معمولاً کلمهٔ بتن به تودهٔ حجیمی اطلاق می‌شود که از سیمان و دانه‌های مختلف سنگ و آب تشکیل‌شده‌است و هر یک از دانه‌ها با مایهٔ سیمانی احاطه گشته‌اند. تغییر در مقادیر، جنس، نوع و مواد همراه و همین‌طور شرایط محیطی محصولی با مشخصات متفاوت به دست می‌دهد. همان‌طور که در بخش سیمان آمده‌است، گذشت زمان و تأثیر رطوبت هوابر سیمان، کیفیت آن را تنزل می‌دهد. در ضمن استفاده از سیمان فاسد شده، مقاومت بتن را به‌شدت ساقط می‌کند.
سیمان (Cement)
سیمان پرتلند از مخلوط و آسیاب کردن سنگ آهک و خاک رس به نسبت ۳به۱، و پختن گرد همگن و یکنواخت زیر دمای ۱۰۰۰درجه، تا CO2 از سنگ آهک و آب شیمیایی از خاک رس جدا شوند. در گرمای زیر ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد آهک با سیلیس و رس ترکیب می‌شود. در گرمای بالای ۱۲۰۰درجه، رویه دانه‌های گرد داغ شده و ضمن عرق کردن به هم می‌چسبند و به صورت کلوخ‌های کلینکر درمی آیند. از سرد کردن کلوخ‌ها و سپس آسیاب کردن آن‌ها با کمی سنگ گچ، سیمان تولید می‌شود.
اثر سیمان بر مقاومت بتن
با فرض اینکه عوامل دیگری که در این امر مؤثر هستند ثابت نگاه داشته شوند، سیمان به سه طریق بر روی تاب و مقاومت بتن مؤثر است:
- مقدار سیمان
- نوع سیمان
- کیفیت سیمان
کمترین سیمانی که درساختن بتن مصرف می‌شود باید به اندازه‌ای باشد که دوغاب آن رویهٔ دانه‌های سنگی را اندود کند و بیشترین سیمان در ساختن بتن باید به اندازه‌ای باشد که نه تنها حالت اول را حفظ کند بلکه فضاهای خالی استخوان بندی سنگی را هم پر کند. با مصرف کمتر ازحالت اول باعث عدم چسبندگی میان دانه‌های سنگی و در نتیجه سقوط تاب مکانیکی قطعه می‌شود؛ و با مصرف بیشتر از حالت دوم، بدون آنکه تاب قطعهٔ بتنی افزایش یابد، از صرفهٔ اقتصادی کاسته می‌شود. با افزایش مقدار سیمان مقاومت فشاری وضریب الاستیسیتهٔ آن نیز افزایش می‌یابد. جدول شمارهٔ ۱ حداقل مقاومت لازم برای بتن به عیارهای مختلف را نشان می‌دهد که در آن مقاومت بتن پس از ۲۸ روز که در محل مرطوب نگهداری شده‌است، اندازه‌گیری گردیده‌است.
آب (Water)
کیفیت آب در بتن از آن جهت حائز اهمیت است که ناخالصی‌های موجود در آن ممکن است در گیرش سیمان اثر گذاشته و اختلالاتی به وجود آورند. همچنین آب نامناسب ممکن است روی مقاومت بتن اثر نامطلوب گذاشته و سبب بروز لکه‌هایی در سطح بتن و حتی زنگ زدن آرماتور بشود. در اکثر اختلاط‌ها آب مناسب برای بتن آبی است که برای نوشیدن مناسب باشد. مواد جامد چنین آبی به ندرت بیش از ۲۰۰۰ قسمت در میلیون ppm خواهد بود به‌طور معمول کمتر از ۱۰۰۰ ppm است. این مقدار به ازای نسبت آب به سیمان ۰٫۵ معادل ۰٫۰۵ وزن سیمان می‌باشد. معیار قابل آشامیدن بودن آب برای اختلاط مطلق نیست و ممکن است یک آب آشامیدنی به جهت داشتن درصد بالایی از یون‌های سدیم و پتاسیم که خطر واکنش قلیایی دانه‌های سنگی را به همراه دارد، برای بتن‌سازی مناسب نباشد. به عنوان یک قاعده کلی هر آبی که PH (درجه اسیدیته) آن بین ۶ الی ۸ بوده و طعم شوری نداشته باشد می‌تواند برای بتن مصرف شود. رنگ تیره و بو لزوماً وجود مواد مضر در آب را به اثبات نمی‌رساند.
