دانلود مقاله بتن سبک، اسفنجی و الیافی

مقدمه

در دنیای پیشرفته امروزی و با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در زمینه های مختلف علمی صنعت بتن نیز دچار تحول گردیده که تولید بتن سبک نیز حاصل همین پیشرفت ها می باشد. بتنی که علاوه بر کاهش بار مرده ساختمان از نیروی وارد به سازه در اثر شتاب زلزله می کاهد و در صورت تخریب وزن آوار حاصل نیز کاهش می یابد و امروزه آنرا به عنوان بتن قرن می نامند .

بتن سبک با توجه به ویژگی هایی که دارد دارای کاربردهای مختلف می باشد که برحسب وزن مخصوص و مقاومت فشاری آن تفکیک می گردد.

بتن سبک

اولین گزارشهای تاریخی در مورد کاربرد بتن سبک و مصالح سبک وزن به روم باستان بر می گردد. رومیان در احداث معبد پانتئون و ورزشگاه کلوزیوم از پومیس که نوعی مصالح سبک است استفاده کرده اند. کاربرد بتن سبکدانه پس از تولید سبکدانه های مصنوعی و فراوری شده در اوایل قرن بیستم وارد مرحله جدیدی شد. در سال 1918،S. J. Hayde با استفاده از کوره دوار اقدام به منبسط کردن رس و شیل کرد و بدینوسلیه سبکدانه ای مصنوعی تولید کرد که از آنها در ساخت بتن استفاده شد. تولید تجاری روباره های منبسط شده نیز از سال 1928 آغاز گردید.

این سبکدانه مصنوعی در هنگام جنگ جهانی اول به دلیل محدودیت دسترسی به ورق فولادی برای ساخت کشتی بکار رفت. کشتی Atlantus به وزن 3000 تن که با بتن سبک هایدیتی ساخته شد، در اواخر سال 1918 به آب افتاد. در سال 1919 کشتی Selma به وزن 7500 تن و طول 132 متر با همین نوع بتن ساخته و به آب انداخته شد. تا آخر جنگ جهانی اول و سپس تا سال 1922 کشتی ها و مخازن شناور متعددی ساخته شد که یکی از آن ها Peralta تا سال های اخیر شناور بود.

برنامه ساخت کشتی ها در اواسط جنگ جهانی دوم متوقف شد و دوباره به دلیل محدودیت تولید ورق فولادی مورد توجه قرار گرفت. تا پایان جنگ جهانی دوم 24 کشتی اقیانوس پیما و 80 بارج دریایی ساخته شد که ساخت آن ها در دوران صلح، اقتصادی محسوب نمی گشت. ظرفیت این کشتی ها 3 تا 140000 تن بود.

در سال 1948 اولین ساختمان با استفاده از شیل منبسط شده در پنسیلوانیای شرقی احداث گردید. در ادامه، از سال 1950 ساخت بتن سبک گازی اتوکلاو شده در انگلستان متداول شد. اولین ساختمان بتن سبکدانه مسلح در این کشور که یک ساختمان سه طبقه بود در سال 1958 و در شهر برنت فورد احداث گردید.

ساختمان هتل پارک پلازا در سنت لوئیز، ساختمان 14 طبقه اداره تلفن بل جنوب غربی در کانزاس سیتی در سال 1929 از جمله ساختمان های دهه 20 و 30 میلادی ساخته شده در آمریکای شمالی با استفاده از بتن سبک هستند. ساختمان 42 طبقه در شیکاگو، ترمینال TWA در فرودگاه نیویورک در سال 1960، فرودگاه Dulles در واشنگتن در سال 1962، کلیسایی در نروژ در سال 1965، پلی در وایسبادن آلمان در سال 1966 و پل آب بر در روتردام هلند در سال 68 از جمله ساختمان هایی هستند که با بتن سبکدانه ساخته شده اند.

در هلند، انگلستان، ایتالیا و اسکاتلند نیز در دهه 70 و 80 پل هایی با دهانه های مختلف ساخته و با موفقیت بهره برداری شده اند. در سال های 1970 ساخت بتن سبکدانه پرمقاومت آغاز شد و در دهه 80 به دلیل نیاز برخی شرکت های نفتی در امریکا و نروژ برای ساخت سازه ها و مخازن ساحلی و فراساحلی مانند سکوهای نفتی یک رشته تحقیقات وسیع برای ساخت بتن سبکدانه پرمقاومت در این دو کشور با هدایت واحد آغاز شد که نتایج آن در اواخر دهه 80 و اوایل دهه 90 منتشر گشت.

در سالیان اخیر نیز استفاده بتن سبک در دال سقف ساختمانهای بلند مرتبه، عرشه پلها و دیگر موارد مشابه و همچنین کاربردهای خاص مانند عرشه و پایه دکلهای استخراج نفت کاربرد فراوانی یافته است.

