اختلاط بتن (از انتخاب مصالح اولیه برای تا سازه نهایی – مشکلات سه راه)

اکثر مقالات درباره بتن روی یکی از خصوصیات آن توجه دارند، بنابر این تصویر مبهمی از اهمیت پارامترهای گوناگون برای رسیدن به یک سازه بتنی خوب، ارائه می دهند. موضوع این مقاله این است که این هدف با بکارگیری رشته ای عملیات یکپارچه قابل دسترس است و هر کدام از این  عملیات ها بطور خلاصه بررسی شده اند. موارد ذکر شده عبارتند از سیمان در عصر حاضر، انتخاب مواد اولیه برای مخلوط کردن  بتون، استفاده از بیندرها ( ملات) مانند خاکستر بادی و دوده سیلیسی، بتن خود سفت شد و سازه پایدار مقاله حاضر همچنین نگاه هایی به جنبه های خاص بتن پیش ساخته دارد.

تمام مقالات بتن تنها یک هدف دارند:‌  دستیابی به یک سازه رضایت بخش،‌ یعنی سازه ای که سالم و پایدار باشد. متاسفانه با وجود انتشار هزاران مقالات پژوهشی در سال، در بسیاری از سازه ها،‌ به خوبی که باید باشد نیست. این مقاله قصد دارد تا به توضیح این وضعیت بپردازد.

مقاله حاضر امیدوار است با نشان دادن کم کاری در زمینه ساخت و ساز با بتن بتواند خوانندگان را در  پیشبرد راهکارهای مختلف یا حداقل در نگرش دوباره به قصور در بتن کمک کند.

بنابراین از صمیم قلب از هر گونه کلمات و الفاظ تندی که بکار برده ام، پوزش می طلبم. این مقاله یک جنبه خاص دارد که آن را از دیگر مقالات متمایز می کند و به یک موضوع می پردازد و اهمیت آن را نشان می دهد، این مقاله تمام زوایای ساخت بتن را نشان می دهد.

ماهیت مساله

چرا بتن در بسیاری از سازه ها به خوبی که باید باشد نیست؟ اول اینکه یک سری تحقیقات دانشگاهی نامتجانس در شرایط مفید واقعی و روی نمونه های مصنوعی برای پژوهش در آزمایشگاه انجام می شوند و از طرفی این آزمایش ها توسط افرادی بعمل می آیند که هیچ تجربه ای از شرایط واقعی در زندگی ندارند. در تجربیات آنها، رشته متغیرها بسیار محدود است شرایط آسیب رسان بطور غیر واقعانه ای مبانعه می شوند تا رسیدن نتیجه سرعت داشته باشند، از تغییر شکل در بتن بر اثر انقباض یا دم هم با استفاده از نمونه های کوچک و دیگر محدودیت های ساختگی جلوگیری می شود.  بیشتر دانشگاهیان علاقه ای به تحقیق و بررسی  در یک پروژه واقعی ندارند و ترجیح می دهند در یک آزمایشگاه با تهویه هوای عالی بمانند و چکمه و کلاه ایمنی بپوشند.

دوم اینکه دانشجویان دوره لیسانس مهندسی عمران کمتر چیزی درباره بتن به عنوان یکی از مصالح یاد گرفته اند. بنابر این وقتی پس از فارغ التحصیلی و شروع به کار با محاسبات طراحی بخصوص محاسبه به حالت کامپیوتری درگیر می شوند. کمیت های  ثابتی برای خصوصیات بتن در نظر می گیرند. کمیت هایی چون ضریب ارتجاعی، جمع شدگی بتن در اثر از دست دادن آب، ضریب خزش، انبساط حرارتی و دیگر کمیت ها، آنها به ندرت از خود درباره اینکه آیا یک مخلوط واقعی با کمیت های در نظر گرفته شده با محاسبات طراحی مطابقت دارند یا خیر، سئوال می کنند. در واقع کمتر کسی به اینطور سازگاری ها توجه دارد.

پروسه بی عیب و نقص

موضوع تمام گله و شکایت من این است که دستیابی به یک بتن خوب باید یک پروسه بی عیب و نقص باشد. گاهی اوقات ایراد در کار دیده می شود، گاهی هم مخفی است و کسی از آن چیزی نمی داند تا اینکه اتفاقی بیافتد و تحقیقات پس از آن شروع شود.

در زمینه بتن های تقویت شده و پیش تنیده، معلوم کردن اینکه درون هر قطعه چطور است مشکل  می باشد بخصوص پس از گذشت زمان، در ساده ترین نوع یک بزرگراه یا یک پیاده رو، به ندرت ضخامت بتن کنترل می شود، یا اینکه اخیراً‌ روشهای الکترونیکی نوینی برای این کار در دست است. سیستم های قدیمی مغزه هی مخرب هستند.

