تحقیق مقاله آشنایی با بتن و فولاد

-1- مقدمه

بتن یکی از مصالح ساختمانی است که بوسیله آمیختن مخلوط متناسبی از سیمان، مصالح سنگی (شن و ماسه) و آب بوجود می‌آید. آب و سیمان با ترکیب شیمیائی خود مصالح سنگی از، که قسمت اعظم بتن را تشکیل می‌دهند، به یکدیگر و توده سخت سنگی شکل بتن را ایجاد می‌نمایند.

بتن ماده‌ای است که دارای مقاومت زیادی در فشار است و از اینرو استفاده از آن برای قطعات تحت فشار مانند ستونها و قوسها بسیار مناسب است لیکن علیرغم مقاومت فشاری قابل توجه، مقاومت کششی کم و شکنندگی نسبتاً زیاد بتن، استفاده از آن برای قظعاتی که تماماً یا بطور موضعی تحت کشش هستند محدود می‌نماید. برای رفع این محدودیت اعضاء بتنی را با قراردادن فولاد در آنها تقویت می کنند. ماده مرکبی که بدین ترتیب حاصل می‌شود بتن آرمه یا بتن مسلح نامیده می‌شود.

ایده اصلی در ایجاد بتن مسلح استفاده از بتن برای تحمل فشار و استفاده از فولاد، که معمولاً آرماتور نامیده می‌شود، برای تحمل کشش است. برای روشن شدن بیشتر مسئله می‌توان رفتار یک تیر بتنی غیر مسلح را که روی دو تکیه‌گاه ساده قرار دارد بررسی نمود (تصویر الف –1-1).

در مقاطع مختلف این تیر، تنش‌های کششی در زیر صفحه خنثی و تنش‌های فشاری در بالای آن ایجاد می‌شوند. از آنجا که مقاومت کششی بتن ناچیز است، این تیر دارای ظرفیت باربری کمی خواهد بود. درچنین تیری اصولاً مقاومت فشاری بتن نمی‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. حال اگر همین تیر در ناحیه کششی توسط فولادهایی که معمولاً بصورت میلگرد مستقیم می‌باشند، مسلح شود قادر خواهد بود برای به مراتب بیشتر از بار حالت قبل (مثلاً تا 20 برابر) را تحمل نماید (تصویر ب-1-1). سایر اعضاء بتنی، نظیر ستونها، که عمدتاً در فشار کار میکنند، را نیز با میلگردهای فولادی مسلح می نمایند (تصویر ج –1-1). وجود آماتور در چنین اعضائی نیز سبب افزایش مقاومت آنها میگردد. زیرا فولاد علاوه بر کشش در فشار نیز مقاومت بالایی دارد. بدین ترتیب از اجتماع دو ماده فولاد و بتن ماده تقریباً جدیدی بنام بتن مسلح ایجاد می‌شود که امروزه حوزه کاربرد آن بدون هیچ مرزی در حال گسترش است.

اساس رفتار مشترک فولاد و بتن ترکیب طبیعی دو خاصیت مهم فیزیکی و مکانیکی این دو ماده است: اول آنکه، بتن در اثر سخت شدن چسبندگی قابل ملاحظه‌ای با آرماتور فولادی ایجاد می‌کند که در نتیجه آن در یک عضو بتن آرمه تحت اثربار، هر دو ماده فولاد و بتن با هم تغییر شکل میدهند. دوم آنکه، بتن و فولاد دارای ضرائب انبساط حرارتی تقریباً یکسانی می‌باشند (مقدار این ضریب بطور متوسط برای بتن 000010/0 و برای فولاد 000012/0 بازاء هر درجه سانتیگراد است) و در نتیجه در اثر تغییرات درجه حرارت، تنش‌های اولیه قابل توجهی در هیچیک از دو ماده ایجاد نشده و لغزشی بین فولاد و بتن رخ نمیدهد.

بتن مسلح علاوه بر اینکه دارای مقاومت نسبتاً بالایی است، در مقابل شرایط نامساعد محیطی نیز مقاومت خوبی دارد زیرا پوشش بتنی روی آماتور، فولاد در مقابل خوردگی و اثر مستقیم آ‎تش‌سوزی محافظت می‌نماید. در رابطه با مقاومت در مقابل آتش‌سوزی شاید توجه به این نکته جالب باشد که در حرارت حدود 1000 درجه سانتیگراد، حداقل یک ساعت طول میکشد که دمای فولاد داخل بتن، که با یک لایه بتنی به ضخامت 5/2 سانتیمتر پوشیده است، به 500 درجه سانتیگراد برسد. تجربه نشان داده است که در آتش‌سوزی‌های با شدت متوسط، سازه‌های بتن آرمه تنها دچار خسارتهای سطحی می‌شوند و خللی در مقاومت و ظرفیت باربری آنها وارد نمی‌آید.

به علت خواص متنوع و با ارزش بتن آرمه، نظیر دوام (مقاومت در مقابل اثرات سوء ناشی از سیکل‌های انجماد و ذوب)، مقاومت در مقابل خورده‌گی، مقاومت در مقابل آتش، مقاومت زیاد در مقابل بارهای استاتیکی و دینامیکی، امکان ایجاد اشکال مورد نظر از طریق شکل دادن به قالب عضو، و بالاخره مخارج نگهداری ناچیز در طول عمر سازه، امروزه از این ماده بعنوان یکی از مقاومترین مصالح ساختمانی در ساخت انواع سازه‌ها استفاده فراوان می‌شود. ساختمانهای مرتفع مسکونی و اداری، ساختمانهای صنعتی، نیروگاههای هسته‌ای، پل‌ها، سیلوها، تونل‌ها، انواع پوسته‌ها، سازه‌های هیدرولیکی و بسیاری سازه های دیگر از مواردی هستند که بتن مسلح اسکلت اصلی و باربر آنها را تشکیل میدهد.

