up icon

اجزای تشکیل دهنده ی بتن :

  1. سیمان
  2. آب
  3. تجمیع
  4. افزودنی های معدنی
  5. تقویت و فیبرها
  6. افزودنی های شیمیایی

سیمان ( چسب بتن ) :

همانطور که در بخش قبل تعریف شده است، ما از کلمه سیمان خود به معنای پودر غیر واکنشی خشک استفاده خواهیم کرد. هنگامی که آب اضافه می شود، رب سیمان می شود - چسب که با هم بتن می گیرد. این مونولوگ بر روی سیمان سیلیکات کلسیم، همچنین به عنوان سیمان پورتلند شناخته می شود. این توجیه است زیرا سیمان پرتلند بیشتر در سراسر جهان از سایر انواع سیمان استفاده می شود. نام "سیمان پرتلند" در دهه 1820 به وجود آمد، زیرا یکی از توسعه دهندگان اولیه سیمان سیلیکات کلسیم مدرن، و انگلیسی به نام جوزف آسپدین، فکر کرد که خمیر سخت شده، شباهتی به سنگ آهک پورتلند، یک سنگ مصنوعی معمولی که در جزیره پورتلند ساخت یک مصالح ساختمانی ساختمانی، نامی است که به سختی و دوام سنگ مربوط می شود، البته یک حرکت بازاریابی است. امروزه نامهای تجاری معروف مانند SheetRock و DuraRock شناخته شده است.
سیمان مدرن پورتلند در انواع مختلفی از زیر شاخه ها قرار دارند، به منظور بهینه سازی خواص برای کاربردهای خاص و شرایط محیطی. بحث در مورد این جزئیات جزء اهداف این تفسیر نیست. جامعه آمریکایی مواد آزمایشگاهی (ASTM) پنج نوع متمایز از سیمان پرتلند را برای استفاده عمومی تعریف می کند، که توسط عدد رومی I-V تعیین شده است. طبقه بندی مشابه در کانادا وجود دارد. واکنش های شیمیایی، ریزساختار و خواص کلی سیمان ساخته شده با سیمان نوع I-V پرتلند کاملا مشابه هستند و از این نقطه به جلو، اصطلاح "سیمان" به معنای یکی از این انواع پایه به معنای آن است که در غیر این صورت مشخص شود. این نوع سیمان معمولی Portland نامیده می شود، به طور گسترده "OPC" نامیده می شود. تفاوت اصلی بین انواع مختلف OPC، نسبت نسبی چهار مواد معدنی اصلی سیمان و نسبت به سیمان است. این مسائل به طور خاص در فصل 3 مورد بحث قرار می گیرد، زمانی که ما تولید سیمان را پوشش می دهیم. فرمولاسیون های مختلف سیمان پرتلند به دو دلیل اصلی وجود دارد: کنترل میزان هیدراتاسیون اولیه (سریعتر یا کندتر شدن آن) و ارائه سیمان مناسب برای استفاده در مکان هایی که خاک و آب های زیرزمینی حاوی سولفات ها هستند که می توانند باعث دوام شوند مشکل حمله سولفات مسائل مربوط به میزان و گرما هیدراتاسیون در بخش 5.6 به طور دقیق مورد بحث قرار گرفته و حمله سولفات در بخش 12.3 پوشش داده شده است.

آب :

