اجرای اسکلت بتنی

تاریخچه سیمان[1]:

سال 1975 میلادی، درساحل جنوب غربی انگلستان بنایی به نام «جان اسمیتون» برای اولین بار خواص شیمیایی آهک[2] پی برد.

سال 1824، میلادی در شهر لیدز انگلستان، یک معمار انگلیسی به نام «ژوزف آسپرین) سیمان پرتلند را به ثبت رساند.

قبل از کشف سیمان، از مالتی به نام «ساروج»[3] استفاده می شده و طرز کار این نوع ملات، شبیه سیمان امروزی بوده است.

سیمان، درسراسر جهان، بدلیل آن که پس از ریختن در بتن، به رنگ خاکستری سنگهای صخره های جزیره پرتلند در می آید، به نام پرتلند، معروف گردیده است.

تعریف: ماده ای که در اثر تماس با آب، دانه های شن و ماسه موجود در بتن را در هم می چسباند و آنها را به صورت یکپارچه درمی آورد، سیمان می‎نامند. بیشترین مواد تشکیل دهنده سیمان، آهک بوده و پس از آن سیلیس (SiO₂) درصد بیشتری نسبت به سایر موارد را دارا می‎باشد.

تولید سیمان

مصالح خام[4] مورد نیاز در تولید سیمان را تهیه نموده و بصورت پور در آورده، سپس آنها را به نسبت های معینی با یکدیگر مخلوط می کنند.

مصالح خام پودرشده، به دو روش، مخلوط می گردند:

الف) روش خشک: در این روش،  مصالح خام پودر شده، بصورت خشک مخلوط می‎شوند.

ب) روش تر: دراین روش، مصالح خام پودر شده، بصورت خیس مخلوط می گردند.

پس از اینکه  مصالح بصورت «خشک» و یا «تر» مخلوط گردید، وارد کوره می‎شود، (حرارت داخل کوره 1400 تا 1650 درجه سانتی گراد است) در این درجه حرارت فعل و انفعالات خاصی صورت می‎گیرد و در نتیجه آن کلوخ های سیمان تولید می‎شود. پس ازسرد شن، کلوخ های سیمان، آسیاب می گردند و سپس مقدار کمی گچ به آن اضافه می کنند تا مدت زمان لازم برای گرفتن بتن، تنظیم گردد، مخلوط حاصله را حرارت داده و سپس آسیاب می کنند. در نهایت پودر حاصل را «سیمان» می‎نامند.

انواع سیمان پرتلند فرعی

الف) سیمان پرتلند هواتپان= حباب زا

ب) سیمان پرتلند سفید= سیمان سفید

ج) سیمان پرتلند رنگی= سیمانهای رنگی

1) سیمان چاههای نفت

د) سیمان های پرتلند مخصوص        2) سیمان پلاستیک= سیمان خمیری

3) سیمان ضد آب= سیمان آب بند=سیمان آب دور کننده

الف) سیمان پرتلند هواتپان= حباب زا

سیمان پرتلند حباب زا نوع IA= آسیاب+ درصد کمی از مواد اضافی مناسب[5] + کلینکر سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند حباب زا نوع IIA= آسیاب+ درصد کمی از مواد اضافی مناسب+ کلینکرسیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند حباب زا نوع IIA= آسیاب + درصد کمی از مواد اضافی مناسب+ کلینکر سیمان پرتلند تیپ III

خصوصیات و ویژگیهای سیمان پرتلند هواتپان در بتن

• پایین آوردن اصطکاک داخلی بتن
• نفوذ ناپذیری
• مقاومت در مقابل یخ زدگی، تورق، تغییر حجم
• نیاز به آب کمتر
• مقاومت خمشی و سایشی

ب) سیمان پرتلند سفید= سیمان سفید

سیمان سفید= مواد متشکله سیمان پرتلند نوع I+ خاک رس چینی (کائولن+ گچ نوع بسیار اعلا

کاربرد: 1- اندود نمایی روی دیوارهای خارج ساختمان (سطح بیرونی دیوارخارجی ساختمان)

2- کارهای تزئینی دیوارهای داخلی و سطح داخلی سقف

نکته 1: «گچ» و «خاک رس» مورد نظر، عاری از ناخالصی های رنگی از قبیل اکسید منیزیم و اکسید آهن باشند.