مقدار آب مصرفی
مقدار آب مصرفی در داخل بتن بسیار با اهمیت است. به منظور تکمیل فرایند واکنش سیمان با آب مقدار مشخصی آب مورد نیاز است. در صورتی که این مقدار کمتر از آن حد باشد قسمتی از سیمان برای واکنش آب کافی دریافت نمی‌کند و واکنش نداده باقی می‌ماند. در صورتی که بیش از مقدار مورد نیاز آب به مخلوط بتن اضافه شود پس از تکمیل واکنش، مقداری آب به صورت آزاد در داخل بتن باقی می‌ماند که پس از سخت شدن بتن باعث پوکی آن و نتیجتاً کاهش مقاومت خواهد شد. به همین دلیل دقت در مصرف نکردن آب زیاد در داخل بتن به منظور حصول مقاومت بالا ضروری است.
مقدار آب لازم برای تکمیل واکنش به صورت پارامتر نسبت آب به سیمان تعریف می‌شود. این نسبت برای سیمان پرتلند معمولی حدود ۲۵ درصد است. با این مقدار آب بتن فاقد کارایی لازم خواهد بود و معمولاً نسبت آب به سیمان مورد استفاده در کارگاه‌های ساختمانی بیش از این مقدار است. در تعیین نسبت اختلاط بتن پارامتری لحاظ می‌شود که مقدار رطوبت سنگدانهها را نیز قبل از افزودن آب به بتن لحاظ می‌کند که در تعیین مقدار آب مورد نیاز حائز اهمیت است. این رطوبت اضافی (یا کمبود رطوبت) مقدار رطوبت مازاد (کمبود رطوبت) سنگدانهها از حالت اشباع با سطح خشک SSD یا (Saturated Surface Dry) است.
عمل آوری
با ادامه یافتن Hydration مقاومت بتن افزایش می‌یابد و این واکنش عامل افزایش مقاومت بتن یا همان گیرش سیمان است. برای عمل آوری یا ادامه یافتن فرایند Hydration باید رطوبت نسبی حداقل ۸۰ درصد باشد. در صورتی که رطوبت کمتر از این مقدار شود عمل آوری متوقف شده و درصورتی رطوبت تسبی به بالای ۸۰ درصد بازگردد فرایند هیدراسیون یا Hydration دوباره شروع خواهد شد. به دلیل تبخیر قسمتی از آب مورد نیاز قبل از تکمیل واکنش بین آب و سیمان (که چندین روز طول می‌کشد) قسمتی از سیمان موجود در مخلوط بتن واکنش نداده باقی می‌ماند. پس از بتن ریزی باید بلافاصله توجه لازم به فرایند عمل آوری معطوف گردد. عمل آوری عبارت است از حفظ رطوبت بتن تا زمانی که واکنش بین سیمان و آب تکمیل شود. این عمل می‌تواند به وسیله عایق کاری موقت، پاشش آب یا تولید بخار صورت گیرد. از دیدگاه عملی، حفظ رطوبت بتن برای ۷ روز توصیه می‌شود. در شرایطی که این کار ممکن نباشد حداقل زمان عمل آوری بتن نباید کمتر از ۲ روز باشد.
تأثیر آب بر مقاومت بتن
تغییر مقدار آب باعث تغییرات مقاومت در بتن می‌گردد. علاوه براملاح همراه با آب و سختی آن که دربخش مربوط به سیمان در مورد آن بحث شد، عوامل زیر بر مقدار آب در بتن مؤثرند:
- غلظت بتن مورد نیاز
- درشتی مصالح سنگی مورد مصرف
- نمناکی مصالح سنگی مورد مصرف
- شکل مصالح سنگی موردنیاز و زبری سطح آن‌ها
- گرما و خشکی هوا در هنگام ساخت و بتن ریزی
- مقدارسیمان مورد مصرف
- نوع قالب (چوبی یا فلزی)
هر چه بتن غلیظ تر باشد و دانه‌های مصالح سنگی درشت تر و نمناک تر باشند و همچنین سطح دانه‌های مصالح سنگی صاف‌تر و شکل آن‌ها کره‌ای تر و محیط مرطوب تر و کم بادتر و مقدار سیمان مورد مصرف کمتر باشد مقدار آب لازم برای ساختن بتن کمتر است. آنچه در این مطلب بسیار اهمیت دارد، تناسب آب و سیمان است. ایده‌آل‌ترین کار این است که مقدار آب مخلوط را تا حداقل ممکن پایین بیاوریم و درضمن بتن تولیدشده نیز به اندازهٔ کافی پلاستیک باشد و به خوبی در محل لازم جایگزین گردد. برای بتن معمولی مقدار آب باید بین ۴۲ تا۵۶ لیتر در هر ۱۰۰ کیلوگرم سیمان در نظر گرفته شود.