هر کس می داند که آب برای ساختن بتن مورد نیاز است، اما به همین دلیل است که سردرگمی زیادی وجود دارد. یک تصور اشتباه عمومی وجود دارد که آب فقط برای شروع واکنش سیمان اضافه می شود و هنگامی که بتن در جای خود قرار دارد، فرآیند سخت شدن آن به وسیله خشک شدن آن "کمک خواهد کرد". هیچ چیز نمی تواند بیشتر از حقیقت باشد! آب بخشی جدایی ناپذیر از محصولات واکنش است که رب سیمان و بتن را به قدرت می رساند و فقط در مورد بدترین چیزهایی که می تواند بتن جوان را خشک کند، می شود. در واقع، رب سیمان و بتن سخت می شود و قدرت زیر آب را به دست می آورند.
دو دلیل اصلی وجود دارد که خشک شدن بتن بد است. اولا واکنش بین سیمان و آب (هیدراتاسیون) برای چند روز و چند هفته پس از مخلوط شدن اولیه ادامه دارد. اگر آب با خشک شدن برداشته شود، این واکنش ها متوقف می شود و بتن نمی تواند قدرت بیشتری به دست آورد. دوم، هنگامی که خشک می شود، بتن کاهش می یابد. به طور خاص، مولکول رطوبت سیمان بتن به دلیل سیستم منافذ آن کاهش می یابد. این انقباض در درجه اول به تنش سطحی آب مرتبط است و همان فرایند به راحتی مشاهده می شود زمانی که یک اسفنج آشپزخانه خشک می شود و به نصف اندازه مرطوب آن کاهش می یابد. چرا این برای بتن بسیار بد است؟ بر خلاف یک اسفنج، بخش بزرگی از بتن نمی تواند به علت اندازه و وزن آن بزرگتر به طور یکنواخت کوچک شود. در عوض، سطح خشک می شود، در حالی که داخلی مرطوب است. همانطور که سطح خشک می شود، سعی می کند آن را کاهش دهد، اما نمی تواند دلیل این باشد که بتن در کنار آن در داخل با آن کوچک نیست. این لایه سطحی بتن را به حالت تنش تبدیل می کند. هنگامی که این استرس کششی بیش از قدرت بتن است، آن را ترک می کند. ترک خوردگی بتن را کاهش می دهد، با ارائه دسترسی آسان به آب و یون های خورنده، دوام کمتری دارد و البته ناخوشایند است. به همین دلیل، پیمانکاران خوب اقدامات دقیقی را برای نگهداری سطح مرطوب بتن تازه انجام می دهند، اغلب با پوشاندن آن با کیسه های پلاستیکی یا مرطوب. این در روزهای گرم و باد گرم بسیار مهم است. هنگامی که بتن قدیمی تر و قوی تر است، قادر به مقاومت در برابر استرس خشک شدن بدون ترک خوردن است. با این حال، بتن در هر سنی بهتر از مرطوب تر است. خشک کردن رب سیمان و انقباض مربوطه جنبه ی مهمی از علم بتن هستند و بعدا در مونوگراف بیشتر مورد بحث قرار می گیرند.
یکی دیگر از مسائل مهم مربوط به آب مخلوط مقدار است که در رابطه با مقدار سیمان اضافه شده است. این پارامتر مهم نسبت آب / سیمان یا "w / c" نامیده می شود و همیشه به وزن آب و سیمان اشاره دارد. (هنگامی که فیدر حاوی چیزهایی غیر از سیمان باشد، ممکن است به اختصار "w / b" باشد). برای طراحی مخلوط در بخش قبلی، w / c 0.6 است که بسیار معمول است. اگر چه جنبه های بسیاری از طراحی مخلوط بتن و فرآیند پخت است که بر خواص نهایی بتن تاثیر می گذارد، احتمالا مهمترین ویژگی W / C است. اگر W / C خیلی کم باشد، بتن سفت و چسبیده خواهد بود و برای قرار دادن آن دشوار خواهد بود. با این حال، پایین W / C، بتن نهایی قوی تر و با دوام تر است. این آسان است که درک شود هنگامی که کسی متوجه است که هر فضای در بتن تازه است که در اصل توسط آب مخلوط اشغال شده به پایان خواهد رسید به عنوان تخلخل در بتن سخت است. پوسته شدن قدرت ذاتی را کاهش می دهد و باعث می شود که بتن به خوردگی، کرک شدن و ریزش بسپارد. به همین دلیل، w / c باید کم باشد، به این معنی که فقط به اندازه کافی بالا باشد تا بتوان بتن را به درستی قرار داد. این بستگی به بسیاری از عوامل مانند مقدار، اندازه و شکل جمع (به بخش بعدی) بستگی دارد، ریز سیمان، نوع قالب یا قالب بتن قرار داده شده و نوع تقویت است. همچنین مواد شیمیایی خاصی به نام آبرسانی یا پلاستیسایزرها وجود دارد که می تواند به مخلوط اضافه شود که کارایی را بهبود می بخشد و بنابراین مقدار آب مورد نیاز را کاهش می دهد.