نکته 2: بدلیل اینکه وجود خاکستر در زغال ، رنگ سیمان را تیره می کند، سوخت کوره، از مواد روغنی انتخاب میشود.

ج) سیمان های پرتلند رنگی= سیمانهای رنگی

سیمان رنگی= 5/2 تا 10 درصد از مواد رنگی مناسب + سیمان سفید

کاربرد: 1- خشت های موزائیک رنگی

2- اندودهای خارجی ساختمان

3- کارهای تزئینی

4- پاسیوسازی و …

د) سیمان پرتلند مخصوص

• سیمان چاههای نفت
• سیمان پلاستیک
• سیمان ضد آب
• سیمان چاههای نفت:

خاصیت ویژه این نوع سیمان، خودگیری مطلوب، در درجه حرارت زیاد می‎باشد.

توجه: در فضای داخل چاه نفت. حرارت زیادی وجود دارد.

2) سیمان پلاستیک= سیمان خمیری

سیمان پلاستیک = آسیاب + مواد روان کننده مناسب (حداکثرتا 12% حجم کل) + سیمان پرتلند I و یا II

کاربرد: جهت تهویه ملات  واندود خارج و داخل ساختمان استفاده می‎شود.

3) سیمان ضد آب= آب بند= آب دور کننده

سیمان ضد آب= آسیاب + مواد مناسب[6] آب بند و یا آب دور کننده + کلینکر سیمان

نکات مربوط به سیمان

• چنانه در سیمان، «آهک» بصورت «آزاد» وجود داشته باشد، سیمان سالم نیست.
• «آهک» بصورت «آزاد» درسیمان، در هنگام تماس با آب منبسط می‎شود.
• «آهک» بصورت «آزاد» در سیمان، باعث تجزیه سیمان می‎شود.
• سیمان به کاررفته در بتن، 28 روز پس ازمصرف، 90 درصد مقاومت خود را بدست می‎آورد و 10 درصد باقی مانده، پس از گذشت 20 تا 25 سال بدست می‎آید.
• تا 28 روز پس از مصرف، به سیمان آب بیشتری برسد، مقاومت آن نیز بیشتر خواهد شد (آب به سیمان مصرف شده به گرفتن سیمان بطریق شیمیایی (تبلور) کمک میکند)
• مدت زمان تغییر وضعیت سیمان، از حالت خمیر تا حالت جامد را زمان گیرش (زمان سفت شدن) سیمان می‎نامند.
• زمان گیرش سیمان، توسط دستگاه «ویکات» با سوزنهای نفوذی در دفعات متعدد، اندازه گیری می‎شود.
• مقاومت سیمان در مقابل نیروهای «فشاری»‌ ، «کششی» و «زمان خودگیری» و همچنین «سلامت سیمان» ، مورد آزمایش قرار می‎گیرد.
• نمونه های مختلف سیمان، در شرایط یکسان، از نظر دانه بندی نیز مورد آزمایش قرار می‎گیرد.
• نیم ساعت، پس از مخلوط سیمان با آب، گیرش آن شروع شده و پس از یک ساعت ، خودگیری آن کامل می شود، بدین علت، آزمایش زمان گیرش خمیر سیمان را تا یک ساعت تعیین کرده اند.

آزمایش سیمان

• سلامت سیمان
• زمان گیرش سیمان

1) سلامت سیمان

برای آزمایش سلامت سیمان، مقداری از سیمان را روی شیشه تمیز به شکل مخروط ناقص به بلندی 75 میلیمتر و به قطر 12 میلیمتر درست کرده، آنرا به مدت 24 ساعت در معرض هوای مرطوب قرارداده، بتدریج حرارت را بیشتر می کنیم و به همین حالت به مدت 5 ساعت نگه می داریم.

نتیجه آزمایش: اگر سیمان مورد نظر به شیشه چسبیده و کوچکترین اثر تجزیه (انبساط و ترک) در آن مشاهده نگردد سیمان سالم است.

2) زمان گیرش خمیرسیمان

همانگونکه در نکات مربوط به سیمان نیز اشاره شد، زمان  گیرش سیمان، توسط دستگاه «ویکات» با سوزنهای نفوذی در دفعات متعدد، اندازه گیری میشود.

