راهنمای بتن، بر اساس IBC 2015 و ACI 318-14
فصل اول
مبانی بتن
۱٫۱. تاریخچه‌ی سیمان و بتن
تاریخچه‌ی نخستین
از همان آغاز زندگی بشر، ساخت سرپناه مستلزم به‌کارگیری بهترین فناوریِ در دسترسِ هر دوره بوده است. در دوران نخستین، سازه‌ها از خاک کوبیده یا بلوک‌های سنگی ساخته می‌شدند که بدون هیچ ماده‌ی پیونددهنده یا چسباننده‌ای روی هم قرار می‌گرفتند. پایداری سازه‌های سنگی به چیدمان منظم سنگ‌های سنگین وابسته بود. نخستین بنایی‌ها احتمالاً از خشت‌های رسیِ خشک‌شده در آفتاب تشکیل می‌شدند که در رج‌های منظم، روی لایه‌های نازکی از گل مرطوب چیده می‌شدند. پس از خشک‌شدن گل، دیواری یکپارچه از رس شکل می‌گرفت. این نوع ساخت‌وساز در نواحی خشک و بیابانی جهان رایج بود.
گچ پخته به‌عنوان ماده‌ی چسباننده در اوایل دوره‌ی مصر باستان توسعه یافت و ظاهراً در ساخت برخی اهرام به کار رفت. بعدها یونانیان و رومیان روش‌های پخت سنگ‌آهک برای تولید آهک زنده را کشف کردند؛ این آهک سپس برای ساخت ملات، شکفته می‌شد. هم یونانیان و هم رومیان دریافتند که برخی خاک‌های نرم و ریزدانه، وقتی با آهک و ماسه مخلوط شوند، ماده‌ی چسباننده‌ی بهتری به وجود می‌آورند. ماده‌ی یونانی، یعنی توف آتشفشانیِ جزیره‌ی سانتورین، هنوز در آن بخش از جهان استفاده می‌شود. بهترین ماده‌ای که رومیان به کار می‌بردند، توف یا خاکسترِ اطراف پوتسوئولی، نزدیک کوه وزوو، بود؛ نام «پوزولان» که امروزه برای شناسایی نوعی افزودنی معدنی در بتن به کار می‌رود، از همین نام گرفته شده است.
سیمان تولیدشده به دست رومیان، سیمانی هیدرولیکی بود؛ یعنی قابلیت سخت‌شدن در زیر آب را داشت. بسیاری از سازه‌های رومی با استفاده از این مصالح و نوعی بتن ساخته می‌شدند و قطعات سنگیِ بنایی نیز با ملاتی با ترکیب مشابه به هم پیوند می‌یافتند. باسیلیکای کنستانتین، که نمونه‌ای اولیه از کاربرد سنگ و آجر یا سفال شکسته به‌عنوان سنگدانه در بتن است، و کولوسئوم، دو نمونه از معماری رومیِ این دوره‌اند.
در قرون وسطی، مهارت ساخت ملات مرغوب تقریباً از میان رفت. حدود قرن یازدهم، زمانی که مصالح بسیار نامرغوب به کار می‌رفتند، این روند به پایین‌ترین سطح خود رسید. از آن زمان به بعد، کیفیت آهک رو به بهبود گذاشت و در قرن چهاردهم یا پس از آن، استفاده از پوزولان‌ها دوباره رواج یافت.
یکی از مشهورترین پروژه‌ها در دوره‌های متأخر، ساخت فانوس دریاییِ جدید اِدیستون در آب‌های ساحلی انگلستان، طی سال‌های ۱۷۵۷ تا ۱۷۵۹، بود. جان اسمیتون، مهندس و طراح این سازه، مصالح و روش‌های گوناگونی را برای پیوند سنگ‌های بنا بررسی کرد. به روایت ساموئل اسمایلز:
«او برای انجام آزمایش‌هایی که شخصاً اجرا می‌کرد، زحمت فراوان کشید تا بهترین نوع سیمان را برای چیدن رج‌های فانوس دریایی تعیین کند. سرانجام، مقادیر مساوی از آهک موسوم به بلو لایاس و ماده‌ای به نام تِرا پوتسولانو را برگزید. خوشبختانه توانست مقدار کافی از ماده‌ی دوم را از بازرگانی در پلیموث تهیه کند که آن را به امید سود وارد کرده بود و حاضر بود ارزان بفروشد.»۱٫۱
بلو لایاسِ یادشده، نوعی سنگ‌آهکِ رسی است و تِرا پوتسولانو نیز پوزولانی بود که ظاهراً با انگیزه‌ی سودجویی از ایتالیا وارد شده بود.
در این زمان، پیشرفت‌های مهندسی و علمی شتاب می‌گرفت و پژوهشگران در چند کشور، مواد چسباننده‌ی ساخته‌شده از گچ، سنگ‌آهک و دیگر مواد طبیعی را بررسی می‌کردند. لُساژ و ویکا در فرانسه و فراست و پارکر در انگلستان از پیشگامان این آزمایش‌ها بودند. یکی از کشفیات، روشی برای ساخت سیمان از طریق پخت مخلوط طبیعیِ آهک و رس بود. به دلیل تغییر نسبت اجزا در ماده‌ی طبیعی، خواص این سیمان طبیعی بسیار متغیر بود؛ بااین‌حال، استفاده از آن سال‌ها ادامه یافت.
