چکیده:

سالهای زیادی است که بتن بعنوان یک ماده ساختمانی مهم در ساخت و ساز*های 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 فشاری نگریسته می*شده است. انجام پروژه*های وسیع تحقیقاتی بر روی مواد مختلف تشکیل دهنده بتن و آزمایش* بتن*های مختلف با مواد جدید در سالهای آخر قرن اخیر…منجر به پیدایش بتن*هایی شده است که علاوه بر تأمین مقاومت خواص دیگری از این ماده نظیر دوام، کارایی، نرمی و مقاومت در برابر عواملی چون آتش و محیط و هوازدگی را دستخوش تغییرات اساسی نموده است. علاوه بر دگرگونی و تحول در مواد تشکیل دهندة بتن، افزودن مواد دیگری به بتن همچون افزودنیهای مختلف، انواع الیاف*ها و حتی مواد زائدی که ارزش خاصی نداشته و باعث آلودگی محیط زیست نیز می*شوند، موجب پیدایش بتن*های جدید با خواص جدید و بهبود یافته شده است.
در بتن مسلح علاوه بر خود بتن بر روی آرماتور نیز تحولاتی صورت پذیرفته است. بعنوان مثال کاربرد فولادهای ضد زنگ برای مناطق بسیار خورنده، استفاده از آرماتورهای ساخته شده با الیاف*های 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 داشته و به قرن آینده خواهد رسید.
هدف از مقالة اخیر عنوان نمودن پاره*ای از دستاوردهای اخیر در بتن و بتن مسلح و ادامه راه در سالهای آینده می*باشد. در این خصوص به تحول دستیابی به بتن*های با مقاومت زیاد و بسیار زیاد و بالاتر ازMPa 100 و همچنین بتن**های توانمند با عملکرد بالا خواهیم پرداخت. همچنین کاربرد مواد مختلف و الیاف*ها برای افزایش نرمی بتن که مساله ی بسیار مهمی در پدیده ی زلزله و بارهای دینامیکی بر روی سازه*های بتنی است، بیان خواهد شد. در ادامه به بتن*هایی که بسیار کارا بوده و نیاز به لرزاندن نداشته و درعین حال مقاومت زیادی دارند، اشاره خواهد شد. در بخش دیگری از مقاله کاربرد بتن بعنوان راه حلی برای کاهش آلودگی محیط زیست توضیح داده خواهد شد. در بخش پایانی آخرین نتایج و کاربرد محدود آرماتورها با جنسیت*های مختلف از جمله الیاف کربنی، پلیمری و پلاستیکی ارایه شده است.
باید اذعان نمود که نتایج تحقیقات سالهای آخر قرن حاضر و ادامة* آنها در آینده و قرن جدید می*تواند نگرش تازه*ای به بتن بعنوان یک مادة ساختمانی پرمصرف بدهد. این نتایج منجر خواهد شد تا دیدگاه بتن بعنوان تنها یک ماده با مقاومت فشاری خوب به کلی دگرگون شده و خواص ویژه بتن*های جدید نظر اکثر دست*اندرکاران پروژه*های بزرگ عمرانی را در جهان بخود معطوف سازد.

مقدمه:

سالهای زیادی است که از بتن بعنوان یک ماده ی ساختمانی مهم و با تحمل فشارهای بالا جهت ساخت و ساز انواع سازه*ها استفاده می*شود. ضعف این ماده ی 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 سازه*های بتنی مسلح بویژه در مناطق خورنده و سخت برای بتن نظر اکثر کارشناسان و دست*اندرکاران کارهای بتنی به این مسأله جلب شده است که مقاومت به تنهایی نمی*تواند جوابگوی کلیه خواص مربوط به بتن بخصوص دوام آن باشد و لازم است در طراحی بتن برای مناطق مختلف علاوه بر مسأله 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 آن 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 دست یافت. مسأله محیط زیست وآلودگی آن نیز در سالهای 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 مواد زاید کارخانه*ها و آلاینده*های محیط زیست علاوه بر خود بتن و مصالح تشکیل*دهنده ی آن صورت گرفته است. در سالهای اخیر بر روی آرماتور مصرفی در سازه*های بتنی مسلح نیز تحولاتی در بتن در رأس برنامه*های تحقیقاتی پاره*ای از کشورهای جهان قرار گرفته است.
بعنوان مثال و برای پرهیز از خطر خوردگی آرماتور، از فولادهای ضد زنگ و نیز آرماتورهای ساخته شده با الیاف* مختلف پلاستیکی و پلیمری در محیط*های بسیار خورنده استفاده می*شود. کار بر روی عملکرد دراز مدت چنین موادی هنوز ادامه دارد.
در مقالة اخیر به چند مورد از بتن*های جدید که چند سالی است از آنها در صنعت ساخت و ساز برای 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 برای افزایش نرمی 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 مسأله دوام بتن و ضمن تأمین مقاومت لازم، کاربرد بتن*های با کارایی بالا که اجرای آن را نیز آسان می*سازد در برنامه کار مراکز بسیاری قرار گرفته و برخی از این بتن*ها با اضافه کردن افزودنیهای مختلف به آنها، اینک وارد صنعت بتن شده*اند.