مقدمات آزمایش: جهت آزمایش، ابتدا با استفاده از ترازو، 300 گرم سیمان را وزن کرده سپس با 90 گرم (90 سانتی متر مکعب) آب مخلوط نموده و برای ایجاد حالت خمیری، آنرا ورز می‎دهیم. روی شیشه، ظرفی با حجم مخروط ناقص لاستیکی را قرار داده سپس خمیر سیمان ساخته شده را درون ظرف مورد نظر، (با استفاده از کاردک) قرار داده و به حالت کاملاً فشرده جاسازی می نماییم.

مراحل آزمایش

1. ظرف محتوی خمیر سیمان را زیر سوزن[7] دستگاه قرار می‎دهیم (مطابق شکل).
2. 25 دقیقه پس از شروع مخلوط سیمان با آب، سوزن ویکات را به حرکت در آورده و میزان نشست سوزن در خمیر سیمان را از صفحه مدرج دستگاه قرائت کرده، اندازه آنرا یادداشت می کنیم.

پانویس های قسمت اول پایان نامه:

[1] سیمان یک واژه یونانی بوده و اولین بار در جزیره پرتلند انگلستان کشف گردیده است.
[2] آهک (CaO) ماده اصلی ساخت سیمان است. ماده اصلی آهک، سنگ آهک یا کربنات کلسیم (CaCo₃) می‎باشد که منشا رسوبی دارد. وزن مخصوص آن 71/2 گرم برسانتی مترمکعب است. سنگ آهک صد درصد خالص در طبیعت، یافت نمی‎شود و همواره با مقادیری از کربنات منیزیم، سیلیس و رس همراه بوده، خالص آن بلوری شکل و بی رنگ است.
CaCo₃ (کربنات کلسیم) —————> CaO (آهک زنده)+ Co₂
CaO+H₂O —————> Ca(OH)₂ (آهک شکفته)
Ca(OH)₂ + H₂Co₃(اسید کربنیک) —————> (سنگ آهک) CaCo₃+ H₂O
[3] ملات ساروج= آب + آهک+ خاکستر + خاک رس+ لویی (پنبه جگن) و یا موی بز.
جهت مطالعه بیشتر در مورد ساروج به فصل چهارم کتاب نقشه کشی ساختمان به روش مدولا مهارت فنی درجه 2 انتشارات دانش و فن مراجعه نمایید.
[4] مصالح خام مورد مصرف سیمان عبارتند از:
سنگ آهک- سنگ سیمان- پوسته آهکی حیوانات دریایی- مارن (رسوبات کربنات کلسیم رامارن MARN می گویند که در کف دریاها و دریاچه هایی که خشک شده اند یافت می‎شود)- رس- شیست  (سنگ متورق)- ماسه- سیلیس- سنگ آهن.
[5] مواد اضافی حباب زای مناسب (هنگام ساختن بتن، حبابهای بسیار ریز هوا را می سازند) عبارتند از:
الف) رزینهای چوب Wood resien
ب) لیگنوسولفونیت ها Lignoslfinates
ج) اسیدهای چرب
د) صابونهای اسیدهای چرب
[6] مواد مناسب آب دور کننده یا آب بند: اسید لاریک، اسید اولئیک، اسید استریک یا نمک های کلسیم و آمونیوم آنها.
[7] سوزن دستگاه ویکات، به قطر 5/0 میلیمتر  13/1 میلیمتر می‎باشد.

مهم ترین مشخصه بتن، مقاومت فشاری آن است و براساس آن انواع بتن رده بندی می‎شوند. حال به شرح مختصر پارامترهای ومثر برروی مقاومت فشاری بتن می‎پردازیم.

1- نسبت آب به سیمان (W/C)

در واقع به عنوان عامل اساسی درمقاومت بتن محسوب می‎شود. هر چه بتن سفت تر باشد، مقاومت فشاری بیشتری دارد ولی کارایی و روانی آن کاهش می یابد در نتیجه ساختن، و متراکم کردن آن در قالب مشکلاتی به دنبال دارد که برای رفع آن می‎توان از مواد افزودنی مناسب استفاده نمود. نسبت آب به سیمان در بتن اهی معمولی حدود 6/0 است.

2- نوع سیمان

نوع سیمان مصرف شده دربتن، کم و بیش در مقاومت فشاری بتن مؤثر است.

3- عمر بتن

پس از مخلوط شدن آب و سیمان، فعل و انفعال سیمان با آب شروع می‎شود و سیلیکات ها و آلومینات های سیمان در داخل بتن، هیدراته شده و به مرور سخت می‎شوند و مصالح سنگی را به یکدیگر می چسبانند.