در سال ۱۸۲۴، جوزف آسپدین، بنّایی اهل لیدزِ انگلستان، ماده‌ای را به ثبت اختراع رساند و آن را «سیمان پرتلند» نامید؛ زیرا تصور می‌شد بتن ساخته‌شده با آن، به سنگ‌آهک استخراج‌شده در نزدیکی پرتلندِ انگلستان شباهت دارد. معمولاً اختراع روشی به آسپدین نسبت داده می‌شود که در آن، سنگ‌آهک و رس با نسبت‌های معین ترکیب و در دمای زیاد پخته می‌شوند تا کلینکر به دست آید؛ سپس کلینکر آسیاب می‌شود تا سیمانی هیدرولیکی تولید شود. کوره‌ی کوچک او که در هر نوبت حدود ۱۴٫۵ تن متریک کلینکر (با فرض تن کوتاه آمریکایی در تبدیل واحد) تولید می‌کرد، برای هر بار پخت به چند روز زمان نیاز داشت. گسترش و توسعه‌ی تولید سیمان برای چند سال آهسته بود. بااین‌حال، حدود سال ۱۸۵۰، این صنعت نه‌فقط در انگلستان، بلکه در آلمان و بلژیک نیز به‌خوبی استقرار یافته بود.
ارسال محموله‌های سیمان به ایالات متحده در سال ۱۸۶۸ آغاز شد و حدود سال ۱۸۹۵ به اوج رسید؛ در آن زمان، تولید سیمان در ایالات متحده نیز به‌طور جدی جریان داشت.
در همین فاصله، تولید سیمان طبیعی در ایالات متحده، در اوایل قرن نوزدهم و در پاسخ به تقاضای سیمان برای ساخت کانال اِری و پروژه‌های وابسته آغاز شده بود. نخستین سیمان پرتلندِ ساخته‌شده در ایالات متحده را دیوید سیلر در سال ۱۸۷۱ در کوپلِیِ پنسیلوانیا تولید کرد. توسعه‌ی بعدیِ کوره‌ی دوار به تولید سیمان در مقیاس بزرگ در سراسر جهان انجامید.
کاربرد بتن با ساخت راه‌آهن‌ها، پل‌ها، ساختمان‌ها و روسازی خیابان‌ها گسترش یافت. پژوهش درباره‌ی مسلح‌کردن بتن با میلگردهای فولادی در فرانسه آغاز شده بود و در سال ۱۸۷۵، بتن مسلح برای نخستین بار در ایالات متحده به کار رفت. بسیاری از بتن‌های آن زمان فقط آن‌قدر آب داشتند که بتوان با کار دستیِ فراوان، آن‌ها را در محل کوبید و متراکم کرد. سپس دوره‌ای از کاربرد بتن‌های پرآب آغاز شد که در آن، بتن با جاری‌شدن در جای خود قرار می‌گرفت. بااین‌حال، بسیاری از استفاده‌کنندگان بتن به نادرستیِ کاربرد مخلوط‌های پرآب پی بردند و در سال ۱۹۱۸، داف آبرامز نتایج پژوهش‌ها و مشاهدات خود را منتشر کرد. او اعلام کرد که کیفیت بتن مستقیماً از مقدار آب نسبت به مقدار سیمان تأثیر می‌پذیرد؛ در حدود متعارف، با افزایش نسبت آب به سیمان، کیفیت بتن کاهش می‌یابد. این رابطه به یکی از قوانین بنیادیِ فناوری بتن تبدیل شده است.
در یک‌سوم نخست قرن بیستم، علاوه بر معرفی قانون آب به سیمان، کاربرد بتن نیز به‌شدت گسترش یافت و بهبود پیدا کرد. روش‌های آزمایش و کنترل در حال توسعه بودند. پیشگامان پیش‌ساختگی حتی پیش از سال ۱۹۱۲ فعال بودند و تا سال ۱۹۲۵، صنعت بتن آماده به‌خوبی استقرار یافته بود. معرفی ویبراتورهای پربسامد در سال ۱۹۲۸، استفاده از مخلوط‌های نسبتاً خشک و خشن را ممکن کرد. بررسی مصالح سد هوور در سال ۱۹۳۰ به توسعه‌ی سیمان کم‌حرارت برای بتن حجیم انجامید. پژوهش‌های بیشتر درباره‌ی سیمان، پنج نوع سیمان پرتلند استاندارد را در اختیار صنعت گذاشت. در دهه‌ی ۱۹۳۰، پژوهشگران بسیاری افزودنی‌ها را بررسی کردند و مزایای حباب‌زایی هوا را آشکار ساختند؛ در دهه‌ی ۱۹۴۰، بسیاری از سازمان‌ها آن را در مشخصات فنی الزامی کردند. تقریباً در همین زمان، پوزولان‌ها و دیگر افزودنی‌ها نیز پذیرفته شدند. مشکلات ناشی از تخریب بتن بر اثر واکنش میان برخی سنگدانه‌ها و سیمان‌ها، در سال ۱۹۴۱ به معرفی سیمان کم‌قلیا انجامید.