باز بینی  درجه تراکم و میزان کمبود بافت کندویی یا حفره های ریز هوا رایج نیستند، فقط  بخاطر اینکه آسان نبوده و وقت گیر هستند. با اطمینان از اندازه صحیح میلگردها، می توان پی به وضعیت میلگردهای تقویتی برد. اما پس از آن هم الزاماً مطمئن نیستیم که فولاد مناسب استفاده شده است یا خیر. موقعیتی را سراغ داشتم که در آن کدگذاری فولاد بوسیله رنگ ها اشتباه شده بود و در نتیجه از شماره فولاد اشتباه استفاده شده بود.

بتن با تکنیک ضعیف

بتن یکی از آن مصالح عجیب و غریب است که هم تکنیک بالای آن است و هم تکنیک پایین آن، این مثل یک تضاد است چون بتن از ساده ترین مصالح است و یک فرد خیابانی هم بدون داشتن کمترین دانش فنی می تواند آن را درست کند. بتن مصالحی است که انتظار می رود خصوصیات منحصر بفرد خود را داشته باشد. این یک پیشرفت است که در زمان زندگی من اتفاق افتاده است و چنین پیشرفتی الزاماً نمی تواند نتیجه معکوس داشته باشد مثلاً با تغییر ماشین آلات کمتر از یک قرن پیش این ماشین ها هستند اما به اندازه وزنشان به قیمت طلا می ارزند. همه ساله صدها میلیون ماشین وارد بازار می شوند که به صورت خارق العاده ای توسط ابزار الکترونیکی کنترل شده و با ربات های کوچک و بزرگ اجرای کار می کنند.

بتن با تکنیک بالا

حال از بتن با تکنیک بالا انتظار می رود تا ویژگی های مخصوص لازم برای کاربردهای مختلف را داشته باشد. این ویژگی ها عبارتند از: حداقل مقاومت فشاری در بتن با سن کم، ضریب انبساط حرارتی ویژه نرخ پایین تولید حرارت ( مربوط به هیدراسیون سیمان که دمای کنترل شده ایجاد می کند). ضریب ارتجاعی خاص،‌ ویژگیهای خزش خاص یا بزرگی انقباص محدود تحت شرایط آزمایشگاهی. سه ویژگی مهم اخیر مربوط به بتن پیش تنیده هستند. لیست فوق را می توان برای ضریب خاصی چون یخ زدن و ذوب شدن و همچنین برای مقاومت در برابر حمله عوامل خارجی تعمیم داد.

ویژگی های دقیق سیمان

اینجا به یک مشکل پایه ای برخورد می کنیم می دانیم که سیمان پرتلند مورد نیاز ما باید

C₃S ،C₂S وC₃A و مرغوبیت داشته باشد، اما ما می توانیم چنین سیمانی بخریم ! یا بهتر بگویم وقتی سیمان می خریم می دانیم چه چیزی خریده ایم؟ پاسخ منفی است، و این اولین تضاد بین انتظارات از سیمان با تکنیک بالا و واقعیت است.

مشکلات مربوط به سیمان

تاکنون من در مورد محدودیت ویژگی های دقیق سیمان پر تلندی که به شخص تحمیل می شود تا مخلوط بتن خود را تهیه کند،‌ صحبت کرده ام. امروزه، سیمان پرتلند کمتر به عنوان یک ملات استفاده می شود بلکه این سیمان از اجزای لازمه ملات است. دلایل زیادی دارم، از جمله: اول اینکه،‌ با استفاده از ملات های افزودنی که از مصالح سیمانی هستند،‌ ویژگی های مصالح سیمانی ترکیب شده بسیار با هم متفاوت خواهند بود. ما قادریم تا نرخ پیشرفت گرمای هیدراسیون و افزایش دمای بتن را پایین بیاوریم و در نتیجه را در برابر بعضی حملات شیمیایی کاهش دهیم.

دوم اینکه،‌ بسیاری از مصالح سیمانی افزودنی یا طبیعی هستند یا در پروسه تولید دیگر مصالح بدست می آیند ( مانند روباره‌ آهن گدازی، که در تولید آهن حاصل می شود) و یا از محصولات هرز هستند ( مانند زمه خاکستر که در سوختن زغال سنگ در نیروگاه بدست می آید). بنابراین این مصالح در طبیعت وجود دارند و لازم نیست که حتماً تولید شوند، و مقادیر زیادی از انرژی را اتلاف کنند. این صرفه جویی در انرژی است که در نهایت منجر به سود اقتصادی می شود. از طرفی  مصرف نرمه خاکستر مشکلات زیست محیطی بوجود می آورد.

مخلوط های سه تایی

ملات های شامل سه یا بیش از سه عنصر سیمانی روز به روز رایج تر می شوند. در این مقاله، صحبتم را به استفاده از دوده سیلیسی به همراه نرمه خاکستر و سیمان پرتلند محدود خواهم کرد.

قابل توجه است که دوده سیلیسی هم یک محصول دور ریختنی است. این محصول، ذرات منتشر شده حین تولید سیلیکون و فرو سیلیکون از سنگ کوارتر و زغال سنگ با درجه خلوص بالا در یک کوره الکتریکی است. دوده سیلیسی به آب زیادی احتیاج دارد. در واقع عموماً وجود دوده سیلیسی در مخلوط بتن احتیاج به روان سازها را در پی خواهد داشت. این کارها گران تمام می شوند، اما یک مخلوط سه تایی با یک روان ساز چیزی است که تولید بتن با کارایی بالا را امکان پذیر می کند. این یک بتن با تکنیک بالا است و این چیزی است که من در آینده می بینیم.

