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 پرتلند 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 کدام هستند؟

بتن آرمه را می‌توان به دو نوع مسلح به میلگرد و مسلح به الیاف تقسیم‌بندی کرد. هر یک از این دو نوع بتن، با استفاده از مواد مختلف ساخته می‌شوند. به طور کلی، بتن مسلح به میلگرد، بتن پیش تنیده، بتن پس تنیده، بتن پیش ساخته، بتن با عایق ماندگار و بتن الیافی (فولادی، شیشه‌ای، پلمیری، کربنی و غیره) از انواع بتن‌های آرمه هستند. در ادامه به معرفی هر یک از این موارد و توضیح ویژگی‌های متداول‌ترین آن‌ها می‌پردازیم.

بتن مسلح به میلگرد

یکی از قدیمی‌ترین، ساده‌ترین و متداول‌ترین روش‌های ساخت بتن مسلح، ترکیب بتن با میلگرد است. میلگرد یا آرماتور، به شکل میله، مش یا کابل برای تقویت مقاومت کششی سازه‌های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اغلب میلگردهای مورد استفاده برای ساخت بتن آرمه از جنس فولاد هستند. از رایج‌ترین بتن‌های مسلح شده به میلگرد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بتن مسلح شده به میلگرد فولادی
• بتن مسلح شده به میلگرد شیشه‌ای یا میلگرد پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP)

میلگردها با سطح صاف یا رزوه‌دار ساخته می‌شوند. میلگردهای مورد استفاده در بتن، اغلب از نوع رزوه‌دار هستند. وجود برجستگی، پیوند بین میلگرد و بتن را بهبود می‌بخشد و باعث انتقال بهتر تنش در بتن آرمه می‌شود. ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد مشابه یکدیگر است. بتن، مقاومت فشاری بالا و مقاومت کششی پایینی دارد. از این‌رو، ترکیب آن با فولاد باعث پوشش ضعف‌های بتن معمولی و تشکیل یکی از بهترین مصالح ساختمانی می‌شود. در شرایط محیطی مختلف، احتمال خوردگی فولاد وجود دارد. با توجه به میزان وخیم بودن شرایط، معمولا میلگردهای اپوکسی، گالوانیزه یا فولاد ضد زنگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. میلگردهای GFRP نیز از گزینه‌های مقرون‌به‌صرفه در محیط‌های مستعد خوردگی هستند. با وجود گران‌تر بودن میلگردهای الیاف شیشه نسبت به میلگردهای اپوکسی، این مصالح از وزن کم‌تر، مقاومت کششی بالاتر، عایق حرارتی، عدم هدایت جریان الکتریکی و طول عمر بیشتر بهره می‌برند.

بتن پیش تنیده چیست؟

«بتن پیش تنیده» (Prestressed Concrete)، یکی دیگر از انواع پرکاربرد بتن آرمه در پروژه‌های عمرانی بزرگ است که امکان اعمال تنش‌های مشخص درون اعضای سازه‌ای و مقابله با شرایط بارگذاری پیش‌بینی شده را فراهم می‌کند. مصالح مورد استفاده در این نوع بتن، با قرار گرفتن در یک وضعیت پیش‌بارگذاری، قادر به تحمل بارهای بیشتر هنگام قرارگیری در شرایط سرویس‌دهی خواهند بود. بتن پیش‌تنیده طی اعمال یکی از فرآیندهای پیش تنیدگی یا پس تنیدگی بر روی کابل‌ها/تاندون‌های آلیاژ فولادی ساخته می‌شود.

بتن مسلح پیش تنیده

ساخت بتن مسلح پیش تنیده، با اعمال تنش کششی به المان‌های فولادی توسط جک‌های هیدرولیکی، قالب‌بندی و بتن‌ریزی در اطراف المان‌های تحت کشش انجام می‌گیرد. سپس، بتن شروع به جمع شدن و گیرش می‌کند. با گذشت زمان کافی و رسیدن بتن به مقاومت فشاری مورد نظر، المان‌های تحت کشش به آرامی از جک‌های هیدرولیکی آزاد می‌شوند. پیوند به وجود آمده بین فولاد و بتن، از برگشت المان‌های تحت کشش به طول اولیه خود جلوگیری می‌کند. این مکانیزم با القای تنش فشاری درون بتن، استحکام سازه را بهبود می‌بخشد. روش پیش تنیدگی، اغلب در بتن مسلح پیش ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بتن مسلح پس تنیده

بتن مسلح پس تنیده یا «بتن پس تنیده» (Post-Tensioned Concrete)، طی فرآیندی مشابه و برعکس بتن پیش تنیده ساخته می‌شود. اعمال پیش تنیدگی در این نوع بتن پس از گیرش کامل صورت می‌گیرد. پس تنیدگی، برای اعمال پیش تنیدگی در محل اجرای پروژه (بتن‌ریزی برجا) یا اتصال چندین بلوک پیش ساخته کاربرد دارد. در این روش، امکان جانمایی کابل‌ها/تاندون‌ها پیش از بتن ریزی وجود دارد. با این وجود، با قرار دادن المان‌های فولادی درون محفظه مخصوص، از پیوند فولاد و بتن جلوگیری می‌شود. پس از گیرش کامل بتن، جک‌های هیدرولیکی، المان‌های فولادی را تحت کشش قرار می‌دهند. با رسیدن تنش به مقدار مورد نظر، انتهای المان‌ها مهار شده و به منظور جلوگیری از خوردگی، توسط دوغاب سیمانی درزبندی می‌شوند. سیستم مورد استفاده برای مهاربندی کابل‌های پس تنیده به اعمال تنش منفرد یا گروهی هر رشته بستگی دارد.