تجمیع :

تمرکز این مقاله، واکنش شیمیایی و ریز ساختار رب سیمان است. ما تقریبا به طور کلی در مورد جمع بندی صحبت نخواهیم کرد، که عمدتا در فضای بتن قرار دارد. مهمترین ویژگی های بتن، قدرت آن (چقدر است که بار آن می تواند پشتیبانی کند) و دوام آن (مدت زمان طولانی در محیط اطراف خود) است. برای تقریب اول، هر دو توسط رب سیمان به جای مجموع جمع شده کنترل می شوند. در مورد قدرت، این به این دلیل است که ذرات جامد به طور معمول بسیار قوی تر از خمیر سیمان هستند، بنابراین بتن می افتد (شکست خوردن) هنگامی که قدرت ماتریس خمیر سیمان ضعیف تر از حد بالاتر است. وضعیت مشابهی با دوام دارد. رطوبت سیمان ذاتا آسیب زیست محیطی نسبت به کل دانه به علت سیستم منافذ آن است که به آب و یون های محلول وارد می شود و رب را ترک می کند.
با این حال، برخی از راه هایی وجود دارد که خواص بتن تحت تأثیر جمع قرار می گیرند، و این در این مونوگراف بحث خواهد شد. کارایی (سازگاری) بتن تازه، که تعیین کننده این است که چگونه بتن را به راحتی بچسبانید، بستگی به شکل و اندازه توزیع ذرات جامد دارد. ساختار خمیر سیمان در یک منطقه باریک اطراف ذرات جامد متخلخل نسبت به خمیر سیمان بزرگ است که بر خواص چندمی اثر می گذارد. این ناحیه انتقال ناحیه بین فاز (ITZ) نامیده می شود. در نهایت، در برخی موارد، کلر با رب سیمان واکنش می دهد و باعث ترک خوردگی، گسترش و بدتر شدن می شود.

افزودنی های معدنی :

اگر میخواهید بتن را به همان اندازه ارزان و سازگار با محیط زیست بسازید، چه چیزی میتواند بهتر از پرتاب در شن و ماسه و سنگها باشد؟ خوب، بهتر است چیزی را که در واقع یک ماده مزاحم است بکشید تا از شر آن خلاص شوید. بسیاری از فرایندهای صنعتی مانند سوختن زغال سنگ، تولید آهن و فولاد و حتی صنعت نیمه هادی، مقدار زیادی از ضایعات زباله تولید می کنند که باید منتقل شوند و در دفن زباله ها ذخیره شوند. پس چرا آنها را به جای بتن قرار ندهید؟ بهترین قسمت این است: این مواد نه تنها پرکننده های بی اثر هستند، بلکه در واقع به همراه سیمان واکنش نشان می دهند (هیدرات). این بدان معنی است که آنها کل دانه را جایگزین نمی کنند (ذرات به طور کلی برای آن بسیار خوب هستند)، آنها سیمان را جایگزین می کنند که بهتر است. با استفاده از سیمان کمتر در بتن، هزینه کل انرژی و انتشار CO2 در بتن کاهش می یابد. و فرض بر این است که هزینه مواد جانبی تولیدی اسمی است، همچنین صرفه جویی در هزینه نیز وجود دارد. شاید بهتر از همه، خواص نهایی بتن مانند قدرت و دوام آن در واقع بهتر از بتن معمولی است! در اروپا، سیمان مخلوط تقریبا همیشه استفاده می شود و اصطلاح "سیمان پرتلند" به معنای سیمان مخلوط است. در ایالات متحده استفاده از مواد افزودنی باید مشخص شود و سیمان مخلوط کمتر رایج است
آیا سیمان مخلوط به سمت پایین وجود دارد؟ متاسفانه بله. برخی از مواد جانبی تولیدی بهتر از دیگران کار می کنند و هیچ کدام از آنها به اندازه سیمانی که آنها جایگزین می شوند، واکنش نشان نمی دهند. این به این معنی است که ابتدا سیمان را برای شروع و سخت تر می کند. صنعت ساخت و ساز بی وقفه است: زمان پول در یک محل کار است. پیمانکاران می خواهند بتوانند در اسرع وقت از اشکال چوبی که بتن تازه را احاطه کرده و یا کامیون خود را در جاده ی تازه ریخته می کنند را حذف کنند، بنابراین هر چیزی که واکنش اولیه را کند می کند، نامطلوب است. مسئله دیگری هزینه است از آنجا که جنبه های سودمند این افزودنی ها در حال حاضر به خوبی شناخته شده، آنهایی که به بهترین شکل کار می کنند، مانند سیلیکا دود، در حال حاضر گران تر از سیمان است. افزودنی هایی که هنوز گرانتر هستند (مانند خاکستر پرواز)، آنهایی هستند که آهسته تر واکنش نشان می دهند یا آلودگی های نامطلوب مانند گوگرد دارند. از آنجاییکه افزودنی های مواد معدنی حاوی ترکیب کننده واکنشی مانند سیمان هستند، در این مقاله به طور گسترده مورد بحث قرار می گیرند.