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، امکان*پذیر می*باشد. اگر چه اغلب آیین*نامه*های بتن هنوز مقاومت بتن مورد استفاده در سازه*ها را به MPa 60 محدود می*کنند، اما آیین*نامه*های جدید اخیراً حدی بالاتر از MPa 105 را نیز در نظر گرفته**اند ] ۱ [. ساخت بتن*های با مقاومت زیاد و در حد MPa 120 و کاربرد آن در ساختمان*های بلند در کشورهای پیشرفته دنیا رواج یافته است. این مقاومت با اضافه نمودن مواد ریز و فعال به سیمان تا حدی افزایش یافته که بتن*هایی با مقاومت*های فشاری بین MPa 200 و MPa 800 و مقاومت*های کششی بین MPa 30 و MPa 150 در نمونه*های آزمایشگاهی بدست آمده است. برای دستیابی به چنین مقاومت*هایی لازم است تغییراتی 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*های مقاوم و کاهش حداکثر اندازه سنگدانه در مخلوط بتنی برای همگنی بیشتر آن می*باشد. همچنین با استفاده از مواد بسیار ریزدانه و با اندازه*های کمتر از دهم میکرون می*توان مجموعه*ای متراکم*تر و با تخلخل بسیار کم که بالاترین وزن مخصوص را خواهد داشت، تهیه نمود. در بتن*های با مقاومت زیاد بایستی تا حد ممکن نسبت آب به سیمان (w/c) را کاهش داد (امروزه حتی نسبت ۱۸/۰ = w/c استفاده شده است) که در این حالت بعضی 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. برای افزایش نرمی چنین بتن*هایی (با افزایش مقاومت شکنندگی و تردی بتن افزایش می*یابد) می*توان به آنها الیاف*های کوتاه اضافه نمود. در ساخت چنین بتن*هایی (مقاومت در حد فولاد و بالاتر) از روشهای سخت شده تحت فشار و دما برای عمل آوری بتن و تأمین مقاومت اولیه زیاد استفاده می*گردد.
جدول ۱- مشخصات بتن بکار رفته در یک ساختمان بلند در مونترال کانادا
طرح اختلاط خواص بتن:

نسبت آب به سیمان:۲۵/۰

اسلامپ:۲۵۰ میلی*متر

آب:۱۳۵ لیتر درصد هوا:۴/۴ درصد

سیمان نوع ۱:۵۰۰ کیلوگرم در متر مکعب مقاومت فشاری ۷ روزه ۷۷ مگاپاسکال

دوده سیلیس:۳۰ کیلوگرم در متر مکعب مقاومت فشاری ۲۸ روزه ۳/۹۲ مگاپاسکال

شن*با*حداکثر اندازه۱۰میلیمتر ۱۱۰۰*کیلوگرم*در مترمکعب مقاومت فشاری ۹۰ روزه ۱۰۶ مگاپاسکال

ماسه طبیعی:۷۰۰ کیلوگرم در متر مکعب مقاومت فشاری یکساله ۴/۱۱۹ مگاپاسکال

دیرگیر کننده:۸/۱ لیتر در متر مکعب

فوق روان کننده:۱۴ 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 کارایی بسیار 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 ۵۰ درصد حجم مواد جامد بتن بوده و در آن ماسه به میزان
۴۰ درصد حجم ملات استفاده شده است. نسبت آب به مواد ریزدانه و پودری بر اساس خواص مواد ریز بین۹/۰ تا ۱ انتخاب می*شود. برای تعیین میزان نسبت آب به سیمان و مقدار فوق روان کننده مخصوص مصرفی با استفاده از روش میز روانی، 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 برای جلوگیری از مسائل زیست محیطی که از تخریب ساختمانها ناشی می*شود و کاربرد مصالح آن در بنای جدید تحقیقات وسیعی 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 ۱۰ میلیون تن مصالح ناشی از تخریب ساختمان*های بتنی که حدود حجم بتن مورد نیاز در ساخت ساختمانهاست، تولید می*شود. قرار است نیمی از این مصالح در بتن*های جدید استفاده شوند. در حال حاضر تحقیقات روی میزان جمع*شدگی و خزش و دوام این بتن*ها ادامه دارد تا در قرن بیست و یکم کاربرد وسیع*تر آن را امکان*پذیر 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*های مختلف و حتی حذف آرماتور در حال انجام می*باشد. هدف از کاربرد الیاف در بتن افزایش مقاومت کششی، کنترل گسترش ترکها و افزایش طاقت (Toughness) بتن می*باشد تا قطعه بتنی بتواند در مقابل بارهای وارده در یک مقطع ترک خورده تغییر شکل*های زیادی را پس از نقطه حداکثر تنش تحمل نماید.