کاربردهای امروزی
بتن در ۶۰ سال گذشته دگرگونی چشمگیری داشته است. در تاریخچه و مراحل نخست توسعه‌ی آن، بتن مصالحی خاکستری و صرفاً کاربردی بود که در سدها، پی‌ها، روسازی‌ها، ستون‌ها و تیرهای سازه‌ای استفاده می‌شد. به‌ندرت از ظرفیت هنریِ آن بهره می‌گرفتند. اما امروزه، به‌لطف کار پیشگامانه‌ی چند معمار و مهندس برجسته، بتن از نظر کارایی و زیبایی به جایگاه تازه‌ای رسیده است. سازه‌های چشمگیر و متمایز، شواهدی هیجان‌انگیز از آزادی بیان زیبایی‌شناختی در بافت‌ها، رنگ‌ها، شکل‌ها و اندازه‌ها ارائه می‌کنند. این آزادی به طراح امکان می‌دهد با روش‌های جسورانه و رنگارنگی که حتی چند سال پیش تصور هم نمی‌شدند، به سازه‌های بتنی ظرافت و جلوه‌ی هنری ببخشد. قاب ساختمان‌های بلندمرتبه، سطوح سهمویِ هذلولوی، طاق‌های بشکه‌ای، قطعات پیش‌ساخته و پیش‌تنیده، روش تیلت‌آپ، قالب‌های لغزنده، روش بالابری دال‌ها، بتن پاششی و اندود با شکل آزاد، هرکدام ویژگی‌های ویژه‌ی خود را به عرصه‌ی ساخت‌وساز می‌آورند. پمپ بتن، حمل و بتن‌ریزیِ ساختمان‌ها را متحول کرده است. دیگر پیشرفت‌ها عبارت‌اند از:
- روش‌ها و تجهیزات لازم برای سازگارکردن فنونی مانند قالب‌بندی لغزنده و تیلت‌آپ با ساختمان‌های کوچک و بزرگ؛
- پیش‌ساخت قطعات ساختمانیِ بزرگ و کوچک، ساده و پیچیده؛
- پیش‌ساخت و پیش‌تنیدگی در محل پروژه؛
- در دسترس‌بودن سیمان پرتلند سفید؛
- توسعه‌ی سیمان منبسط‌شونده؛
- روش‌های تازه برای ایجاد رنگ و بافت در بتن نمایان و اندود؛
- شناخت تازه از سنگدانه‌های سبک و بتن سبک؛
- مشخصات فنیِ واقع‌بینانه‌تر از سوی معماران و مهندسان؛
- روش‌های بهبودیافته‌ی جوشکاری آرماتور؛
- در دسترس‌بودن آرماتور با پوشش اپوکسی، آرماتور فولاد زنگ‌نزن و آرماتور الیاف شیشه؛
- بهبود اجزای بتن و کنترل کیفیت، به‌گونه‌ای که تولید بتن با مقاومت بسیار زیاد، بیش از ۱۰۳٫۴ مگاپاسکال، ممکن شده است؛
- تکامل فناوریِ افزودنی‌ها، از جمله فوق‌روان‌کننده‌ها، دوده‌ی سیلیسی، سامانه‌های شیمیاییِ کنترل هیدراتاسیون سیمان و موارد دیگر.
۱٫۲. واکنش هیدراتاسیون
برای درک بهتر فصل‌های بعد، ابتدا باید واکنشی را بررسی و درک کنیم که هنگام تماس سیمان پرتلند با آب رخ می‌دهد. این واکنش «هیدراتاسیون» نام دارد و به فرایند واکنش با آب برای تشکیل ترکیبات جدید تعریف می‌شود.
وقتی سیمان و آب برای نخستین بار با هم ترکیب می‌شوند، خمیری تشکیل می‌دهند. همین خمیر، ذرات سنگدانه را به هم پیوند می‌دهد تا بتن تشکیل شود. هر ذره، از کوچک‌ترین دانه‌ی ماسه تا بزرگ‌ترین قطعه‌ی سنگ، باید با این خمیر پوشیده شود. پس از یک دوره‌ی اولیه در حالت خمیری، خمیر شروع به سفت‌شدن یا گیرش می‌کند. پس از چند ساعت، به مرحله‌ای می‌رسد که شکل‌پذیری خود را کاملاً از دست می‌دهد. اگر پس از رسیدن به این مرحله خمیر دست‌کاری شود، به‌شدت آسیب می‌بیند.
زمان گیرش اولیه، بازه‌ای قراردادی است که از لحظه‌ی ترکیب آب و سیمان تا زمانی اندازه‌گیری می‌شود که قرص کوچکی از خمیر سیمان بتواند درست در حد لازم، سوزنی فولادی با اندازه و وزن معین را تحمل کند. گیرش نهایی با سوزنی سنگین‌تر و بزرگ‌تر تعیین می‌شود.
سرعت گیرش لزوماً با سرعت سخت‌شدن یکسان نیست. سیمان زودمقاومت می‌تواند تقریباً همان زمان‌های گیرشِ سیمان معمولیِ نوع یک را داشته باشد، اما پس از گیرش، مقاومت آن بسیار سریع‌تر افزایش یابد.
ترکیب سیمان پرتلند
سیمان مخلوط پیچیده‌ای از چند ترکیب است که با آب واکنش می‌دهند. همه‌ی این ترکیبات بی‌آب‌اند؛ یعنی کاملاً فاقد آب هستند. هنگام ترکیب با آب، فعالانه با آن واکنش می‌دهند و ترکیبات هیدراته‌ی جدیدی تشکیل می‌دهند. همه‌ی این ترکیبات حاصل از هیدراتاسیون، انحلال‌پذیری کمی دارند و همین ویژگی به بتن دوام می‌بخشد.
به دلیل پیچیدگی سیمان، نمی‌توان آن را با یک فرمول شیمیاییِ ساده نشان داد. به‌جای آن، گزارش تجزیه‌ی سیمان، مقدار همه‌ی اجزای تشکیل‌دهنده‌ی سیمان را ارائه می‌کند. به فصل ۷ مراجعه کنید.
سازوکار هیدراتاسیون
واکنش هیدراتاسیون به‌محض تماس سیمان با آب آغاز می‌شود. این واکنش می‌تواند سال‌ها ادامه یابد. سرعت هیدراتاسیون از ترکیب سیمان، نرمی سیمان، دما، مقدار آب موجود و حضور افزودنی‌ها تأثیر می‌پذیرد. تولیدکننده می‌تواند با تغییر نسبت ترکیبات تشکیل‌دهنده‌ی سیمان، سرعت کسب مقاومت آن را تغییر دهد.
