بتن مسلح (RC) که به آن بتن سیمانی مسلح (RCC) و نیز گفته می‌شود، یک ماده کامپوزیت به معنی ترکیبی است. درواقع، مقاومت کششی و شکل‌پذیری نسبتاً پایین بتن با گنجاندن آرماتورهایی با مقاومت کششی یا شکل‌پذیری بالاتر جبران می‌شود.
طبق تحقیقات صورت گرفته بتن مسلح یا به اصطلاح رایج فرانسوی آن در فارسی “بتن آرمه”، مقاوم ترین مصالح ساختمانی در برابر بلایای طبیعی در جهان به‌شمار می‌رود.
بتن قدرت و دوام بالایی دارد و کار با آن آسان است و در مقایسه با فولاد و سازه فلزی اجرای آن سهل‌تر است. به‌علاوه، سازگار با محیط زیست و در هر محیطی قابل اجراست. همچنین، مقرون به صرفه هم بشمار می‌رود.
معمولاً برای ساخت ستون‌ها از پی تا بام، و در ساخت بزرگراه‌ها، سازههای پیش ساخته، سازههای شناور و تونل‌های برق‌آبی، کانال‌های آبیاری، زهکش‌ها و سایر سازههای پل و زیرگذر قابلیت اجرا دارد.
تاریخچه بتن مسلح
در سال 1853 میلادی (1232 شمسی)، بتن آرمه برای اولین بار جهت ساخت یک ساختمان چهار طبقه مورد استفاده قرار گرفت. البته هدف از به کارگیری این مصالح ساختمانی، نه افزایش مقاومت بلکه یکپارچگی سازه و جلوگیری از دوران دیوارهای ساختمان بود. در سال 1854 میلادی (1233 شمسی)، یک پیمانکار انگلیسی از بتن مسلح برای اجرای کف و سقف خانه‌های دو طبقه استفاده کرد. نحوه چینش آرماتورها در این خانه‌ها، بیانگر به کارگیری میلگرد با هدف افزایش مقاومت کششی بتن بود.
به رسمیت شناختن کاربرد بتن آرمه به عنوان مصالح ساختمانی به اواخر قرن 19 میلادی (قرن 12 شمسی) باز می‌گردد. در این دوران، مطالعات زیادی بر روی ترکیب سیمان پرتلند با آهن به عنوان مصالح ساختمانی مقرون به صرفه و مقاوم در برابر آتش برای ساخت سقف، کف و سطوح عابر پیاده انجام شد. تغییر روش‌های به کارگیری میلگردهای فولادی (مثل خم کردن آن‌ها) و بهبود پیوستگی آن‌ها با بتن نیز از پیشرفت‌های مربوط به این دوران است. در سال 1884 میلادی (1263 شمسی)، ساخت اولین سازه تجاری با استفاده از بتن آرمه انجام گرفت.
در سال 1903 میلادی (1282 شمسی)، یکی از اولین آسمان‌خراش‌ها توسط بتن مسلح با ارتفاع 16 طبقه ساخته شد. با گذشت زمان، المان‌های تقویت‌کننده مختلفی نظیر الیاف فولادی، مصنوعی و طبیعی برای ساخت بتن آرمه مورد استفاده قرار گرفتند. به کارگیری این نوع بتن در سال‌های اولیه معرفی آن با چالش‌های فراوانی در زمینه طراحی و اجرا همراه بود. با این حال، ویژگی‌هایی نظیر دسترسی آسان به مواد اولیه و وجود انواع مختلف با خواص متنوع، بتن مسلح را به یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی جدید در ساخت انواع سازههای عمرانی مدرن تبدیل کردند.
منظور از عیار بتن چیست؟
عیار بتن به عنوان حداقل مقاومتی که بتن باید پس از ۲۸ روز ساخت با کنترل کیفی مناسب داشته باشد تعریف می‌شود که با ساختن نمونه‌های مکعبی و استوانه‌ای مورد آزمایش قرار می‌گیرد. درجه بتن با پیشوند M به مقاومت مورد نظر بر حسب مگاپاسکال (MPa ) نشان داده می‌شود. به عنوان مثال، برای یک بتن با مقاومت ۲۰ مگاپاسکال، آن را با M20 نشان می‌دهیم.