بتن با الیاف و بدون الیاف:

بتن با الیاف مختلف در سالهای اخیر در سازه*های عمده*ای چون روسازی راهها و فرودگاه*ها، بتن پی*های 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 بتن سبب حذف ترکها در حین عمل*آوری 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 نرمی در بتن رسید از روش ریختن دوغاب روی الیاف (SIFCON) استفاده می*شود. در این روش ابتدا الیاف ریخته شده و سپس فضای بین آنها با ملات دوغابی پر می*شود. میزان الیاف در این بتن حدود ۱۰ درصد می*باشد که حدود ۱۰ برابر میزان الیاف در بتن*های الیافی متداول است. با این مصالح لایه*های محافظی بدون ترک و تقریباً غیر قابل نفوذ می*توان ایجاد نمود. بعلت نرمی زیاد این قطعات ظرفیت تغییر شکل*پذیری این قطعات به میزان ظرفیت دالهای فولادی می*رسد. مقاومت فشاری این نوع بتن حدود ۱۱۰-۸۵ مگاپاسکال و مقاومت خمشی حدود ۴۵-۳۵ 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 تعمیراتی دالها می*توان از آنها بعنوان لایه روی بتن قدیم و بدون درز و در زمانی کوتاه استفاده نمود.

در سالهای اخیر استفاده ی 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 پلاستیکی (FRP) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه*ای (GFRP)، الیاف آرامیدی (AFRP) و الیاف کربنی (CFRP) در یک رزین چسباننده تشکیل شده اند. در جدول ۲ خواص مکانیکی چند آرماتور الیافی که کاربرد پیدا کرد*ه*اند*، آورده شده است. در شکل ۲ میله*های پلاستیکی ساخته شده با الیاف مختلف و فولادهای پیش تنیدگی از نقطه نظر منحنی*های تنش-کرنش با یکدیگر مقایسه شده*اند.
جدول – خواص مکانیکی الیاف*های مختلف
نوع الیاف مقاومت کششی (MPa) کرنش نهایی (ε) E (Gpa)
آرامید ۳۴۰۰-۲۷۰۰ ۴-۵/۲ ۱۶۵-۷۳
شیشهE 3500 5-3 75
شیشه S 4500 5/5-5/4 87
کربن مدول پایین ۳۹۰۰-۳۲۰۰ ۶/۱-۱ ۲۵۰
کربن مدول بالا ۲۷۰۰-۲۳۰۰ ۶/۰ ۴۰۰

خاصیت عمده این آرماتورها 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 خستگی 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 بتنی از آن استفاده می*کنند. تحقیقات روی کاربرد صفحات الیافی بجای صفحات فولادی برای تقویت قطعات خمشی و تیرها و دالها بویژه در پلها ادامه دارد. این صفحات بارزین*های اپوکسی به نواحی کششی از خارج اتصال داده می*شوند. کاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است .

بتن*های ابداعی:

در بعضی موارد با تغییر در مواد تشکیل* دهنده بتن و با روش*های ابداعی می*توان پاره*ای از خواص نامطلوب بتن را حذف نمود. این امر منجر به پیدایش بتن*های خاص با خواص ویژه*ای می*گردد. بعنوان مثال تغییراتی است که می*توان در ترکیب بتن*های با مقاومت زیاد که این روزها کاربرد بیشتری پیدا می*کنند را نام برد. بتن*های با مقاومت بالا معمولاً با سیمان زیاد و نسبت آب به سیمان کم و اضافه و جایگزین نمودن 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 می*رسد. بنابراین بتن های با مقاومت زیاد در ساعت اولیه سخت شدن دچار جمع*شدگی ذاتی قابل ملاحظه*ای می*شوند. ممکن است اثرات منفی دیگری نظیر حساسیت به ترک*خوردگی بیشتر در این بتن*ها مشاهده شود. این معایب را می*توان با روش ساده*ای برطرف نمود. در یک عمل ابداعی می*توان حدود ۲۵ 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 زیاد، کاهش جمع*شدگی ذاتی و کم شدن و حذف ترکهای مویی خواهد بود. همچنین تراکم و دانسیته بالای بتن*های با مقاومت زیاد سبب کاهش مقاومت در برابر آتش این بتن*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 بتنی بصورت ورقه جدا شده و ظرفیت بارپذیری ستون کاهش می*یابد. در یک کار ابداعی می*توان الیاف پروپیلنی به بتن اضافه نمود. در دمای بالا الیاف ذوب شده و کانالهایی برای فرار و خروج بخار آب از بتن فراهم می*سازند 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، بتن*های با نرمی بالا، بتن*های با آرماتورهای غیرفلزی، بتن با کارایی بسیار زیاد، بتن با سنگدانه*های بازیافتی و بتن*های ابداعی منجر شده است. باید اذعان نمود که نتایج تحقیقات سالهای آخر قرن حاضر و ادامه آنها در قرن جدید می*تواند نگرش تازه*ای به بتن بعنوان یک ماده ساختمانی پرمصرف بدهد. این نتایج منجر خواهد شد تا دیدگاه بتن بعنوان تنها یک ماده با مقاومت فشاری خوب به کلی دگرگون شده و خواص جدید بتن*های نوین نظر اکثر دست اندرکاران پروژه*های عظیم عمرانی را در جهان بخود معطوف سازد.

دکتر علی اکبر رمضانیان*پور
استاد دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر​