتن‌ريزي با فواصل زماني صورت مي‌گيرد نيز در كار بتن آماده داراي مزيت خواهد بود.
دو نوع عمده بتن آماده وجوددارد در نوع اول مخلوط نمودن در دستگاه مركزي صورت مي‌گيرد سپس بتن آماده حمل مي‌گردد معمولاً در كاميون به هم زن كه بآرامي مي‌چرخد تا از جداشدگي بتن وسفت شدن زودرس آن جلوگيري شود. چنين بتني را مخلوط شده در ايستگاه مركزي مي‌گويند كه كاملاً متمايز از نوع دوم كه مخلوط شده در حمل يا در كاميون است مي‌باشد. در نوع دوم مواد در ايستگاه مركزي پيمانه شده اما در كاميون مخلوط‌كن يا در جريان حمل به كارگاه و يا بلافاصله از تخليه بتن مخلوط مي‌شود مخلوط نمودن درحمل اجازه خواهد داد