عیار بتن به نسبت‌های مختلف اختلاط مصالح مربوط می‌گردد. به عنوان مثال، برای بتن M20، نسبت اختلاط ۱:۱.۵:۳ برای سیمان: ماسه: سنگدانه های درشت خواهد بود. یعنی سه واحد سیمان، یک و نیم واحد ماسه و یک واحد سنگدانه.
کاربرد بتن مسلح
امروزه کمتر سازه‌ای پیدا می‌شود که در ساخت آن از بتن مسلح استفاده نشده باشد. از جعبه گل‌های یک روف‌گاردن تا دیوارهای کوتاه جداکننده در یک شهرک صنعتی تا آسمان خراش‌ها. در این رابطه، برخی از موارد استفاده بتن مسلح در یک جمع‌بندی جامع‌تر به شرح زیر است:
- ساختمان ها؛
- پل‌ها؛
- باند فرود؛
- مخازن آب؛
- جاده‌ها؛
- سازههای شناور؛
- پایه پل‌ها؛
- سازههای دریایی؛
- لوله‌ها و داکت‌های تاسیساتی؛
- سازههای پیش ساخته؛
- دودکش‌ها و خرپشته ها؛
- دیوارهای نگهدارنده؛
- سنگرها و سیلوها
مزایای بتن مسلح
محبوبیت بتن در میان توسعه‌دهندگان و مهندسین و همینطور مشتریان املاک و مستقلات بی دلیل نیست. بتن مزیت‌هایی دارد که در این بخش از مطلب به آن‌ها می‌پردازیم.
۱. توان بارگذاری
بتن مسلح مقاومت کششی و همچنین مقاومت فشاری بسیار خوبی دارد. این ویژگی، بتن را به مصالح ساختمانی مطلوب تبدیل می‌کند.
۲. مقرون به صرفه
مصالح اولیه بتن به طور گسترده در سراسر جهان، در دسترس و همینطور ارزان است. به طور مشابه، هزینه تولید بسیار پایینی نیز دارد. درواقع، بتن مسلح به تنهایی یک اقتصاد پویاست. از این گذشته، هزینه نگهداری آن به دلیل طول عمر بالای بتن آرمه پایین است.
سازه های بتنی با دوام و انعطاف‌پذیر، ضمن داشتن نیاز محدود به تعمیر، دارای نرخ بهره‌وری انرژی بالا بوده و هزینه‌های عملیاتی مربوط به مصرف انرژی، تعمیر، نگهداری و بازسازی پس از حوادث طبیعی را نیز کاهش می‌دهد.
۳. دوام
سازه های بتن مسلح اگر به درستی طراحی و اجرا شوند دوام بالایی دارند. این مواد تحت تأثیر آب و هوا مانند بارندگی و برف قرار نمی‌گیرند و می‌توانند تا ۱۰۰ سال دوام بیاورند. به دلیل نفوذپذیری کم، بتن می‌تواند در برابر مواد شیمیایی محلول در آب مانند سولفات‌ها، کلرید و دی‌اکسید کربن که ممکن است باعث خوردگی در بتن شود، بدون تخریب جدی مقاومت کند.
به همین دلیل است که بتن مسلح برای کاربردهای زیر آب مانند سازههای زیردریایی مثل خطوط لوله، یا سازههای در معرض مثل سدها، کانال‌ها، پوشش ها و سازه های اسکله ایده‌آل است.
۴. مقاومت در برابر آتش
طبیعت بتن اجازه آتش گرفتن یا سوختن آن را نمی‌دهد. می‌تواند ۲ تا ۶ ساعت گرما را تحمل کند و زمان کافی را برای عملیات نجات در صورت آتش سوزی فراهم آورد.
۵. شکل پذیری
آرماتورهای فولادی شکل‌پذیری را به سازه های بتن مسلح می‌بخشند. شکل‌پذیری بتن را قادر می‌سازد تا در صورت بارگذاری بیش از حد اعضای بتن آرمه، علائمی مانند ترک خوردن و انحراف را نشان دهد. این امر مهندسان را قادر می سازد تا اقدامات مناسبی را برای جلوگیری از آسیب بیشتر بتن در نظر بگیرند.