سیمان ریزتر آسیاب‌شده، سریع‌تر از سیمان درشت‌تر هیدراته می‌شود؛ صرفاً به این دلیل که ذرات کوچک‌تر، نفوذ سریع‌تر آب به درون ذرات را ممکن می‌کنند. همانند بیشتر واکنش‌های شیمیایی، هیدراتاسیون سیمان در دماهای بالاتر شتاب می‌گیرد. در دمای نزدیک به نقطه‌ی انجماد آب، واکنش عملاً متوقف می‌شود. در کارخانه‌های تولید قطعات و محوطه‌های بتن‌ریزی، برای تسریع کسب مقاومت از عمل‌آوری بتن در دمای بالا استفاده می‌شود.
برای ادامه‌ی هیدراتاسیون، آب باید در دسترس باشد. فرایند سخت‌شدن و کسب مقاومت بتن، فرایند خشک‌شدن نیست. اگر بتن کاملاً خشک شود، واکنش متوقف می‌شود؛ بااین‌حال، اگر بتن دوباره مرطوب شود، واکنش با سرعتی کمتر از سر گرفته خواهد شد.
گرمای هیدراتاسیون
واکنش سیمان و آب گرمازا است؛ یعنی در جریان واکنش، گرما تولید می‌شود. بسته به نوع سازه‌ای که بتن در آن استفاده می‌شود، این گرما می‌تواند مزیت یا عیب باشد. در ساخت‌وساز معمول، اندازه‌ی اعضا به‌گونه‌ای است که آزادشدن این گرما مشکل‌ساز نیست. در سدها و دیگر سازه‌های حجیم، باید با تغییر ترکیب سیمان، سرعت آزادشدن گرما کاهش یابد یا با تمهیدات ویژه‌ی طراحی و اجرا، گرما دفع شود. با عایق‌کردن قالب‌ها در هوای سرد، می‌توان از این گرما برای محافظت بتن در برابر یخ‌زدگی بهره گرفت تا بتن مقاومت کافی برای تحمل یخ‌زدگی را به دست آورد.
۱٫۳. ویژگی‌های بتن
بتن چیست؟
در اینجا باید یک نکته روشن شود: سیمان و بتن یک چیز نیستند. کاربرد عبارت «مسیر سواره‌روی سیمانی» نادرست است، زیرا چنین چیزی وجود ندارد. وقتی ماسه، سنگ شکسته یا شن، سیمان و آب با هم مخلوط و سپس در قالب ریخته شوند، مخلوط سخت می‌شود و «بتن» نام می‌گیرد. شکل ۱-۱، مقطعی را نشان می‌دهد که با اره‌کردن یک نمونه‌ی بتن به دست آمده است. اگر سنگدانه فقط از مصالح در اندازه‌ی ماسه تشکیل شود و قطر همه‌ی ذرات کمتر از حدود ۶٫۳۵ میلی‌متر باشد، مخلوط «ملات» نامیده می‌شود. بخش سیمان و آبِ بتن، «خمیر» نام دارد.
گروت، مخلوطی از سیمان و آب است که می‌تواند با سنگدانه‌ی ریز یا بدون آن تهیه شود و آن‌قدر آب دارد که بدون جداشدگی، قوامی مناسب برای ریختن داشته باشد. گروت از ملات روان‌تر است. همه‌ی این مخلوط‌ها را می‌توان با افزودنی یا بدون افزودنی ساخت.
بتن معمولی یا غیرمسلح، ترد است و برای مقاومت در برابر کشش یا ازهم‌کشیده‌شدن مناسب نیست. این بتن در سازه‌هایی استفاده می‌شود که عمدتاً تحت بارهای فشاری یا فشردگی قرار دارند. بتن مسلح، بتنی است که هنگام بتن‌ریزی، میلگردها یا مفتول‌های فولادی در آن تعبیه می‌شوند تا مقاومت کششی به آن بدهند. فولاد و بتن مکمل یکدیگرند و به‌صورت یک واحد عمل می‌کنند؛ بتن همچنین فولاد را در برابر زنگ‌زدگی و آتش محافظت می‌کند.
بتن تازه
هنگامی که مصالح بتن برای نخستین بار با هم مخلوط می‌شوند، گفته می‌شود بتن در حالت تازه است. بتن تازه شکل‌پذیر است؛ شکل ثابتی ندارد و به‌آسانی تغییر شکل می‌دهد. می‌توان آن را با استفاده از قالب‌ها دست‌کاری و شکل‌دهی کرد.
ویژگیِ بتن تازه که برای افراد حاضر در کارگاه اهمیت دارد، کارایی بتن است. کارایی، میزان سهولت جابه‌جایی و بتن‌ریزی با کمترین کاهش همگنی است. آزمایش اسلامپ، شاخص خوبی برای کارایی یا قابلیت بتن‌ریزیِ بالقوه‌ی بتن تازه است. به شکل ۲-۴ مراجعه کنید.
بتن سخت‌شده
هنگامی که قالب‌ها پس از چند ساعت یا چند روز از بتن جدا می‌شوند، بتن «جوان» نامیده می‌شود. این بتن هنوز رطوبت زیاد و مقاومت نسبتاً کمی دارد. به‌آسانی آسیب می‌بیند و باید با تکیه‌گاه نگه داشته شود، زیرا قادر به تحمل هیچ باری، حتی وزن خود، نیست.