طبقه بندی بتن سبک بر مبنای مقاومتی

بتن‌های سبک از دیدگاه مقاومتی در سه دسته طبقه‌بندی می‌شوند که عبارتند از بتن سبک غیرسازه‌ای، بتن سبک سازه‌ای و بتن سبک با مقاومت متوسط که در ادامه به آن پرداخته می شود.بتن سبک غیرسازه‌ای که معمولاً به عنوان جداسازهای سبک مورد استفاده قرار می‌گیرد، دارای جرم مخصوص کمتر از 800 کیلوگرم بر مترمکعب است. با وجود جرم مخصوص کم، مقاومت فشاری آن حدود 35/0 تا 7 نیوتن بر میلیمترمربع می‌باشد. از معمولیترین سنگدانه‌های مورد مصرف در این نوع بتن می توان به پرلیت (نوعی سنگ آذرین) و ورمیکولیت (ماده‌ای با ساختار ورقه‌ای شبیه لیکا)اشاره کرد.

بتن‌های سبک سازه‌ای دارای مقاومت و وزن مخصوص کافی می‌باشند، به گونه‌ای که    می توان از  آن‌ها در اعضای سازه‌ای استفاده کرد. این بتن‌ها عموماً دارای جرم مخصوصی بین 1400 تا 1900 کیلوگرم بر مترمکعب بوده و حداقل مقاومت فشاری تعریف شده برای آنها 17 نیوتن بر میلیمتر مربع (مگاپاسکال) می باشد. در بعضی حالات امکان افزایش مقاومت تا 60 نیوتن بر میلیمتر مربع نیز وجود دارد. در مناطق زلزله خیز، آیین‌نامه‌ها حداقل مقاومت فشاری بتن سبک را به 20 نیوتن بر میلیمتر مربع محدود می‌کنند.

بتن‌های سبک با مقاومت متوسط، از لحاظ وزن مخصوص و مقاومت فشاری در محدوده‌ای بین بتن‌های سبک غیرسازه ا‌ی و سازه‌ای قراردارند، به گونه‌ای که مقاومت فشاری آنها‌ بین 7 تا 17 نیوتن بر میلیمترمربع و جرم مخصوص آن‌ها بین 800 تا 1400 کیلوگرم بر مترمکعب می باشد.

بتن سبک غیرسازه‌ای

این نوع بتن‌ها با جرم مخصوصی معادل 800 کیلوگرم بر مترمکعب و کمتر، به عنوان تیغه‌های جداساز و عایق‌های صوتی در کف بسیار مؤثر هستند. این نوع بتن می‌تواند در ترکیب با مواد دیگر در دیوار، کف و سیستم‌های مختلف سقف مورد استفاده قرار گیرد.

مزیت عمده آن، کاهش هزینه‌های لازم برای تهویه‌ی گرمایی یا سرمایی فضاهای داخلی ساختمان و کاهش انتقال صوت بین طبقات و فضاهای ساختمان می باشد. بتن‌های سبک غیرسازه‌ای بر اساس ساختارداخلی می‌توانند به دو گروه جداگانه تقسیم‌بندی شوند.

دسته اول بتن‌های اسفنجی که در حین ساخت آن‌ها با ایجاد کف، حباب‌های هوا در خمیر سیمان یا در ملات سیمان - سنگدانه ایجاد می گردد. کف مورد نظر یا از طریق مواد کف‌زا در حین اختلاط تولید شده و یا به صورت کف آماده به مخلوط اضافه می‌شود. بتن اسفنجی می‌تواند جرم مخصوصی تا حدود 240 کیلوگرم بر مترمکعب داشته باشد.

 دسته دوم بتن با سنگدانه سبک یا به اختصار بتن سبکدانه است که با استفاده از پرلیت، ورمیکولیت منبسط شده و یا دیگر سبکدانه های طبیعی و مصنوعی ساخته می‌شوند. جرم مخصوص خشک این مخلوط بین 240 تا 960 کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد.

امروزه اضافه کردن ریزدانه‌هایی با وزن معمولی، موجب افزایش وزن بتن و مقاومت آن می شود، لیکن به منظورحصول خواص عایق‌بندی حرارتی (ضریب انتقال حرارت پایین)، حداکثر جرم مخصوص به 800 کیلوگرم در مترمکعب محدود می‌گردد.