عملیات بتن ریزی

قبلاً که نسبت آب- سیمان(w/c ) پارامتر نیست که بتوان روی آن تکیه کرد، زیرا می تواند کارایی لازم را نداشته باشد. من از منظر طراحی سازه ای منکر این نیستم که بالا بردن مقداری از نسبت آب- سیمان مهم نیست، اما اگر به هر دلیلی مانند تاخیر، کارایی پایین بیاید، آب باید اضافه شود، چون در بتن حفره هایی شبیه لانه زنبور تولید خواهد شد.

میلگرد گذاری بتن

واضح است که میلگرد تقویتی باید در جای صحیح خود قرار گیرد، اما راه معینی برای تعیین محل پوشش روی آرماتور وجود ندارد. گاهی اوقات پوشش اسامی تعیین شده است، در حالی که پوشش مینیموم بدون یک ارزش ماکزیموم داده شده است، در حالات دیگر، روا داری تعیین شده است، ولی معلوم نیست که باید در تمام نقاط رعایت شود یا در یک سطح میانگین.

بتن خود سفت شو

هر چه که تاکنون درباره بتن گفته ام، درباره بتن های سنتی بوده که سالیان سال استفاده می شده اند. با این حال پیشرفت جدیدی در صنعت ساختمان با داستانی عجیب و غریب پیدا شده است به نام بتن خود سفت شو یا SCC . این بتن نیز مانند استفاده از ربات ها در بتن ریزی، ابتدا در ژاپن پایه گذاری شد. در هر دو حالت، انگیزه از این کارها، به حداقل رساندن نیروی کار نیمه مجرب یا غیر مجرب بوده است.

بتن خود سفت شو، مخلوطی است که بدون عمل لرزاندن هوای محبوس را بیرون می راند و از بین موانعی چون آرماتورها می گذرد تا تمام فضاهای خالی قالب را پر کند. این سیستم برای نمونه های بغرنج تاندون های پیش تنیده و محل های دور از دسترس نزدیک قلاب ها مناسب است. لرزاندن پر سرو صدا است و موضوع مهمی برای کارگران و همسایه ها بخصوص شب ها و روزهای تعطیل می شود. جلوگیری از این سر و صدا یکی دیگر از انگیزه های استفاده از این بتن است.

پروراندن بتن

بتن همیشه پرورانده می شود اما پروراندن آن با آب به ندرت صورت می گیرد. بنده شدیداً به پروراندن بتن با آب بویژه در نسبت آب – سیمان اندک اعتقاد دارم، چرا که آب باید به بتن سخت شده اضافه شود. وگرنه انقباض خودبخود صورت می گیرد. شکست بتن قابل دیدن نیست چرا که در درون توده بتن شکل می گیرد و فواید میزان پایین بودن نسبت آب- سیمان را خنثی می کند.

بنده موعظه در زمینه پروراندن بتن مشهور هستم، اما این عمل به خوبی انجام نمی شود.

خیلی از افراد به پرورش بتن با آب اعتقاد ندارند و در واقع نه می توانند آن را ثابت کنند و نه می توانند آن را رد کنند.

جنبه های خاص بتن پیش ساخته

در فرآیند تولید بتن، پیش ساخته مزایای بیشتری نسبت به دیگر بتن ها دارد اول اینکه مکان بتن ریزی اغلب ثابت است، بنابر این مشکلی در رابطه با حمل و نقل ، کارایی ، یا هیدراسیون زودرس نخواهیم داشت. کیفیت قالب بندی ، پرداخت و پرورش بین می توانند در حد عالی از کار در آیند. اگر تمام سیمان از یک سیلوی واحد آورده شده باشد تغییری در کیفیت آن نخواهد بود. در ضمن نظارت هم آسانتر می شود.

بتن خود سفت شو این امکان را می دهد تا اجزا را در اشکال مختلف و با تقویت بهتری پیش ساخته شوند. پرورش بتن را می توان زودتر یا اینکه آن را با بخار یا به صورت سریع انجام داد.

نتیجه گیری

این مقاله قصد بدنام کردن بتن را ندارد، چطور می توانم این مصالح را در حالی که بیش از پنجاه سال نان و آب من را فراهم کرده، کوچک کنم.

صفحات پیش مروری سریع بر فعالیت های مختلف و تصمیم های لازم بری ایجاد یک سازه بتنی رضایت بخش داشتند. لزوماً، امکان بحث بیشتر نبوده و البته توضیحات قوی و پخته هم داده نشده است. با وجود این، امیدوارم توانسته باشم اکثر فعالیت ها و تصمیم های مربوط، و اهمیت هر کدام اط آنها را برای اجرای خود و درست به نشان داده باشم. تنها راه بنای یک سازه رضایت بخش این است: چشم پوشی یا برخورد ملایم با هر مرحله ای که منجر به یک محصول نا کارآمد می شود.