بتن مسلح چیست؟
بتن مسلح یا بتن آرمه یکی از انواع بتن‌های قابل استفاده برای ساخت اعضای باربر و غیر باربر سازه‌های عمرانی است که معمولا از ترکیب بتن معمولی با المان‌های تقویت‌کننده نظیر میلگرد یا الیاف فولادی تشکیل می‌شود. بتن مسلح، کاربردهای فراوانی در مهندسی سازه دارد. این مصالح ساختمانی به عنوان مهم‌ترین رقیب پروفیل‌های فولادی در ساخت اسکلت ساختمان‌های مسکونی و تجاری به حساب می‌آید. در این مقاله که توسط تیم فنی ایران کوپلر تهیه شده است به معرفی تاریخچه، انواع، کاربردها، مشخصات و مقایسه بتن مسلح با فولاد می‌پردازیم.
بتن آرمه چیست ؟
بتن مسلح» (Reinforced Concrete) یا بتن آرمه، یک ماده کامپوزیتی و از مصالح ساختمانی پرکاربرد است که از ترکیب بتن با المان‌های تقویت‌کننده نظیر میلگرد و یا الیاف تشکیل می‌شود. المان‌های تقویت‌کننده، به منظور جبران مقاومت کششی و شکل‌پذیری پایین بتن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تاریخچه بتن مسلح
قدیمی‌ترین اثر استفاده از میلگرد در ساختمان‌های بنایی به قرن 15 میلادی (اواخر قرن 8 شمسی) و ساخت «قلعه ونسن» (Château de Vincennes) در کشور فرانسه باز می‌گردد. در قرن 18 میلادی (اواخر قرن 11 شمسی) نیز از میلگرد برای ساخت اسکلت «برج خمیده‌ی نوینسک» (Leaning Tower of Nevyansk) در روسیه استفاده شد. با وجود به کارگیری میلگردهای فولادی یا چدنی در سازه‌های مذکور، شواهدی دال بر استفاده از این مصالح با هدف تقویت استحکام سازه وجود ندارد.
بتن آرمه یا بتن مسلح، در سال 1849 میلادی (1228 شمسی) توسط یک باغبان فرانسوی با نام «ژوزف مونیه» (Joseph Monier) اختراع شد. این باغبان از ترکیب مش‌های فولادی با دوغاب سیمانی برای ساخت گلدان استفاده می‌کرد. 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 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 در ساخت انواع سازه‌های عمرانی مدرن تبدیل کردند.
انواع بتن مسلح
در این قسمت به بررسی انواع بتن مسلح می‌پردازیم و اطلاعات مختصری درباره هر کدام از آن‌ها خواهیم داد
بتن مسلح به میلگرد
استفاده از میلگرد برای ساخت بتن مسلح یکی از رایج‌ترین و قدیمی‌ترین روش‌های ساخت این محصول به شمار می‌آید. آرماتور یا میلگرد در انواع مختلف میله، مش و کابل به عنوان المان تقویت‌کننده در این محصول استفاده می‌شود. میلگردهای استفاده شده در بتن مسلح معمولا از جنس فولادی هستند؛ اما از میلگردهای شیشه‌ای و پلیمری نیز در جهت تقویت بتن استفاده می‌شود.
از آنجایی که ضریب انبساط حرارتی فولاد و بتن مانند یکدیگر است، استفاده از فولاد نه تنها باعث ترک خوردن بتن نمی‌شود، بلکه منجر به پوشش ضعف‌های بتن شده و یکی از بهترین و کاربردی‌ترین مصالح ساختمانی را تشکیل میدهد.
بتن پیش تنیده و پس تنیده
همانطور که اشاره کردیم بتن مسلح دارای مقاومت بیشتری نسبت به بتن معمولی است. اما هنوز و به طور کامل در برابر ترک‌خوردگی مقاوم نیست و همچنین در صورت نفوذ آب به داخل بتن احتمال پوسیدگی وجود دارد. از این رو از بتن مسلحی که تحت تنش دائمی است استفاده می‌کنند.
ه طور کلی پیش‌تنیدگی به وارد کردن تنش داخلی، بر خلاف جهت نیروهای خارجی اعمال شده بر جسم و در راستای خنثی کردن آن‌ها گفته می‌شود. در بتن پیش تنیده (Prestressed Concrete) و در زمانی که بتن هنوز خیس است، به جای استفاده از فولاد، در مرحله نخست کابل‌ها در داخل قالب بتن‌ریزی تحت کشش قرار می‌گیرند و پس از آن فرایند بتن‌ریزی انجام می‌شود. با آغاز فرآیند گیرش بتن، کابل‌ها به صورت پیوسته و دائم بتن را تحت فشار قرار می‌دهند.
اما در بتن پس تنیده (Post-Tensioned Concrete) عملیات پیش‌تنیدگی مشابه بتن پیش‌تنیده و تنها پس از فرآیند گیرش بتن انجام می‌شود.
مزایای بتن مسلح پیش تنیده
- استفاده از حداکثر مقاومت فشاری بتن
- کم کردن تنش‌های برشی
- کاهش احتمالی ترک خوردن بتن
- جلوگیری از خوردگی المان‌های فولادی
- پایین آوردن وزن سازه
معایب بتن مسلح پیش تنیده
- نیاز به کنترل کیفی بیشتر و نیروی کار
- هزینه بیشتر به دلیل استفاده از آلیاژ‌های فولادی و تجهیزات متفاوت
بتن مسلح پیش‌ساخته
بتن مسلح پیش‌ساخته (Precast Concrete) به بتنی گفته می‌شود که به صورت کنترل شده، با نظارت و در کارخانه ساخته می‌شود. این بتن‌ها معمولاً برای اجرای اعضای سازه‌ای مانند تیر، دال، فونداسیون و ستون استفاده می‌شوند. ساخت دیوار و نمای ساختمان، المان‌های پیش‌تنیده و اعضای سازه‌ای نیز از جمله کاربردهای این نوع بتن به شمار می‌آید.
مزایای بتن پیش‌ساخته
مزایای این محصول به صورت زیر است:
- اجرای المان‌های سازه در روی زمین و به جای ارتفاع
- استفاده از قالب‌های مخصوص در هنگام تولید المان‌های تکراری
- کنترل گیرش بتن
- اجرا در محیط کنترل شده و دور از شرایط جوی نامساعد
معایب بتن پیش‌ساخته
معایب این محصول به صورت زیر است:
- نیاز به طراحی دقیق و مناسب
- سنگین بودن المان‌های ساخته شده
بتن مسلح با عایق ماندگار
قالب بتن عایق ماندگار» (Permanent Insulated Concrete Form) یا به اصطلاحا ICF، یک از انواع قالب بتن است.
مزایا و معایب بتن با عایق ماندگار
از مهم‌ترین مزایای بتن مسلح با عایق ماندگار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- بهره‌وری بالای انرژی مصرفی ساختمان
- سرعت اجرای بالای سازه به دلیل باز نکردن قالب‌ها
- عایق حرارتی خوب و عایق صوتی مناسب
- امکان اجرای تاسیسات درون قالب
- بهبود زمان عمل آوری
- محافظت از بتن در حین عمل آوری
- هزینه نسبتا پایین مصالح
برخی از محدودیت‌های بتن آرمه با عایق ماندگار عبارت هستند از:
- عملکرد نه چندان مناسب در دماهای پایین
- هزینه بالا برای نیروی کار ماهر
- امکان ایجاد مشکلات سازه‌ای در صورت عمل آوری مناسب
- نیاز به فرآیند مهاربندی
- افزایش رطوبت فضاهای داخلی
- دشوار بودن تغییر سازه در آینده
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.
خت بتن آرمه با قابلیت عایق حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این قالب‌ها از واحدهای مدولار ساخته می‌شوند. درون قالب عایق ماندگار المان‌های تقویت‌کننده قرار می‌دهند و سپس آن را به وسیله بتنی با اسلامپ مناسب پر می‌کنند.