هر چه بر عمق بتن افزوده شود، درجه هیدراتاسیون عموما افزایش می یابد و مقاومت بالا می رود. با این توضیح مشخص است که مقاومت فشاری نمونه بتنی 28 روزه نبست به نمونه بتنی 7 روزه بیشتر است. معمولاً مقاومت فشاری بتن برای سنین 3، 7، 28، 56، 90 و 180 روزه و یکساله اندازه گیری می‎شوند که مقاومت بنت 28 روزه را مبنای محاسبات قرار می دهند و آن را مقاومت فشاری مشخصه بتن می‎نامند.

4- درجه حرارت و رطوبت بتن

با افزایش درجه حرارت، بتن سریع تر مقاومت فشاری مشخصه خود را کسب می‎کند. افزایش درجه حرارت موجب تسریع در عمل هیدراتاسیون سیمان شده و در نتیجه بتن سریع تر مقاومت خود را به دست می‎آورد. با افزوده شدن درجه حرارت، رطوبت بتن نیز باید حفظ شود. رطوبت محیط موجب کاهش تبخیر آب بتن شده در نتیجه از کاهش مقاومت بتن جلوگیری می کند.  روند کسب مقاومت بتن در رطوبت و بخارسریع تر صورت می‎گیرد.

5- دانه بندی، مقدار و نسبت سنگ دانه ها

سنگ دانه ها در حدود ¾ حجم بتن را تشکیل می دهند و در هزینه و کیفیت و بتن تاثیر چشمگیری دارند. دانه های سنگی در مقاومت بتن، دوام و پایداری آن بسیار موثرند. سنگ دانه های مصرفی در بتن به دو دسته درشت دانه (شن) و ریزدانه (ماسه) تقسیم بندی می‎شوند.

6- ساختن، ریختن  ومتراکم کردن بتن

برای ساختن، ریختن و متراکم کردن بتن،  در ابتدا سیمان، مصالح سنگی، آب و احیانا مواد افزودنی را به اندازه مناسب در مخلوط کن ریخته و متراکم می کنند. بتن تازه از محل ساخت به محل مورد نظر انتقال داده می‎شوند و در قالب های از پیش آماده شده ریخته شده و متراکم می گردد تا بتن با تخلخل کم و وزن مخصوص بالا به دست می‎آید. برای خارج کردن هوای غیرعمدی موجود در بتن و نزدیک کردن سنگ دانه ها به یکدیگر از ویبراتور استفاده می‎شود. این عمل موجب می‎شود که مقدار تخلخل بتن کاهش یابد و مقاومت فشاری و برخی خواص دیگر بتن سخت شده افزایش یابد.

7- عمل آوردن بتن

آخرین و مهم ترین مرحله در تهیه بتن سخت با مقاومت پیش بینی شده نگه داری و حفاظت و یا در اصطلاح عمل آوردن بتن است که از موقع تخلیه بتن شروع می‎شود. بتن درون قالب را باید در سرما از یخ زدن و در گرما از تبخیر سریع آب محافظت کرد. مرطوب نگه داشتن سطح خارجی بتن با آب زدن دائم و پوشاندن آن با گونی و یا پلاستیک در روزهای اولیه بتن ریزی، در کسب مقاومت نهایی بتن تاثیر دارد.

اثر مواد شیمیایی مضرروی سیمان

برای پایایی بتن باید آن را از گزند عوامل شیمیایی محیط مانند املاح موجود در خاک و آب و یا مواد شیمیایی اضافه شده به بتن محافظت کرد. سولفات ها و کلریدها به عنوان مهم ترنی عوامل شیمیایی هستند که بر پایایی و دوام بتن اثر مخرب می گذارند. بتن در مقابل حمله اسیدها مقاوم نمی باشد. در محیط های صنعتی گوناگون و خصوصا در دودکش ها و یا در کف سالن ها تولید و عرضه فراورده های لبنیاتی و نظایراین ها، این خطر وجود دارد.