پس از عمل‌آوری، بتن به بلوغ می‌رسد و سخت می‌شود. در این حالت، بتن ویژگی‌های لازمِ مقاومت و دوام را به دست آورده و می‌تواند بار تحمل کند. اگر به‌درستی ساخته شده باشد، ترک و دیگر عیوب ندارد و سطح آن، متناسب با الزامات شرایط مواجهه، ظاهر مناسبی خواهد داشت.
۱٫۴. نسبت آب به سیمان
نسبت مقدار آب به مقدار سیمان در بتن، «نسبت آب به سیمان» نامیده می‌شود. در گذشته، این نسبت به‌صورت حجم آب به ازای هر کیسه‌ی سیمانِ بتن بیان می‌شد؛ در دستگاه SI می‌توان این حجم را بر حسب لیتر بیان کرد. اکنون این نسبت بیشتر به‌صورت عددی اعشاری نوشته می‌شود:
توجه کنید که W/C را می‌توان با جرم آب و سیمانِ موجود در یک حجم معین از بتن، مثلاً ۰٫۰۲۸۳۱۷ یا ۰٫۷۶۴۵۵۵ مترمکعب، یک نوبت اختلاط یا تولید یک روز بیان کرد؛ در واقع، هر اندازه‌ای از واحد سنجش را می‌توان به کار برد.
با توجه به اینکه ۳٫۷۸۵۴۱ لیتر آب، طبق مقدار گرد‌شده‌ی متن اصلی، جرمی برابر با ۳٫۷۷۸۴۲ کیلوگرم دارد و جرم یک کیسه‌ی سیمان در ایالات متحده ۴۲٫۶۳۷۷ کیلوگرم است، نسبت کیلوگرم آب به کیلوگرم سیمان را می‌توان به‌سادگی به شیوه‌ی هنوز رایجِ کارگاهی تبدیل کرد؛ در دستگاه SI، به لیتر آب به ازای هر کیسه‌ی سیمان:
مثال: برای نسبت آب به سیمانِ ۰٫۴۴ کیلوگرم آب به کیلوگرم سیمان، مقدار آب به شکل زیر به دست می‌آید؛ مقدار نهایی، معادل پاسخ گرد‌شده‌ی متن اصلی است:
آزمایش‌ها و مشاهدات کارگاهیِ افراد بسیار، اهمیت رابطه‌ای را که «قانون نسبت آب به سیمان» نام گرفته است، به‌طور قطعی اثبات کرده‌اند: در محدوده‌ی مخلوط‌های عملی یا قابل‌استفاده و با ثابت‌بودن دیگر عوامل، مقاومت، دوام و دیگر خواص مطلوب بتن با نسبت آب به سیمان رابطه‌ی معکوس دارند. بااین‌حال، به دلیل تنوع فراوانِ اندازه، شکل، نوع و کیفیت سنگدانه‌ها، تفاوت سیمان‌ها حتی با وجود انطباق همه‌ی آن‌ها با مشخصات فنیِ یکسان، تفاوت مخلوط‌ها، استفاده از افزودنی‌ها و تنوع بسیار زیادِ شرایط محیطیِ اختلاط و بتن‌ریزی، باید این قانون را راهنما دانست، نه قاعده‌ای انعطاف‌ناپذیر که بدون چون‌وچرا برای همه‌ی بتن‌ها در همه‌ی شرایط صدق کند.
جمع‌شدگی ناشی از خشک‌شدن بتن، بیش از نسبت آب به سیمان، از مقدار آب در واحد حجم بتن تأثیر می‌پذیرد. همچنین به فصل ۱۲ مراجعه کنید. رابطه‌ی نسبت آب به سیمان با چند ویژگیِ بتن در فصل‌های بعد بررسی می‌شود. به شکل ۱-۲ مراجعه کنید.
با ورود مصالح دیگری که خاصیت سیمانی دارند و همراه سیمان پرتلند در بتن استفاده می‌شوند، مانند خاکستر بادی، پوزولان‌های طبیعی، سرباره‌ی کوره‌ی بلند و دوده‌ی سیلیسی، در بیشتر متون و در استاندارد ACI 318، نام سنتیِ «نسبت آب به سیمان» به «نسبت آب به مواد سیمانی» تغییر یافته است. برای اختصار، در متن این کتاب اصطلاح «نسبت آب به سیمان» حفظ و استفاده می‌شود، مگر آنکه وضوح فنی، اصطلاح دقیق‌تر را ضروری کند. خواننده همچنین باید به فصل ۱۲، بخش ۱۲٫۱ مراجعه کند.
۱٫۵. نقش افزودنی‌ها
از دیرباز معلوم بوده است که بعضی ترکیبات، وقتی به مقدار کم با بتن مخلوط شوند، بتن را هم در حالت تازه و هم در حالت سخت‌شده به‌طور محسوسی تغییر می‌دهند. افزودن کلرید کلسیم برای تسریع گیرش و کسب مقاومت و استفاده از ترکیبات شیمیایی برای کنترل هیدراتاسیون سیمان، نمونه‌هایی از این کاربردند. در دهه‌ی ۱۹۳۰، ترکیبات متعددی برای کاهش نیاز به آب، حباب‌زایی هوا، بهبود کارایی، تسریع، تأخیر و دیگر بهبودها یا تغییرات در بتن پیشنهاد شدند. این مواد که «افزودنی» نامیده می‌شوند، اکنون در صورت استفاده‌ی صحیح، در صنعت به‌خوبی پذیرفته شده‌اند. افزودنی اغلب بهترین راه برای دستیابی به بتن با خواص معین را فراهم می‌کند. از سوی دیگر، بتنِ بدون افزودنی نیز همواره قابل‌قبول بوده است. در بازار امروز، بیش از ۹۰ درصد کل بتن تولیدشده، یک یا چند افزودنی دارد تا خواص بتن را متناسب با نیازهای اجرا و شرایط مواجهه تغییر دهد و مصالح ساختمانیِ اقتصادی‌تری فراهم کند.