لیاف معمولا برای کنترل ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی پلاستیک و جمع‌شدگی ناشی از خشک شدن در ترکیب بتن به کار برده می‌شوند. این المان‌های تقویت‌کننده، میزان نفوذپذیری بتن و آب انداختن آن را کاهش می‌دهند. به طور کلی، تاثیر الیاف بر روی خواص مختلف بتن به عوامل زیر بستگی دارد:
- جنس الیاف
- نسبت سختی و مدول الاستیسیته مخلوط سیمانی و الیاف
- حجم الیاف مورد استفاده
- نسبت ابعادی الیاف
- جهت‌گیری الیاف
- کارایی و تراکم بتن
- ابعاد سنگدانه‌های درشت
- طرح اختلاط و نحوه اختلاط
انواع بتن مسلح به الیاف
با وجود استفاده گسترده از الیاف فولادی برای ساخت بتن آرمه، الیاف دیگر نیز به این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند. از شناخته‌شده‌ترین انواع بتن آرمه الیافی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- بتن مسلح به الیاف فولادی
- «بتن تقویت شده با الیاف فولادی» (Steel Fiber Reinforced Concrete) یا «SFRC»: پرکاربردترین نوع بتن الیافی با قابلیت استفاده در لاینینگ تونل، چاه‌های آدم‌رو، سپتیک تانک، جدول کنار مسیر، لوله، تراورس شاتکریت، بتن غلتکی و ترمیم بتن
- بتن مسلح به الیاف پلی پرو پیلن
- «بتن تقویت شده با الیاف پلی پرو پیلن» (Polypropylene Fiber Reinforced Concrete) یا «PFRC»: از ارزان‌ترین و دردسترس‌ترین انواع بتن الیافی با قابلیت مقاومت در برابر مواد شیمیایی مخرب
- بتن مسلح به الیاف شیشه
- «بتن تقویت شده با الیاف شیشه» (Glass Fiber Reinforced Concrete) یا «GFRC»: از سبک‌ترین انواع بتن الیافی مورد استفاده برای ساخت المان‌های نازک
- بتن مسلح به الیاف پنبه نسوز یا آزبست
- «بتن تقویت شده با الیاف پنبه نسوز» (Asbestos Fiber Reinforced Concrete): بتن الیافی قابل استفاده برای ساخت لوله، کاشی و المان‌های سقف با قابلیت عایق حرارتی و مقاومت در برابر عوامل شیمیایی
- بتن مسلح به الیاف کربن
- «بتن تقویت شده با الیاف کربن» (Carbon Fiber Reinforced Concrete) یا «CFRC»: از جدیدترین انواع بتن الیافی با مدول الاستیسیته و مقاومت خمشی قابل توجه
- بتن مسلح به الیاف طبیعی
- «بتن تقویت شده با الیاف طبیعی» (Natural Fiber Reinforced Concrete) یا «NFRC»: بتن‌های الیافی ارزان‌تر از بتن‌های دارای الیاف فولادی یا شیشه‌ای اما با مقاومت پایین‌تر در برابر مواد شیمیایی
- کامپوزیت سیمانی مهندسی شده
- «کامپوزیت سیمانی مهندسی شده» (Engineered Cementitious Composite) یا «ECC»: بتن خم شونده با ظرفیت کرنشی بسیار بالا نسبت به بتن معمولی
مزایا و معایب بتن الیافی
مهم‌ترین مزایای بتن آرمه الیافی عبارت هستند از:
- بهبود خواص مکانیکی بتن
- کاهش خوردگی بتن
- کاهش پوسته پوسته شدن
- کاهش ترک‌خوردگی و جمع‌شدگی
از محدودیت‌های بتن مسلح الیافی می‌توان موارد زیر را نام برد:
- دشوار و هزینه‌بر بودن فرآیند ترکیب الیاف با مخلوط سیمانی و نیاز به نیروی کار بیشتر نسبت به بتن معمولی
- نیاز به دقت بالا در حین فرآیند ساخت
- تخریب ظاهر سطحی بتن در صورت نمایان شدن الیاف بر اثر بارندگی یا عوامل دیگر
استحکام بتن مسلح
هدف اصلی استفاده از المان‌های تقویت‌کننده در ترکیب بتن، افزایش استحکام آن در برابر تنش‌های کششی و بهبود شکل‌پذیری سازه است. بتن معمولی، یک ماده ترد با مقاومت فشاری خوب (15 تا 30 مگاپاسکال) و مقاومت کششی پایین (2 تا 5 مگاپاسکال) است. در صورت اعمال بارهای کششی بیش از حد، اعضای بتنی به طور ناگهانی می‌شکنند. همین موضوع، کاربردهای بتن معمولی در سازه‌ها یا عضوهای تحت بارگذاری کششی را محدود می‌کند. بتن مسلح، بخصوص بتن تقویت شده با میلگرد فولادی، با برطرف کردن این محدودیت، عملکرد بسیار مناسبی را در مقابل تنش‌های کششی از خود به نمایش می‌گذارد.
استفاده از المان‌های تقویت‌کننده در ترکیب بتن می‌تواند مقاومت کششی آن را بیش از 50 درصد افزایش دهد. مقاوت فشاری بتن آرمه تفاوت چندانی با بتن معمولی ندارد. با این وجود، حضور المان‌های تقویتی، شکل‌پذیری این مصالح ساختمانی را افزایش میدهد. در نتیجه، هنگام اعمال بارهای بیش از حد، تغییر شکل و گسیختگی اعضا به صورت تدریجی و قابل مشاهده خواهد بود.
همچنین شما میتوانید برای بررسی بهتر وصله مکانیکی به صفحه کوپلر چیست مراجعه فرمائید.
از دیگر محصولات، خدمات و قیمت کوپلر در صفحه اینستاگرام گروه صنعتی ایران کوپلر با خبر باشید.