سنگدانهها (Aggregates)
سنگدانهها در بتن تقریباً سه چهارم حجم آن را تشکیل می‌دهند از اینرو کیفیت آن‌ها از اهمیت خاصی برخوردار است. در حقیقت خواص فیزیکی، حرارتی و پاره‌ای از اوقات شیمیایی آن‌ها در عملکرد بتن تأثیر می‌گذارد. دانه‌های سنگی طبیعی معمولاً به وسیلهٔ هوازدگی و فرسایش یا به‌طور مصنوعی باخرد کردن سنگ‌های مادر تشکیل می‌شوند. البته این مطلب نباید در مورد سنگدانهها فراموش شود. سطح سنگدانه‌های اگر آغشته به گل و لای باشد باید سطح آن تمیز شود حتی الامکان باید شسته شود در صورت لزوم.
اندازه دانه‌های سنگی
بتن عموماً از سنگدانه‌هایی به اندازه‌های مختلف که حداکثر قطر آن بین ۱۰ میلی‌متر و۵۰ میلی‌متر می‌باشد ساخته می‌شود. به‌طور متوسط از سنگداتخم خرمیلیمتر استفاده می‌شود. توزیع اندازه ذرات به نام «دانه بندی سنگدانه» مرسوم است. به‌طور کلی دانه‌های با قطر بیشتر از چهار یا پنج میلی‌متر به نام شن و کوچکتر از آن به نام ماسه نامگذاری شده‌اند که این حد فاصل توسط الک ۴٫۷۵ میلی‌متری یا نمره چهار مشخص می‌گردد. حد پایین ماسه عموماً ۰٫۰۷ میلی‌متر یا کمی کمتر می‌باشد. مواد با قطر بین ۰٫۰۶ میلی‌متر و ۰٫۰۲ میلی‌متر به نام لای (سیلت) و مواد ریزتر رس نامگذاری شده‌اند. گل ماده نرمی است که شامل مقادیر نسبتاً مساوی ماسه و لای و رس می‌باشد.
کانیهای مهم
کانیهای مهم و متداول سنگدانهها در زمینه استفاده در بتن عبارتند از: کانیهای سیلیسی (کوارتز، اوپال، کلسه دون، تریمیت، کریستوبالیت) فلدسپاتها، کانیهای میکا، کانیهای کربناتی، کانیهای سولفاتی، کانیهای سولفور آهن، کانیهای فرومنیزیم، کانیهای اکسیدآهن، زئولیت‌ها و کانیهای رس.
طبقه‌بندی براساس شکل ظاهری
در استاندارد ASTM سنگ‌ها از لحاظ شکل ظاهری به پنج گروه تقسیم شده‌اند:کاملاً گرد گوشه، گرد گوشه، نسبتاً گرد گوشه، نسبتاً تیز گوشه و تیز گوشه. در استاندارد BS این نامگذاری به صورت:گرد گوشه، بی‌شکل-بی نظم، پولکی، تیز گوشه، طویل، پولکی طویل می‌باشد.
تأثیر سنگدانهها بر مقاومت بتن
سنگدانه‌های بتن باید جوری دانه بندی شوند که استخوان‌بندی آن تو پر و دارای کمترین جای خالی و بیشترین وزن فضایی شود (وزن فضایی بیش از ۱/۵ تن درمترمکعب داشته باشد). این دانه‌ها باید طوری مخلوط گردند که همواره فضای خالی به مقدار حداقل کاهش یابد، به‌طوری‌که کمترین مقدارسیمان مورد مصرف قرارگیرد. برای این منظور دانه بندی باید خوب وپیوسته باشد. بایستی به‌طور کلی دانه بندی به ترتیبی باشد که ۹۵ درصد آن از الک ۴/۷۶ میلی‌متر و تمام دانه‌های آناز سرندی که دارای سوراخ‌هایی به قطر ۹/۵ میلی‌متر است، عبور کند. در مورد شن عکس ماسه است. یعنی بایستی ۹۰ درصد آن بر روی لاک ۴/۷۶ میلی‌متر باقی بماند؛ و ضمناً قطر دانه‌های آن برای بتن معمولی از ۷۰ میلی‌مترتجاوز نکند (ارقام یاد شده مربوط به بتن متعارف است). در این مورد روش‌ها وجداول خاصی برای تعیین دانه بندی وجوددارد که مهندسین را در انتخاب مصالح پرکنندهٔ بتن کمک می‌کند. اساساً مقاومت سنگدانهها باید از مقاومت بتن بیشتر باشد. علت این امرتنش‌های واردبر سطح تماس یک سنگدانه است که بسیاربیشتر از تنش فشاری وارده می‌باشد. مقاومت سنگدانهها به ترکیبات ساختار داخلی وبافت سطحی آن‌ها بستگی