تقویت و فیبر ها :

بتن در فشرده سازی بسیار قوی تر از تنش است. این یعنی چی؟ تصور کنید یک بلوک بتنی روی کف قرار دهید و سپس به سمت راست بالای سطح بالا بروید. این بارگذاری فشرده است. اکنون تصور کنید که بلوک را به سقف وصل کرده و به سمت پایین به سمت پایین بکشید. این بارگیری کششی است. اندازه گیری مقدار استرس (مقدار نیروی تقسیم بر روی سطح مقطع بلوک) مورد نیاز برای شکستن بلوک در این دو حالت می تواند قدرت فشاری و استحکام کششی را نشان دهد. شما متوجه شدید که قدرت فشاری بلوک چیزی شبیه به ده برابر بزرگتر از قدرت فشرده است. در حقیقت، به طور ایمن، مهندسان معمولا فرض می کنند که بتن دارای قدرت کششی صفر است!
چرا این هست؟ بتن یک ماده شکننده است و زمانی که مواد شکننده شکسته یا نقص دیگری در آنها وجود دارد، این نقص ها به سرعت رشد می کنند به عنوان ماده کشش در تنش. بارگذاری فشاری موجب رشد نقص ها نمی شود و به همین دلیل آنها نیروی محکمی را تحت تاثیر قرار نمی دهند. اگر مواد شکننده حاوی هیچ نقصی نباشد، تقریبا همان قدر قوی است که در فشرده سازی وجود دارد. هرچند هنوز استفاده از مواد شکننده در تنش هنوز مناسب نیست. با این وجود تقریبا غیرممکن است که یک بتن ساخته شود که حاوی نقاط ضعف بزرگ مانند ترک ها و حباب های هوا نیست. بنابراین مهندسان ساختارهای ساختمانی را به گونه ای طراحی می کنند که بتن فقط انتظار می رود که بارهای فشاری را پشتیبانی کند. با این وجود، این مشکلات را به وجود می آورند، زیرا اعضایی افقی مانند پرتوها تحت فشار خمش قرار می گیرند. هنگامی که یک پرتو خم می شود، آن را به شکل کمی منحنی فرض می کند و قسمت داخلی منحنی به فشرده سازی اعمال می شود و قسمت بیرونی منحنی به کشش وارد می شود.
این ما را به بتن مسلح می آورد. برای اجازه دادن به بتن برای حمایت از بارهای خمشی، میله های فولادی درون بتن در مناطقی قرار می گیرند که انتظار می رود در کشش باشند. در اغلب موارد، بارها به سمت پایین اعمال می شوند، بنابراین این نیمه پایین تر از یک عضو افقی است. هنگامی که پرتو خم می شود، بتن از بارهای فشاری پشتیبانی می کند و میله های فولادی از بارهای کششی پشتیبانی می کنند. تقویت فولاد همچنین به مقاومت بتن در برابر نیروهای کششی مرتبط با انقباض خشک کمک می کند. ما در مورد این تقویم تقویت کننده فولاد (ترانسفورمر) صحبت نمی کنیم. از لحاظ فنی، این میلگرد بخشی از بتن نیست و استفاده صحیح از تقویت، مسئله مهندسی است. با این حال، برخی از مسائل علمی مرتبط با میلگرد وجود دارد. یکی از خوردگی (زنگ زدگی) فولاد توسط یونهای کلرید است که به آسانی از طریق رول سیمان پخش می شود تا به تقویت داخلی برسد. یون های کلرید عمدتا با نمک ضد آبی روی جاده ها ارتباط دارند، اما در آب دریا نیز وجود دارد. زنگ زدن فولاد یک واکنش گسترده است که منجر به ترک خوردگی و تضعیف بتن می شود.
یک راه برای ساختن بتن کمتر شکننده و مستعد ترک خوردن است، افزودن الیاف. از آنجا که فیبرها در تنش قوی هستند، آنها به جلوگیری از رشد ترک و ایجاد مقاومت در برابر انقباض می شوند. آنها همچنین مقاومت و مقاومت سایشی بتن را افزایش می دهند. با این وجود، آنها با قدرت فشاری زیاد کار نمی کنند. بتن مسلح شده بر روی فیبر (FRC) نمونه ای از یک کامپوزیت تقویت شده فیبر، یک طبقه از مواد است که شامل فایبرگلاس و کامپوزیت های فیبر کربن با کارایی بالا برای کاربردهای هوا فضا و کالاهای ورزشی است. انواع مختلفی از الیاف در بتن، از جمله فولاد، شیشه، پلاستیک و سلولز استفاده می شود. الیاف آزبست به خوبی با بتن کار می کنند، اما دیگر به علت خطرات بهداشتی مرتبط با پردازش الیاف استفاده نمی شوند.
دو ضعف افزودن الیاف، قابلیت کار و هزینه را کاهش می دهند. FRC برای مخلوط کردن، ریختن و جایگزینی دشوارتر است زیرا الیاف از بتن به راحتی جریان می یابند. الیاف همچنین نسبت به مواد دیگر مورد استفاده در بتن گرانتر هستند. در برخی موارد، با تغییر طراحی طراحی مخلوط، به عنوان مثال با استفاده از w / c پایین، خواص بهبود یافته حاصل از افزودن الیاف می تواند با هزینه پایین تر به دست آید. در حال حاضر FRC در درجه اول برای کاربردهای پوشیدنی مانند روسازی و طبقه صنعتی و مخصوصا برنامه های کاربردی مانند تکه های تعمیر استفاده می شود.

افزودنی های شیمیایی :

افزودنی های شیمیایی مواد شیمیایی محلول در آب هستند که در مقادیر نسبتا کوچک به بتن اضافه می شوند تا خواص خاصی را تغییر دهند. شناخت چگونگی کارکرد مواد شیمیایی و طراحی مواد افزودنی جدید و پیشرفته، یکی از جنبه های مهم تحقیقات سیمان است. همانطور که با الیاف و دیگر مواد مهندسی شده که ممکن است به بتن افزوده شود، توجه زیادی به هزینه است. مواد افزودنی شیمیایی یک صنعت بزرگ و سودآور هستند که دارای حاشیه سود بسیار بالاتری نسبت به سیمان پورتلند می باشند و به طور معمول به عنوان فرمول نام تجاری خاص به فروش می رسند. در زیر برخی از دسته های شایع تر از مواد شیمیایی هستند. نحوه عمل آنها و تاثیر آن در خواص سیمان و بتن، در جزئیات این مقاله بیشتر توضیح داده خواهد شد.
شتاب دهنده ها: اینها مواد شیمیایی هستند که میزان هیدراتاسیون سیمان را افزایش می دهند تا سیمان سریع تر شود. شایعترین علت استفاده از شتاب دهنده سرعت ساخت و ساز با کاهش زمان لازم برای بتن به حداقل برخی از ظرفیت تحمل بار. این به خصوص در هوای سرد مفید است، زمانی که سرعت اولیه هیدراتاسیون می تواند دو یا سه بار کندتر از آب و هوای گرم باشد. با این حال، شتاب دهنده ها تأثیر منفی بر قدرت و خواص دیگر دارند. شتاب دهنده بسیار ارزان و موثر کلرید کلسیم است.
عقب ماندگی ها: اینها مخالف شتاب دهنده ها هستند؛ آنها هیدراتاسیون اولیه را آرام می کنند. آنها عمدتا برای تمدید دوره کارکرد بتن تازه استفاده می شوند. این در شرایط مختلف مطلوب است. هنگامی که چندین لایه بتن در بالای یکدیگر ریخته می شوند، بهتر است که اولین لایه تا زمانیکه لایه آخر ریخته نشود تنظیم نشده است. در بعضی موارد، انتقال بتن از گیاه آماده سازی آماده به محل ساخت و ساز طولانی تر از دوره نرمال کارآیی است. بر خلاف شتاب دهنده ها، استفاده از گیرنده های عقب مانده تمایل به آسیب رساندن به خصوصیات بلند مدت بتن را ندارد. شکر (از جمله سس قارچ، قند جدول) یک رقیق کننده ارزان و موثر است.