انواع بتن

بتن مورد استفاده در کارهای ساختمانی با توجه به نوع سیمان و مقدار آن و یا سنگ دانه ها و نحوه ساخت آن متفاوت است. بتن را می‎توان در محلو یا به صورت آماده تهیه نمود. از نظر نوع سنگ دانه نیز به بتن سبک، معمولی ، سنگین و … تقسیم می‎شود. از نظر نوع سیمان و مقدار آن بتن براساس مقاومت فشاری مشخصه آن و یا عیار بتن رده بندی می‎شود. بر اساس عیار آن به صورت مثلا بتن 150، بتن 200، بتن 250، بتن 300 و یا بتن 350 رده بندی می‎شود که این اعداد میزان سیمان مصرفی دریک مترمکعب بتن را نشان می دهند.

بتن بر اساس مقاومت فشاری مشخصه آن به صورت 50 C، 45 C ، 40 C ، 35C، 30 C، 25 C، 20 C ، 16 C ، 12 C، 10 C، 8 C و 6 C رده بندی می‎شوند.

اعداد بعد از حرف C بیانگر مقاومت فشاری مشخصه بتن برحسبم مگاپاسکال (Mpa) است. چنانچه بتن در سازه های دارای آرماتور و یا سیم مورد استفاده قرار گیرد، بتن سخت شده را بتن آرمه می‎نامند. در بتن آرمه از بتن رده 16 C به بالا استفاده می‎شود.

مقاومت فشاری مشخصه بتن (F_CK) مقاومتی می‎باشد که حداکثر 5 درصد کلیه مقاومت های اندازه گیری شده برای رده بتن مورد نظر، محتمل است از آن کمتر باشد.

کارایی بتن

میزان سهولت یا دشواری در تخلیه بتن، تراکم و پرداخت بتن درون قالب را کارایی می گویند. کارایی بتن به میزان اسلامپ و روانی نوع بتن بستگی دارد. به قابلیت جاری شدن بتن تازه ساخته شده، روانی گفته می‎شود.

مخلوط بتنی را خیلی تر باشد می‎توان در قالب ریخت و شکل داد، اما چنین بتنی در حوزه تعریف بتن خمیری نمی گنجد. اجزای تشکیل دهنده مخلوط بتن خمیری در حین حمل و نقل از یکدیگر جدا نمی‎شوند و بتن پس از خشک شدن به مخلوطی همگن متشکل از تمامی اجزاء تبدیل می‎شود.

روان بودن و شکل پذیر بودن بتن موجب افزایش کارایی شده، اما در اصل برای هر نوع عملیات بتنی، روانی و کارایی خاصی مورد نیاز است. روانی بیش از اندازه سبب به وجود آمدن زیان های زیادی برای بتن می گردد، از جمله کاهش  مقاومت، افزایش ترک خوردگی، مقاومت کم در مقابل یخبندان و یخ زدن  و شسته شدن سطحی.

هر چه نسبت آب به سیمان بیشتر شود، تهیه بتن توپر مشکل تر می‎شود. بتن کارا به بتنی گفته می‎شود که به آسانی بتوان آن را ساخت، جابجا نمود، در قالب ریخت و متراکم کرد  بدون آن که در یکنواختی آن در طول مراحل یاد شده تغییراتی ایجاد شود.

در این آزمایش یک قالب مخروطی ناقص درسه لایه با حجم تقریبا مساوی پر می‎شود. هرلایه توسط میله مخصوص 25 بار کوبیده می‎شود. سپس با برداشتن قالب، عمق نشست بتن برحسب سانتی متر اندازه گیری می‎شود. مقدار نشست، نشان دهنده ورانی بتن می‎باشد. هرچه بتن روان تر باشد، مقدارنسشت آن بیشتر خواهد بود. هر چه اسلامپ بتن بیشترابشد، مخلوط مرطوب تر می‎شود.

اسلامپ به عنوان معیاری برای روانی بتن به کار می رود. بتن با اسلامپ پایین تر از روانی سخت برخوردار است.

مقاومت فشاری بتن

استانداردهای آمریکایی، مقاومت فشاری بتن را که معمولاً برحسب مگاپاسکال یا کیلوگرم بر سانتی متر مربع (مقاومت 28 روزه نمونه استوانه ای بتنی به قطر و ارتفاع به ترتیب 15 و 30 سانتی متر) و با f`_c نشان می دهند.

در کشورهای اروپایی برای تعیین مقاومت بتن از نمونه های مکعب 20*20 یا 15*15 سانتی متری استفاده می کنند و با f_cu نشان می دهند. برای یک مخلوط یکسان، هر نمونه بتنی نتیجه مختلفی ازخود نشان می‎دهد.