دارد. بنابراین مقاومت کم سنگدانهها ممکن است ناشی از ضعف ذرات تشکیل دهندهٔ آن‌ها یا عدم وجود انجام وچسبندگی کافی بین ذرات باشد وبه‌طور متوسط مقاومت فشاری رضایت بخش سنگدانهها بین ۸۰۰–۲۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است. سختی یامقاومت دربرابر سایش یکی از مهم‌ترین خصوصیات بتن‌های مورد استفاده در روسازی‌های بتنی راه‌ها وکف‌سازی ساختمان‌ها و کارگاه هامی باشد که خودوابسته به سختی سنگدانهها است. نباید لای وذرات رسی همراه باماسهٔ طبیعی بیش از ۳ درصد حجم آن باشد. این مقدار برای ماسهٔ شکسته تا ۱۰ درصد حجم آن مجاز می‌باشد. قبل از مصرف ماسه بایستی نمونهءآن را در استوانهٔ شیشه‌ای ریخت و آب اضافه نمود وحجم‌های همراه با آن را بدست آورد. اگر خاک رس زیاد باشد آب بتن رامی مکد و دوغاب خاک رس درست می‌کند که دور دانه‌های سنگ را اندود می‌کند و مانع چسبیدن دوغاب سیمان به بدنهٔ نمی‌شود. در نتیجه از تاب بتن کاسته می‌شود. نمک‌های گوناگون نیز به بتن آسیب می‌رسانند و ازتاب آن می‌کاهند. برای جلوگیری از این مسئله قبل از مصرف دانه‌های سنگی آن‌ها را با آب تمیز به خوبی شستشو می‌دهند. این عمل نبایستی باعث جداشدن دانه‌های ریز از دانه‌های درشت تر و در نتیجه به هم خوردن پیوستگی دانه‌های سنگی شود. از جمله اضافات همراه بادانه‌های سنگی که باعث اختلال در خودگیری بتن می‌شوند، علاوه برخاک رس می‌توان از قلیایی‌ها، سنگ‌های گوگردی و اجسام نباتی و آلی نام برد. دانه‌های سنگی یخ زده را بایستی پیش از مصرف گرم نمود تا قابل مصرف شوند.
افزودنی‌ها (Admixtures)
ماده افزودنی یا (Admixtures) ماده‌ای است به غیر از سیمان پرتلند، سنگدانه، و آب، که به صورت گرد یا مایع، به عنوان یکی از مواد تشکیل دهنده بتن و برای اصلاح خواص بتن، کمی قبل از اختلاط یا در حین اختلاط به آن افزوده می‌شود. مواد افزودنی به دو گروه مواد افزودنی‌های شیمیایی و مواد افزودنی‌های معدنی تقسیم می‌شوند.
انواع معمول مواد افزودنی بتن به شرح زیر است.
- شتاب‌دهنده سرعت هیدراتاسیون بتن (سخت شدن).
- کاهش دهنده سرعت گیرش بتن.
- افزودنی‌های حباب زا باعث ایجاد حباب‌های با هندسه کروی و بسیار ریز درون بتن می‌شوند. افزودنی‌های حباب زا عمداً برای ایجاد و تثبیت حباب‌های میکروسکوپی هوا در بتن استفاده می‌شود.
- روان‌ساز بتن که به منظور کاهش دهنده مقدار آب بتن استفاده می‌گردد.
- مواد افزودنی که شامل رنگدانه‌ها که می‌تواند برای تغییر رنگ بتن و زیبایی استفاده گردد.
- ضدیخ بتن
- چسب بتن
- سخت‌کننده بتن
کاربرد دیرگیرکننده در مواد افزودنی بتن: کار مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن به تأخیر انداختن گیرش بتن است. مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن در بتن ریزی‌های حجیم استفاده می‌شود. مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن برای جلوگیری از ترک‌های ناشی از گیرش در بتن‌ریزی‌های پشت سر هم مناسب می‌باشد. مواد افزودنی دیرگیرکننده بتن برای حمل بتن در فاصله‌های زیاد استفاده می‌شود.
از جمله از مواد افزودنی بتن می‌توان از ژل میکرو سیلیس میکروسیلیکا ژل سیلیکافیوم نام برد همچنین گروت انواع روان‌کننده‌ها فایبر نیز از انواع افزودنی بتن می‌باشند.