عوامل تهیه هوا: اینها مواد شیمیایی هستند که بتن کمتر قابل آسیب به علت انجماد آب در منافذ می شود. آنها باعث تشکیل حباب های بسیار کوچک هوا در بتن در هنگام مخلوط شدن می شوند، و در نتیجه یک سیستم از حفره های تقریبا کروی است که به طور مساوی در سراسر خمیر سیمان سخت شده توزیع می شود. این یک سیستم هواساز نامیده می شود، اگر چه می تواند حفرات را نیز با مایع منفذ بسته به شرایط رطوبت پر شود. هنگامی که مایع منفرد یخ می شود، آن را گسترش می دهد. سیستم خالی هوا فضای اضافی برای ورود یخ فراهم می کند، به طوری که تنش های زیادی ایجاد نمی کند که بتن را آسیب برساند. عوامل نفوذ هوا نباید بر قدرت مقاومت بتن تاثیر بگذارند، زیرا حفره های هوا که ایجاد می شوند، کوچکتر از حفره های معمولی هوا هستند که در حین مخلوط همیشه در تعداد کمتر شکل می گیرند. استفاده آنها عمل استاندارد در هر محيطی است که ممکن است هوای سرد و خشکی را تجربه کند و احتمالا شایع ترین مواد افزودنی شیمیایی است.
ردگیرهای آب / پلاستیک: اینها مواد شیمیایی هستند که باعث بهبود کارایی رب ها می شود. این اجازه می دهد تا w / c پایین تر برای کارایی داده شده مورد استفاده قرار گیرد، در نتیجه بتن با کیفیت بالاتر. این مواد شیمیایی نیز دارای اثرات عقب ماندگی و هوای نفوذی هستند که غلظت هایی را که می توان از آنها استفاده کرد (و در نتیجه اثر آنها) را محدود می کند. نسخه های متعارف این مواد شیمیایی، گاهی اوقات به عنوان گیرنده های آب کمینه، کاهش می دهد تا 5/15 درصد کاهش می یابد، پس از عقب ماندگی بیش از حد و جذب هوا رخ می دهد. یک نسخه دیگر از این مواد شیمیایی، به نام Superplasticizers یا ردیفهای آب سطحی بالا، می تواند در غلظت های بالاتر استفاده شود و باعث کاهش بیشتر در w / c تا 30٪ می شود. هنگامی که استفاده از Superplasticizers برای به دست آوردن کاهش بسیار بزرگ در w / c استفاده می شود، قدرت با مقدار زیادی که بتن به طور خاص به عنوان "بتن با مقاومت بالا" اشاره کرد. اگر w / c به طور قابل توجهی کاهش نیافته است، نتیجه بتن است که بسیار جسورانه است و نیازی به تثبیت مکانیکی ندارد. در این مورد، نام های خاص "self leveling" یا "self consolidating" بتن استفاده می شود.
منبع : http://iti.northwestern.edu/

viewer icon 536