هنگام ساخت و استفاده از بتن سبک غیرسازه‌ ای، سعی بر این است که با کاهش وزن بتوان خصوصیات عایق حرارتی را افزایش داد، اما ذکر این مطلب ضروری است که باکاهش وزن مخصوص بتن، مقاومت آن نیز کاهش می‌یابد. مقاومت فشاری و وزن مخصوص بتن، ارتباط نزدیکی با هم دارند و با افزایش وزن مخصوص، بالطبع باید مقاومت بالاتری را انتظار داشت. با توجه به مقاومت به دست آمده از این نوع بتن، محل کاربرد آن تعیین می گردد. به عنوان مثال بتن‌هایی با مقاومت فشاری حدود 7/0 نیوتن بر میلیمترمربع و کمتر برای عایق‌سازی لوله‌های بخار زیرزمینی مناسب هستند و از بتن‌های با مقاومت بالاتر تا حدود 5/3 نیوتن بر میلیمتر مربع در پیاده‌روها استفاده می شود. باید توجه داشت که انقباض بتن‌های سبک در هنگام خشک شدن در اکثر موارد و به خصوص در موارد حذف سنگدانه‌های درشت از مخلوط، همواره مشکل‌ساز است.

 بتن سبک با مقاومت متوسط

بتنهای سبک موجود در این طبقه عمدتا از نوع بتنهای سبکدانه و بتنهای با ساختار باز می باشند. به عبارت دیگر برای کاهش چگالی بتن از سنگدانه های سبک طبیعی یا مصنوعی استفاده شده است. سبکدانه های مورد استفاده در بتنهای سبک با مقاومت متوسط معمولا از یکی از روشهای آهکی شدن (تکلیس)، سنگدانه‌ی کلینگر، محصولات منبسط شده‌ای نظیر روباره‌های منبسط شده، خاکستر بادی، شیل و اسلیت یا سنگدانه‌های تولیدی از مصالح طبیعی مانند پوکه سنگ‌های آذرین و سنگ‌های آذرین متخلخل (توف) تولید می‌شوند. جرم مخصوص بتن ساخته شده با سنگدانه‌های فوق بین 800 تا 1400 کیلوگرم بر مترمکعب است. کاربرد مواد افزودنی نظیر تسریع کننده‌ها و روان‌کننده‌ها می‌تواند در تغییر مقاومت بتن‌های ساخته شده با سنگدانه‌های تولید شده از روش‌های مذکور موثر باشد. کاربرد این بتنها معمولا در بلوکهای مجوف بتنی، کف سازیها و موارد مشابه است.

 بتن سبک سازه ای

بتنهای سبک سازه ای بتنهایی هستند که علی رغم دارا بودن چگالی کمتر از 2000 کیلوگرم بر مترمکعب، مقاومت فشاری بیش از 17 مگاپاسکال دارند. ساخت این بتنها صرفا با استفاده از سنگدانه های سبک و مقاوم امکان پذیر است. تمام بتنهای سبک سازه ای از خانواده بتن های سبکدانه می باشند که در آن برای کاهش وزن مخصوص بتن از سنگدانه های سبک استفاده شده است. به این دلیل بعضا از عبارات بتن سبکدانه و بتن سبک سازه ای برای بیان یک مفهوم استفاده می شود. در بتن‌های سبکدانه سازه‌ای از سنگدانه‌هایی استفاده می‌شود که بتن ساخته شده مقاومتی بیش از 17 مگاپاسکال و جرم مخصوصی کمتر از 2000 کیلوگرم بر مترمکعب را دارا باشد. سنگدانه‌هایی که این شرایط را عموماً برآورد می‌کنند و طبق استاندارد ASTM-C330 برای ساخت بتن سبک سازه‌ای مورد استفاده قرار می گیرند، عمدتا عبارتند از:

الف) شیل، رس و اسلیت منبسط شده در کوره‌ی دوار

ب)سنگدانه هایی که از فرآیند های کلوخه ای شدن به دست می آیند

ج) سرباره‌های منبسط شده

د) پوکه‌های معدنی

ه) پوکه‌ های صنعتی

و) خاکستر بادی ته نشین شده

تأمین مقاومت فشاری معادل 20 نیوتن بر میلیمترمربع و بیشتر با بعضی از این سنگدانه‌ها امکان‌پذیر است. شرایط سایر سنگدانه‌ها نیزطوری است که قادر به حصول حداقل مقاومت فشاری مقرر شده برای بتن سبک سازه‌ای می‌باشند. همانطور که پیش از این ذکر شد،‌ مقاومت بتن سبک ‌تابعی از جرم مخصوص آن است. باید توجه داشت که جرم مخصوص بتن عمدتاً متأثر از جرم مخصوص سنگدانه‌های مصرفی است، به گونه‌ای که استفاده از مصالح سبکتر موجب کاهش وزن مخصوص بتن می شود. ولی استفاده از مصالح سنگین‌تر از سبکدانه‌ها، لزوماً باعث افزایش مقاومت بتن ساخته شده نخواهد شد.

بیشترین مقاومت بتن سبکدانه معمولا وقتی حاصل می شود که از سبکدانه های ساخته شده از شیل، رس و اسلیت منبسط شده در فرآیند کوره دوار برای سبک سازی چگالی بتن استفاده گردد.