مبانی بتن که در فصل اول بررسی می‌شوند، درباره‌ی همه‌ی بتن‌ها، با افزودنی یا بدون افزودنی، صدق می‌کنند. افزودن یک افزودنی، بتن را تغییر می‌دهد؛ بنابراین، هنگام بررسی بتنِ دارای افزودنی باید اثر آن افزودنی را در نظر گرفت. این امر به‌هیچ‌وجه مفاهیم بنیادی را کم‌اهمیت یا بی‌اعتبار نمی‌کند؛ فقط هشدار می‌دهد که نسبت به افزودنی‌ها هوشیار باشیم و آثار آن‌ها، چه نامطلوب و چه مطلوب، را بشناسیم.
۱٫۶. بتن مرغوب و بادوام
بتنی که «بتن مرغوب و بادوام» یا «بتن باکیفیت» نامیده می‌شود، بتنی است که با بیشترین صرفه‌ی اقتصادی، الزامات سازه‌ای و زیبایی‌شناختی را در طول عمر موردنیاز سازه برآورده کند. خواصی که این بتن باید داشته باشد عبارت‌اند از:
- کارایی در حالت تازه؛
- مقاومت مطابق با طراحی، با پرهیز از مقاومت بیش‌ازحد که غیراقتصادی است و مقاومت کمتر از نیاز که خطرناک است؛
- دوام برای مقاومت در برابر حمله‌ی عوامل جوی یا مواد؛
- ثبات حجمی، یعنی کمترین جمع‌شدگی ناشی از خشک‌شدن و کمترین تغییر حجم ناشی از تغییرات رطوبت و دما؛
- نبود ترک، از طریق کاهش تمایل به ترک‌خوردگی با تأمین ثبات حجمی و اجرای درزها و تمهیدات کنترل ترک؛
- نبود عیوبی مانند حفره‌های سنگدانه‌ای، پوسته‌شدن، بیرون‌پریدگی موضعی، نرمی سطح و حفره‌های سطحیِ ناشی از هوا؛
- آب‌بندی، در مواردی که لازم است؛
- صرفه‌ی اقتصادی؛
- ظاهر مناسب.
برای دستیابی به چنین بتن باکیفیتی، باید از مصالح مرغوب آغاز کرد، نسبت‌های اختلاط را به‌درستی تعیین کرد و اختلاط و بتن‌ریزی را صحیح انجام داد؛ همچنین بازرسی و آزمایش کافی برای تأیید کیفیت لازم است. تأمین این نوع بتن، از زمان شکل‌گیری پروژه و در سراسر عمر آن، به مدیریت مسئولانه نیاز دارد.
۱٫۷. آسیب‌دیدگی و خرابی بتن
بتن و ملات، تنها مصالح ساختمانی‌اند که در محل کارگاه ساخته می‌شوند. با وجود تأثیرپذیری از همه‌ی تغییرات آب‌وهوا، مصالح و روش‌ها، بتن در شرایط صحیحِ طراحی، اجرا و کنترل، همچنان از قابل‌اعتمادترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. کاربرد آن تقریباً همه‌ی انواع ساخت‌وساز، از خانه‌ی کوچک یک خانواده تا ساختمان‌های بلندمرتبه، بزرگراه‌ها، سدها و دیگر پروژه‌های بزرگ را در بر می‌گیرد.
همانند همه‌ی مصالح، گاهی مشکلاتی پیش می‌آید و ممکن است با بتنی روبه‌رو شویم که عملکرد مورد انتظار را ندارد. آسیب‌دیدگی و خرابیِ بتن تصادفی نیست؛ خرابی‌ها صرفاً رخ نمی‌دهند، بلکه علت دارند. در جایی از روند کار، کسی بر اثر ناآگاهی یا بی‌دقتی، یا به امید نادرستِ صرفه‌جویی اندکی در هزینه، شرایطی ایجاد کرده یا اجازه داده است شرایطی برقرار شود که به آسیب‌دیدگی یا خرابی بتن انجامیده است. آسیب‌دیدگی‌ای که در بتن می‌بینیم، یک نشانه یا مجموعه‌ای از نشانه‌هاست که وجود اشکال را در جایی نشان می‌دهد. در بعضی موارد، تنها کاری که می‌توانیم انجام دهیم، برطرف‌کردن یا پوشاندن نشانه است؛ مانند زمانی که برای تسکین سردرد آسپرین می‌خوریم. در موارد دیگر می‌توان مشکل اصلی را ریشه‌کن و علت نشانه را حذف کرد؛ همان‌گونه که با برداشتن آپاندیس یا درمان یک بیماری عمل می‌کنیم.
در مورد بتن نیز همین‌طور است. برای مثال، گاهی تنها کاری که می‌توان انجام داد، ترمیم ترک‌ها و در نتیجه پوشاندن نشانه است. از سوی دیگر، می‌توان از ابتدا از شرایط یا مصالح ترک‌زا اجتناب کرد و به این ترتیب، از مشکل بنیادی‌ای که بعداً به‌صورت ترک ظاهر می‌شود، جلوگیری کرد.
متأسفانه، علت آسیب‌دیدگی را به‌ندرت می‌توان به یک عامل منفرد نسبت داد؛ معمولاً چند علت در ایجاد آن سهم دارند. به‌طور کلی، آسیب‌دیدگی ناشی از مصالح نامناسب، اجرای نادرست یا محیط است.