۶. مقاومت لرزه ای
سازه های بتن آرمه در صورتی که به درستی طراحی و اجرا شوند، در برابر زلزله از مقاومت بالایی برخوردار خواهند بود.
۷. سهولت ساخت
در مقایسه با استفاده از فولاد در سازه، بتن مسلح به نیروی کار ماهر کمتری برای نصب قالب و بتن ریزی نیاز دارد.
8. روش‌های مختلف برای اجرای بتن آرمه
یکی از مزیت‌های مهم بتن، قابلیت استفاده در روش‌های کاربردی مختلف است. بتن با دست اجرا می‌شود، گاهی پمپاژ می شود، گاهی پاشش می‌شود، دوغاب می‌شود و همچنین برای کاربردهای پیشرفته مانند شاتکریت و تونل طیف وسیعی از استفاده‌ها را شامل می‌گردد.
معایب بتن مسلح
- سازه های بتن آرمه نسبت به سازه های دیگر مانند سازههای فولادی، چوبی و شیشه‌ای وزن سنگین‌تری دارند؛
- ساختمان بتنی گاهی نیاز به قالب‌های عظیم دارند. در نتیجه، به فضای سایت کارگاهی و نیروی کار گسترده وابسته‌اند؛
- بتن برای رسیدن به استحکام کامل خود به زمان نیاز دارد. بنابراین بر خلاف اسکلت فلزی بلافاصله پس از ساخت نمی‌توان از آن استفاده کرد. این مهم‌ترین تفاوت اسکلت فلزی و بتنی است؛
- مراحل اصلی استفاده از بتن مسلح پیچیده بوده و شامل اختلاط، بتن ریزی و عمل آوری می‌شود. همه اینها بر قدرت نهایی تأثیر می‌گذارند؛
انواع بتن مسلح کدام هستند؟
بتن آرمه را می‌توان به دو نوع مسلح به میلگرد و مسلح به الیاف تقسیم بندی کرد. هر یک از این دو نوع بتن، با استفاده از مواد مختلف ساخته می‌شوند.
به طور کلی، بتن مسلح به میلگرد، بتن پیش تنیده، بتن پس تنیده، بتن پیش ساخته، بتن با عایق ماندگار و بتن الیافی (فولادی، شیشه‌ای، پلمیری، کربنی و غیره) از انواع بتن‌های آرمه هستند. در ادامه به معرفی هر یک از این موارد و توضیح ویژگی‌های متداول‌ترین آن‌ها می‌پردازیم.
بتن مسلح به میلگرد
یکی از قدیمی‌ترین، ساده‌ترین و متداول‌ترین روش‌های ساخت بتن مسلح، ترکیب بتن با میلگرد است. میلگرد یا آرماتور برای تقویت مقاومت کششی سازههای بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اغلب میلگردهای مورد استفاده برای ساخت بتن آرمه از جنس فولاد هستند. از رایج‌ترین بتن‌های مسلح شده به میلگرد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- بتن مسلح شده به میلگرد فولادی
- بتن مسلح شده به میلگرد شیشه‌ای یا میلگرد پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP)
میلگردها با سطح صاف یا آجدار ساخته می‌شوند. میلگردهای مورد استفاده در بتن، اغلب از نوع آجدار هستند. وجود برجستگی، پیوند بین میلگرد و بتن را بهبود می‌بخشد و باعث انتقال بهتر تنش در بتن آرمه می‌شود. ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد مشابه یکدیگر است. بتن، مقاومت فشاری بالا و مقاومت کششی پایینی دارد. از این‌رو، ترکیب آن با فولاد باعث پوشش ضعف‌های بتن معمولی و تشکیل یکی از بهترین مصالح ساختمانی می‌شود.