یکی از جنبه‌های خاص رفتار سازه‌ های بتن آرمه تحت اثربار، امکان ایجاد ترک در قسمت‌های کششی مقاطع است. البته بازشدن چنین ترکهایی تحت بارهای معمولی وارد بر سازه، غالباً بقدری کم اهمیت است که بهیچوجه استفاده از سازه را تحت تأثیر قرار نمیدهند. اما چنانچه در موارد خاصی، با توجه به انتظاری که از عملکرد سازه میرود، وجود این ترکها بعنوان یک نقص تلقی شود و بعبارت دیگر لازم باشد از ایجاد ترک جلوگیری شود و یا میزان بازشدگی آن محدود گردد، می‌توان از ایده پیش تنیدگی بتن استفاده نمود. در سازه‌های بتنی پیش تنیده بوسیله کشیدن کابلهای پیش تنیدگی، مقطع عضو بتنی را تحت فشار اولیه شدیدی قرار میدهند. تا بدین ترتیب پس از اعمال بارهای موردنظر در هیچ مقطعی از عضو بتنی ایجاد کشش نشود.

از نظر تکنیک ساخت، اعضاء و سازه‌های بتن آرمه یا پیش‌ساخته هستند، یا در جا ریخته شده ویا مرکب. اعضاء پیش‌ساخته اعضائی هستند که در کارگاههای خاصی ساخته شده وبرای نصب به محل مورد نظر تحویل می‌شوند. اعضاء با بتن ریزی در جا، همانطور که از نامشان پیداست، در همان محل واقعی خود در سازه بتن‌ریزی می‌شوند و بالاخره اعضاء مرکب اعضایی هستند که ترکیبی از اجزاء پیش ساخته و بتن ریزی در جا هستند. اعضاء و سازه‌های بتن آرمه که به روشهای فوق ساخته می‌شوند اگر چه در برخی موارد تفاوت‌های مختصری در رفتار و جزئیات محاسبات دارند، اصول کلی طراحی آنها یکسان است و آنچه سبب انتخاب هر یک از این روشها می‌شود مسائلی نظیر سرعت اجراء، دقت ساخت و توجیهات اقتصادی است.

2-1- مواد تشکیل دهنده بتن

مواد تشکیل دهنده بتن عبارتند از: سیمان، مصالح سنگی و آب و در برخی موارد مواد مضاف نیز بدانها اضافه می‌شود. خواص بتن‌تر (قبل از سخت شدن)، مانند روانی، کارآیی و زمان گیرش، همچنین خواص بتن خشک (بتن سخت شده)، نظیر مقاومت فشاری، مقاومت کششی، افت، خزش و دوام بستگی به انتخاب و درصد مواد متشکله بتن دارد. از اینرو در این بخش بطور اختصار خواص و نقش هر یک از این مواد مورد بررسی قرار می‌گیرند.

سیمان- هر ماده‌ای که دانه های مصالح سنگی را برای تشکیل یک توده توپر و یکپارچه بهم بچسباند سیمان نام دارد. سیمانهایی که در صنعت بتن و بتن آرمه بکار میروند سیمانهایی هستند که در ترکیب با آب موادی بوجود می‌آورند که تقریباً غیرقابل حل در آب می‌باشند و از اینرو به آنها سیمان هیدرولیکی گفته می‌شود. از بین انواع این سیمان نوعی که بیشترین کاربرد را در بتن آرمه سیمان پرتلند است.

پس از اینکه آب به سیمان افزوده می‌شود مواد درسطح دانه های سیمان بوسیله آب حل شده و یک ژل، که در واقع یک توده متراکم از ذرات فوق‌العاده کوچک است، ایجاد می‌شود. این ماده به تدریج افزایش حجم و سختی پیدا می‌کند بطوری که پس از چند ساعت قابل ملاحظه‌ای در ملات ایجاد می‌شود. این عمل هیدراسیون نام دارد. هیدراسیون تدریجاً بیشتر به عمق دانه‌های سیمان نفوذ می‌کند و در نتیجه سبب افزایش سختی ملات می‌گردد. از نظر شیمیائی، برای هیدراسیون کامل یک مقدار معین سیمان، در حدود 25 درصد وزن سیمان آب لازم است، لیکن برای سهولت حرکت آب در مخلوط و رسیدن به ذرات سیمان، آب مورد نیاز 10 الی 15 درصد بیش از میزان ذکر شده می‌باشد. بنابراین حداقل نسبت وزنی آب به سیمان بین 35/0 و 4/0 است، با اینحال در عمل مقدار آب مصرفی بیش از مقادیر حداقل فوق می‌باشد. این مقدار آب اضافی برای روان‌تر کردن و افزایش کارآیی بتن (یعنی افزایش قابلیت کار با بتن) لازم است. ولی باید توجه داشت که آب مازاد بر نیاز هیدراسیون کامل، بصورت ترکیب نشده در بتن باقی میماند که پس از سخت شدن بتن تدریجاً از آن خارج شده و سبب ایجاد حفره و در نتیجه نقصان مقاومت بتن میگردد. عمل هیدراسیون با تولید حرارت نیز همراه است و حرارت تولید شده را حرارت هیدراسیون می نامند. این گرمای آزاد  شده بخصوص در کارهای بتن ریزی زیاد مثل سدسازی، باعث افزایش درجه حرارت و در نتیجه افزایش حجم بتن میگردد و می‌تواند پس از سرد شدن بتن سبب ترک خوردگی آن گردد. که باید به نحو صحیحی از آن جلوگیری نمود.