نخستین گام در رسیدگی به بتنِ دارای آسیب یا فرسودگی، طبقه‌بندی آسیب است. این کار به تشخیص کمک می‌کند، زیرا می‌توان نیروهای ایجادکننده‌ی هر نوع آسیب را به‌صورت کلی دسته‌بندی کرد و در نتیجه، دامنه‌ی عوامل مخرب احتمالی را محدود ساخت. پس از این طبقه‌بندی، می‌توان علت را تعیین کرد. فرایند تشخیص ممکن است بسیار ساده و تقریباً خودکار باشد یا پیش از شناسایی علل بنیادی، به بررسی‌های پیچیده و فشرده‌ی کارآگاهی نیاز داشته باشد. گاهی آنچه علت بدیهی به نظر می‌رسد، اصلاً علت نیست یا فقط یکی از چند عامل مؤثر در خرابی است. بررسی‌کننده باید همه‌ی واقعیت‌های احتمالاً مهم را در نظر بگیرد؛ از جمله منشأ مصالح به‌کاررفته در ساخت، شرایط بارگذاری، روش‌های اجرا، عوامل طراحی، شرایط مواجهه، وجود مواد یا نیروهای مهاجم، شواهد آسیب اتفاقی مانند برخورد وسایل نقلیه و شرایط پی.
پس از شناساییِ مشخصِ علت، اقدامات اصلاحی انجام می‌شوند. این اقدامات شامل حذف علت، تغییر سازه برای توانمندکردن آن در برابر اثر مخرب، بازسازی بخش‌های آسیب‌دیده‌ی سازه و محافظت برای جلوگیری از آسیب بیشتر، کنارگذاشتن سازه و ساخت سازه‌ای جدید با توان مقاومت در برابر آن اثر، یا ترکیبی از این اقدامات است.
۱٫۸. پنج اصل بنیادی۱٫۲
پنج اصل بنیادیِ ساخت‌وساز بتنی عبارت‌اند از بررسی محل احداث، طراحی سازه، انتخاب مصالح و مخلوط، کیفیت اجرای عملیات مربوط به مصالح و بتن، و نگهداری سازه در سراسر عمر آن. در ادامه، بررسی کنید که هر یک از این پنج اصل چگونه به ایجاد بتن مرغوب و بادوام کمک می‌کند.
۱) بررسی محل احداث
برای هر سازه، هرقدر هم کم‌اهمیت باشد، نوعی بررسی محل احداث انجام می‌شود. این بررسی برای طراحی صحیح سازه مهم است و بر انتخاب مصالح و مخلوط تأثیر محسوسی دارد. بدون بررسی کامل همه‌ی ویژگی‌های محل، نه طراحی سنجیده ممکن است و نه استفاده‌ی منطقی از مصالح موجود. بررسی صحیح محل احداث، رویکردی سه‌جانبه دارد: بررسی مناسب‌بودن محل برای تأمین الزامات سازه، بررسی توانایی پی در تحمل ایمنِ بارهای مورد انتظار، و بررسی وجود نیروها یا موادی که ممکن است به بتن حمله کنند.
در این بررسی، حمله‌ی شیمیایی یا مکانیکیِ عوامل بیرونی مورد توجه است. حمله‌ی شیمیایی در حضور آب تشدید می‌شود؛ عمدتاً به این دلیل که آب وسیله‌ای برای رساندن مواد به تماس نزدیک با بتن است و حتی آن‌ها را از طریق ترک‌ها، کرموشدگی یا منافذ سطحی به درون بتن منتقل می‌کند.
اثرهای چرخه‌ایِ عوامل جوی می‌توانند از دو راه مخرب باشند: نخست، با انبساط و انقباض متناوب بتن که آن را تا حد ترک‌خوردگی تحت تنش قرار می‌دهد؛ دوم، با ورود محلول‌های مخرب به ترک‌هایی که به این ترتیب ایجاد شده‌اند.
۲) طراحی سازه
طراحی سازه باید کافی و مناسب باشد و مهندسان صلاحیت‌دار، آن را مطابق روش‌های ایمنِ پذیرفته‌شده انجام دهند. نمی‌توان سازه را با فرایندی ازپیش‌تعیین‌شده طراحی کرد که فقط به توانایی خواندن جدول مقادیر یا برداشت یک مقدار از نمودار نیاز داشته باشد. طراحی مناسب سازه و اطمینان از انجام همه‌ی اقدامات ممکن برای تأمین ایمنی و صرفه‌ی اقتصادیِ طراحی، بر پایه‌ی نتایج بررسی محل، به درایت و تجربه نیاز دارد. خرابی یا آسیب‌دیدگی ممکن است از ترک‌های کششیِ کوچک تا شکست کامل کل سازه متغیر باشد. برای سازه‌ای که بر اثر طراحی نامناسب نشانه‌های آسیب‌دیدگی دارد، جز راهکارهای موقتی برای مهاربندی و تأمین تکیه‌گاه اضافی، کار چندانی نمی‌توان انجام داد. طراحی باید توانایی کارگران و ماشین‌آلات را نیز در نظر بگیرد تا قالب‌بندی و دیگر عملیات اجرا آسان‌تر شوند.
۳) انتخاب مصالح و مخلوط
در بسیاری از موارد، منشأ آسیب‌دیدگی، مصالح معیوب یا نسبت‌های اختلاط نامناسب بوده است. در بیشتر موارد، مصالح موجود چندین سال برای ساخت بتن استفاده شده‌اند. اگر چنین باشد، باید سابقه‌ی این مصالح و سازه‌های ساخته‌شده با آن‌ها بررسی شود. اطلاعات حاصل از این مطالعه نشان خواهد داد که مصالح موردنظر مناسب‌اند یا خیر. در هر بررسیِ این‌چنینی باید به یاد داشت که حتی با استفاده از مصالح مرغوب نیز، اگر در تعیین نسبت‌ها و عملیات مربوط به مصالح و بتن دقت کافی به کار نرود، ممکن است بتن نامرغوب تولید شود. در بسیاری از موارد، به‌ویژه درباره‌ی سازه‌هایی که سال‌ها پیش ساخته شده‌اند، اطلاعات دقیقی از مصالح و روش‌های به‌کاررفته وجود ندارد. بااین‌حال، سابقه و شهرت مصالح محلی باید با دقت در نظر گرفته شود.