در شرایط محیطی مختلف، احتمال خوردگی فولاد وجود دارد. با توجه به میزان وخیم بودن شرایط، معمولا میلگردهای اپوکسی، گالوانیزه یا فولاد ضد زنگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. میلگردهای GFRP نیز از گزینه‌های مقرون‌به‌صرفه در محیط‌های مستعد خوردگی هستند. با وجود گران‌تر بودن میلگردهای الیاف شیشه نسبت به میلگردهای اپوکسی، این مصالح از وزن کمتر، مقاومت کششی بالاتر، عایق حرارتی، عدم هدایت جریان الکتریکی و طول عمر بیشتر بهره می‌برند.
بتن مسلح پیش تنیده
ساخت بتن مسلح پیش تنیده، با اعمال تنش کششی به المان‌های فولادی توسط جک‌های هیدرولیکی، قالب‌بندی و بتن‌ریزی در اطراف المان‌های تحت کشش انجام می‌گیرد. سپس، بتن شروع به جمع شدن و گیرش می‌کند. با گذشت زمان کافی و رسیدن بتن به مقاومت فشاری مورد نظر، المان‌های تحت کشش به آرامی از جک‌های هیدرولیکی آزاد می‌شوند. پیوند به وجود آمده بین فولاد و بتن، از برگشت المان‌های تحت کشش به طول اولیه خود جلوگیری می‌کند. این مکانیزم با القای تنش فشاری درون بتن، استحکام سازه را بهبود می‌بخشد. روش پیش تنیدگی، اغلب در بتن مسلح پیش ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بتن پیش تنیده چیست؟
«بتن پیش تنیده» (Prestressed Concrete)، یکی دیگر از انواع پرکاربرد بتن آرمه در پروژه‌های عمرانی بزرگ است که امکان اعمال تنش‌های مشخص درون اعضای سازه‌ای و مقابله با شرایط بارگذاری پیش‌بینی شده را فراهم می‌کند. مصالح مورد استفاده در این نوع بتن، با قرار گرفتن در یک وضعیت پیش‌بارگذاری، قادر به تحمل بارهای بیشتر هنگام قرارگیری در شرایط سرویس‌دهی خواهند بود. بتن پیش‌تنیده طی اعمال یکی از فرآیندهای پیش تنیدگی یا پس تنیدگی بر روی کابل‌ها/تاندون‌های آلیاژ فولادی ساخته می‌شود.
بتن مسلح پس تنیده یا «بتن پس تنیده» (Post-Tensioned Concrete)، طی فرآیندی مشابه و برعکس بتن پیش تنیده ساخته می‌شود. اعمال پیش تنیدگی در این نوع بتن پس از گیرش کامل صورت می‌گیرد. پس تنیدگی، برای اعمال پیش تنیدگی در محل اجرای پروژه (بتن‌ریزی برجا) یا اتصال چندین بلوک پیش ساخته کاربرد دارد. در این روش، امکان جانمایی کابل‌ها/تاندون‌ها پیش از بتن ریزی وجود دارد. با این وجود، با قرار دادن المان‌های فولادی درون محفظه مخصوص، از پیوند فولاد و بتن جلوگیری می‌شود.
پس از گیرش کامل بتن، جک‌های هیدرولیکی، المان‌های فولادی را تحت کشش قرار می‌دهند. با رسیدن تنش به مقدار مورد نظر، انتهای المان‌ها مهار شده و به منظور جلوگیری از خوردگی، توسط دوغاب سیمانی درزبندی می‌شوند. سیستم مورد استفاده برای مهاربندی کابل‌های پس تنیده به اعمال تنش منفرد یا گروهی هر رشته بستگی دارد.