معمولاً به جای استفاده از یک سیمان بخصوص، این امکان وجود دارد که بعضی از خواص سیمان‌های معمولی مورد استفاده را به وسیله ترکیب کردن آن با یک افزودنی تغییر داد. قابل توجه اینکه نباید عبارات “مواد ترکیبی” و “مواد افزودنی” با معانی مترادف به کار روند، زیرا مواد ترکیبی موادی هستند که در مرحله تولید به سیمان اضافه می‌شوند در حالی که مواد افزودنی در مرحله مخلوط کردن به بتن اضافه می‌شوند. افزودنی‌های شیمیایی اساساً عبارتند از:تقلیل دهنده‌های آب، کندگیرکننده‌ها و تسریع‌کننده‌های گیرش که در آیین‌نامه ASTMبه ترتیب تحت عنوان‌های تیپ‌های C,B،A طبقه‌بندی شده‌اند. دسته‌بندی افزودنی‌ها در استاندارد BS نیز مشابه می‌باشد. در ضمن افزودنی‌های دیگری نیز وجود دارند که هدف اصلی از کاربرد آن‌ها محافظت بتن از اثرات زیان‌آور یخ زدگی و ذوب یخ است.
تسریع‌کننده‌ها
افزودنی‌هایی هستند که سخت شدگی بتن را تسریع می‌کنند و مقاومت اولیه بتن را بالا می‌برند. چند نمونه از تسریع‌کننده‌ها عبارتند از: کربنات سدیم، کلرورآلومینیوم، کربنات پتاسیم، فلوئورور سدیم، آلومینات سدیم، نمک‌های آهن و کلرور کلسیم.
کندگیرکننده‌ها
افزودنی‌هایی هستند که زمان گیرش بتن را به تأخیر می‌اندازند. این مواد در هوای خیلی گرم که زمان گیرش معمولی بتن کوتاه می‌شود و همچنین برای جلوگیری از ایجاد ترک‌های ناشی از گیرش در بتن ریزی‌های متوالی مفید می‌باشند.
به عنوان چند نمونه از کندگیرکننده‌ها می‌توان از شکر، مشتقات هیدروکربنی، نمک‌های محلول روی و براتهای محلول نام برد.
به عنوان مثال اگر با یک کنترل دقیق ۰٫۰۵ وزن سیمان شکر به بتن اضافه کنیم، حدود چهار ساعت گیرش آن را به تأخیر می‌اندازد. مصرف ۰٫۲ تا یک درصد وزن سیمان از گیرش سیمان جلوگیری به عمل می‌آورد.
تقلیل دهنده‌های آب
این افزودنی‌ها به سه منظور به
- رسیدن به مقاومتی بالاتر به وسیله کاهش نسبت آب به سیمان
- رسیدن به کارایی مشخص با کاهش مقدار سیمان مصرفی و نتیجتاً کاهش حرارت هیدراتاسیون در توده بتن.
- سادگی بتن ریزی به وسیله افزایش کارایی در قالبهایی با آرماتور انبوه و موقعیت‌های غیرقابل دسترسی
افزودنی‌های تقلیل دهنده آب تحت عنوان تیپ A دسته‌بندی می‌شوند؛ لیکن اگر افزودنی‌ها هم‌زمان با کاهش نیاز به آب باعث تأخیر در گیرش نیز بشوند تحت عنوان تیپ D طبقه‌بندی می‌شوند. اگر این‌ها باعث تسریع در گیرش شوند تیپ E نامیده می‌شوند.
فوق روان‌کننده‌ها
این مواد از قویترین انواع تقلیل دهنده‌های آب هستند که در آمریکا به عنوان روان‌کننده قوی و درASTM به عنوان تیپ F نامگذاری شده‌اند. افزودنی‌هایی نیز هستند که در ضمن تقلیل شدید آب باعث مقداری تأخیر در گیرش نیز می‌شوند و به عنوان تیپ G طبقه‌بندی شده‌اند. دو نمونه از روان‌کننده‌های قوی: ملامین فرمالدئید سولفاته شده تغلیظ شده یا [[نفتالین فرمالدئید سولفاته شده تغلیظ شده]] می‌باشند. اساساً استفاده از اسیدهای سولفاته شده باعث تسریع عمل پراکنش می‌شود. چون در سطح ذرات سیمان جذب شده و به آن‌ها بار منفی می‌دهند و این باعث دفع ذرات از یکدیگر می‌شود. این فرایند کارایی را در یک نسبت آب به سیمان مشخص افزایش می‌دهد.