مزایا و معایب بتن پیش تنیده

از مزایای اصلی بتن آرمه پیش تنیده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بهره‌گیری از حداکثر مقاومت فشاری ذاتی بتن
• حذف احتمال ایجاد ترک‌های کششی و کاهش احتمال خوردگی المان‌های فولادی
• کاهش تنش‌های برشی
• کاهش سطح مقطع مورد نیاز و وزن سازه
• امکان اجرای اعضای کامپوزیت با اتصال بلوک‌های بتن پیش ساخته

مهم‌ترین محدودیت‌های بتن مسلح پیش تنیده عبارت هستند از:

• نیاز به نیروی کار و کنترل کیفی بیشتر
• هزینه بیشتر به دلیل استفاده از آلیاژهای فولادی
• هزینه بیشتر تجهیزات
• پیچیدگی اقدامات ایمنی

بتن مسلح پیش ساخته

بتن مسلح پیش ساخته یا «بتن پیش ساخته» (Precast Concrete)، یکی از انواع بتن است که در کارخانه و تحت نظارت تولید می‌شود. بتن‌های پیش‌ساخته اغلب به منظور اجرای اعضای سازه‌ای نظیر تیر، ستون، دال، فونداسیون و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساخت این بتن‌ها در کارخانه، امکان اعمال پیش‌تنیدگی به المان‌های تقویت‌کننده را فراهم می‌کند. از کاربردهای این بتن آرمه پیش ساخته می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ساخت اعضای سازه‌ای ساختمان
• ساخت دیوار و نمای ساختمان
• ساخت المان‌های پیش تنیده ساختمان
• ساخت قطعات پروژه‌های زیر ساختی نظیر عرشه پل، لاینینگ تونل مترو و غیره
• ساخت مخزن آب، سپتیک تانک، محفظه زهکشی، تراورس راه‌آهن، تیرهای کف، دیوارهای محوطه ساختمان و لوله‌های انتقال آب

مزایا و معایب بتن پیش ساخته

ساخت بتن آرمه در کارخانه، امکان تولید تعداد زیادی از المان‌های سازه‌ای با ابعاد مشابه و کیفیت بالا را فراهم می‌کند.

• اجرای المان‌های سازه بر روی زمین به جای ارتفاع
• امکان اجرای المان‌های سازه در محیط کنترل شده و به دور از عوامل مخرب جوی نظیر باران، غبار، گرما/سرمای شدید
• استفاده از قالب‌های مخصوص برای ساخت چندین المان تکراری
• استفاده از تجهیزات مخصوص برای انتقال بتن و بتن‌ریزی
• کنترل گیرش بتن

مزایای بالا، باعث افزایش کیفیت بتن مسلح پیش ساخته نسبت به بتن‌های مسلح برجا می‌شود. علاوه بر این، سرعت ساخت و ساز با استفاده از این مصالح ساختمانی بسیار بالا بوده و نیازی به صبر کردن برای رسیدن به مقاومت 28 روزه نیست. البته این نوع بتن آرمه محدودیت‌هایی دارد که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم:

• نیاز به طراحی دقیق: عدم یکپارچگی یا پیوستگی کامل سازه به دلیل مجزا بودن المان‌های سازه‌ای و ایجاد درز
• نیاز به مواد درزبندی مخصوص: وجود ناپیوستگی بین المان‌های سازه‌ای و غیر سازه‌ای
• سنگین بودن المان‌های پیش ساخته: نیاز به استفاده از جرثقیل برای جابجایی و جانمایی المان‌ها در طی اجرای پروژه

بتن مسلح با عایق ماندگار

«قالب بتن عایق ماندگار» (Permanent Insulated Concrete Form) یا به اصطلاحا ICF، یک از انواع قالب بتن است که به منظور ساخت 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.

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. بتن الیافی اغلب در شاتکریت و به منظور تقویت دیواره‌های سازه‌های نگهبان یا تونل مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع بتن آرمه برای ساخت دال‌های روی زمین و پیاده‌رو‌ها نیز کاربرد دارد. الیاف 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 کرمو شدن و پوسته پوسته شدن بتن
• 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
• امکان آسیب رسیدن به دست کارکنان در صورت عدم استفاده از وسایل ایمنی مناسب

مشخصات بتن مسلح چه هستند؟

مشخصات بتن آرمه از نظر اهمیت، تفاوتی با یکدیگر ندارند. وجود المان‌های تقویت‌کننده، بیشتر بر روی استحکام بتن تاثیر می‌گذارد. با این حال، این المان‌ها می‌توانند دیگر مشخصات بتن را نیز با تغییر مواجه کنند. در ادامه به معرفی برخی از مهم‌ترین خواص بتن مسلح می‌پردازیم.