مزایا و معایب بتن پیش تنیده
از مزایای اصلی بتن آرمه پیش تنیده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- بهره‌گیری از حداکثر مقاومت فشاری ذاتی بتن
- حذف احتمال ایجاد ترک‌های کششی و کاهش احتمال خوردگی المان‌های فولادی
- کاهش تنش‌های برشی
- کاهش سطح مقطع مورد نیاز و وزن سازه
- امکان اجرای اعضای کامپوزیت با اتصال بلوک‌های بتن پیش ساخته
مهم‌ترین محدودیت‌های بتن مسلح پیش تنیده عبارت هستند از:
- نیاز به نیروی کار و کنترل کیفی بیشتر
- هزینه بیشتر به دلیل استفاده از آلیاژهای فولادی
- هزینه بیشتر تجهیزات
- پیچیدگی اقدامات ایمنی
بتن مسلح پیش ساخته
بتن مسلح پیش ساخته یا «بتن پیش ساخته» (Precast Concrete)، یکی از انواع بتن است که در کارخانه و تحت نظارت تولید می‌شود. بتن‌های پیش‌ساخته اغلب به منظور اجرای اعضای سازه‌ای نظیر تیر، ستون، دال، فونداسیون و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساخت این بتن‌ها در کارخانه، امکان اعمال پیش‌تنیدگی به المان‌های تقویت‌کننده را فراهم می‌کند. از کاربردهای این بتن آرمه پیش ساخته می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ساخت اعضای سازه‌ای ساختمان
- ساخت دیوار و نمای ساختمان
- ساخت المان‌های پیش تنیده ساختمان
- ساخت قطعات پروژه‌های زیر ساختی نظیر عرشه پل، لاینینگ تونل مترو و غیره
- ساخت مخزن آب، سپتیک تانک، محفظه زهکشی، تراورس راه‌آهن، تیرهای کف، دیوارهای محوطه ساختمان و لوله‌های انتقال آب
مزایا و معایب بتن پیش ساخته
ساخت بتن آرمه در کارخانه، امکان تولید تعداد زیادی از المان‌های سازه‌ای با ابعاد مشابه و کیفیت بالا را فراهم می‌کند.
- اجرای المان‌های سازه بر روی زمین به جای ارتفاع
- امکان اجرای المان‌های سازه در محیط کنترل شده و به دور از عوامل مخرب جوی نظیر باران، غبار، گرما/سرمای شدید
- استفاده از قالب‌های مخصوص برای ساخت چندین المان تکراری
- استفاده از تجهیزات مخصوص برای انتقال بتن و بتن‌ریزی
- کنترل گیرش بتن
مزایای بالا، باعث افزایش کیفیت بتن مسلح پیش ساخته نسبت به بتن‌های مسلح برجا می‌شود. علاوه بر این، سرعت ساخت و ساز با استفاده از این مصالح ساختمانی بسیار بالا بوده و نیازی به صبر کردن برای رسیدن به مقاومت 28 روزه نیست. البته این نوع بتن آرمه محدودیت‌هایی دارد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم:
- نیاز به طراحی دقیق: عدم یکپارچگی یا پیوستگی کامل سازه به دلیل مجزا بودن المان‌های سازه‌ای و ایجاد درز
- نیاز به مواد درزبندی مخصوص: وجود ناپیوستگی بین المان‌های سازه‌ای و غیر سازه‌ای
- سنگین بودن المان‌های پیش ساخته: نیاز به استفاده از جرثقیل برای جابجایی و جانمایی المان‌ها در طی اجرای پروژه
بتن تقویت شده با الیاف
«بتن تقویت شده با الیاف» (Fiber Reinforced Concrete)، از انواع بتن آرمه است که معمولا از ترکیب ملات سیمانی با الیاف فولادی مجزا ساخته می‌شود. مش، الیاف بافته شده و سیم‌ها/میله‌های بلند، از الیاف مجزای مورد استفاده در این نوع بتن به شمار نمی‌روند.
بتن الیافی اغلب در شاتکریت و به منظور تقویت دیواره‌های سازههای نگهبان یا تونل مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع بتن آرمه برای ساخت دال‌های روی زمین و پیاده‌رو‌ها نیز کاربرد دارد.
کلام آخر
امروزه بتن یکی از پرمصرف ترین مصالح ساختمانی در جهان است و به عنوان نوعی مصالح high tech به‌شمار می‌رود. سالانه ۳۰ میلیارد تن بتن در سراسر جهان مصرف می‌شود. بر اساس سرانه، این رقم ۳ برابر ۴۰ سال پیش است؛ تقاضا برای بتن شدیدتر از فولاد یا چوب رشد می‌کند. اما نباید از خاطر برد که بتن در شکل کنونی آن از پس سال‌ها آزمایش و تجربه ساخته شده.