برای پروژه‌های بزرگ و مهم، یا در هر موردی که داده‌های تاریخی وجود ندارد، مناسب‌بودن مصالح باید با آزمایش تعیین شود. این آزمایش‌ها نباید به‌عنوان معیاری انعطاف‌ناپذیر برای پذیرش یا رد مصالح استفاده شوند، زیرا تفسیر و به‌کارگیری آن‌ها به قضاوت مهندسیِ صحیح نیاز دارد.
هدف تعیین نسبت‌های مخلوط بتن، تولید بتنی با بیشترین صرفه‌ی اقتصادی است که کارایی، مقاومت، دوام و نفوذناپذیریِ کافی برای برآوردن شرایط بتن‌ریزی، مواجهه، بارگذاری و دیگر الزامات سازه داشته باشد. برای پروژه‌های بزرگ و مهم، همواره باید مخلوط‌های آزمایشی در شرایط آزمایشگاهی و با مصالح پیشنهادی ساخته شوند. در مواردی که اطلاعات کافی درباره‌ی مصالح موجود در دسترس نیست نیز باید این مخلوط‌ها تهیه شوند. نسبت‌های این مخلوط‌ها، در صورت اقتضای شرایط، در کارگاه قابل بازنگری‌اند. معمولاً مقاومت، نسبت آب به سیمان، حداکثر اندازه‌ی سنگدانه و اسلامپ مشخص می‌شوند و نسبت سیمان، سنگدانه‌ها، هوای عمدیِ حباب‌زایی‌شده و افزودنی‌ها با این مخلوط‌های آزمایشی تعیین می‌شود.
۴) کیفیت اجرای عملیات مربوط به مصالح و بتن
احتمالاً بیشترین سهمِ آسیب‌دیدگی بتن، ناشی از روش‌های نامناسبِ عملیات مربوط به اجزا و خود بتن، پس از ترکیب اجزا در دستگاه پیمانه‌زن، بوده است. بسیاری از کاستی‌های کوچک که ظاهر نامناسبی دارند، اما لزوماً جدی نیستند نیز در این خرابی‌های جزئی قرار می‌گیرند. بااین‌حال، باید به یاد داشت که مشکلات جدی غالباً از مسائل کوچک آغاز می‌شوند و یک عیب سطحیِ کوچک می‌تواند به عیبی عمده تبدیل شود.
این کیفیت اجرا، آماده‌سازی سنگدانه‌ها، پیمانه‌کردن، اختلاط، حمل، بتن‌ریزی و عمل‌آوری را در بر می‌گیرد. دوره‌ی ساخت، آخرین فرصت برای اطمینان از ساخت صحیح سازه است. بهبود روش‌ها و تجهیزات، ادامه‌ی روش‌های نامناسب اجرا را هر روز دشوارتر می‌کند؛ اما این روش‌ها همچنان وجود دارند و هوشیاریِ کسانی که مسئولیت این مرحله‌ی ساخت را بر عهده دارند، ضروری است.
۵) نگهداری سازه در سراسر عمر آن
معنای این اصل همان است که از عنوان آن برمی‌آید: بازرسی سازه در فواصل زمانیِ معقول برای تعیین اینکه آیا فرسودگیِ غیرعادی رخ می‌دهد یا خیر، همراه با محافظت یا تعمیر کافی برای به‌حداقل‌رساندن فرسودگی.
کاربرد پنج اصل بنیادی
روشن است که با توجه به پیامدهای احتمالیِ خرابی یا هزینه‌ی تعمیر و جایگزینی، بعضی سازه‌ها و بخش‌هایی از برخی سازه‌ها از بقیه مهم‌ترند. برای مثال، می‌توان پی و ستونِ زیرزمینِ یک ساختمان بلندمرتبه با قاب بتنی را با دال مسیر سواره‌رو در پارکینگ مجاور مقایسه کرد. بااین‌حال، هیچ بهانه‌ای برای اجرای بی‌دقت و بدظاهر وجود ندارد. ساخت بتن مرغوب و بادوام، هم با ساده‌ترین تجهیزات و هم با پیشرفته‌ترین امکانات کارخانه‌ای ممکن است. پنج اصل بنیادی را می‌توان به شیوه‌ای مناسب و محدود در کارهای کوچک به کار برد و در پروژه‌های بزرگ، با همان جزئیات کامل و گسترده‌ای اجرا کرد که از چنین پروژه‌هایی انتظار می‌رود.
در این کتاب، به اصل سوم، یعنی انتخاب مصالح و مخلوط، و اصل چهارم، یعنی کیفیت اجرای عملیات مربوط به مصالح و بتن، می‌پردازیم.
منابع فصل اول
۱٫۱. اسمایلز، ساموئل، «زندگی مهندسان»، انتشارات جان موری، خیابان آلبرمارل، لندن، ۱۸۶۱.
۱٫۲. بخش‌های ۱٫۸ و ۲۴٫۷ اقتباس شده‌اند از: وادل، جوزف جی.، «کنترل کیفیت عملیِ بتن»، انتشارات مک‌گروهیل، نیویورک، ۱۹۶۲.