بتن: متداول ترین ماده‌ی مورد استفاده در ساختمان سازی

در سال 2000، بیش از 5/1 میلیارد تن سیمان تولید شده است که این میزان مقدار قابل توجهی می باشد. سهولت تولید،‌ تکنولوژی ساده و ارزان قیمت بودن موجب شده است تا بتن به متداول ترین ماده ساختمانی مورد استفاده در قرن 20 ام،‌ تبدیل شود. به هر حال،‌ علارغم تلاش های فراوان در زمینه‌ی تحقیقات بر روی این مواد، امروزه تحقیقات گسترده ای بر روی این ماده در حال انجام می باشد. در واقع مقوله‌ی بتن با مسائل حساسی روبروست (مثلا فقدان ارتباط میان صنعت چند بخشی و آینده‌ی این ماده می باشد). در اغلب موارد، بتن به ماده ای معروف شده است که بعد از 28 روز، مستحکم می شود و استحکام فشاری آن قابل توجه است؛ اما این مسئله در نظر گرفته نمی شود که این ماده باید در چه شرایطی قرار داده شود تا این استحکام ایجاد شود. به عنوان یک نتیجه، بسیاری از ساختارهای بتنی تولید شده ممکن است به خاطر در نظر نگرفتن این شرایط، فرو بریزد و از این رو یک تصویر بد از بتن در ذهن عموم مردم ایجاد می کند (شکل 1).
علاوه بر این،‌ بتن اغلب در طی موارد در طی ساخت،‌ به نحوه‌ی مناسبی عمل آوری نمی شود و از این رو یک بتن استثنایی می تواند به صورت آنی به بتنی تضعیف شده تبدیل شود. از این رو، باید به عملیات آماده سازی بتن توجه خاص داشته باشیم.
خوشبختانه، بر اساس پیشرفت های اخیر در زمینه‌ی بتن مانند استفاده از مواد سوپرپلاستیک، سیلیکا فوم، مخلوط های پیچیده و افزایش استفاده از انواع مختلف بتن های با کارایی بالا، قابلیت شکل دهی مجدد بتن ها را مقدور ساخته است (شکل 2). علاوه بر این، بتن برای کاربردهای مختلفی مانند بتن های خود متراکم شونده، بتن های مورد استفاده در زیر آب، بتن های نورد شده‌ی با کارایی بالا و بتن های با پودر رآکتیو، مورد استفاده قرار می گیرد. بتن های پیشرفته یک ماده‌ی ساختمانی پیچیده است که برای کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می گیرد به نحوی که این ماده علارغم داشتن هزینه های بیشتر نسبت به بتن های معمولی، سهولت استفاده بیشتری دارند و میزان آسیب آنها به محیط نیز کمتر است. ارزش افزوده‌ی بیشتر این بتن های پیشرفته باعث شده است تا این مواد، به عنوان موادی مناسب برای بسیاری از کاربردهای صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.
علارغم این حقیقت که صنعت ساختمان یک صنعت رقابتی محسوب می شود، بتن در صورتی آینده‌ی روشنی دارد که محصولاتی با هزینه‌ی پایین تولید کند. این ماده اکنون ماده‌ی مقرون به صرفه در تولید ساختمان محسوب می شود. استحکام بتن باید با سهولت فنی استفاده از آن همراه باشد تا بدین صورت، کارایی آن بهبود یابد. هدف نهایی این تغییرات، بهبود کیفیت و دوام ساختارهای بتنی با به حداقل رساندن اثرات محیط زیستی این ماده می باشد.
بتن به ما کمک می کند تا نیازهای اساسی خود را برطرف کنیم
این گفته شده است که انسان دارای سه نیاز اساسی است:‌ غذا، لباس و مسکن. در واقع مواد ساختمانی پیوند نزدیکی با نیاز به مسکن دارد. مادامی که انسان ها چادرنشین بودند، دغدغه‌ی اصلی آنها در مورد مسکن بسیار ناچیز بود. بنابراین، آنها در قارها،‌ پناهگاه های طبیعی و موقتی یا خیمه ها، ساکن می شدند. خیمه هنوز هم در برخی موارد بوسیله‌ی انسان ها مدرن مورد استفاده قرار می گیرد.
از لحاظ نقطه نظر ساختاری، یک خیمه یک ساختار مستحکم و جالب توجه دارد. در این ساختار، طناب ها و مواد مورد استفاده در حالت کششی کامل هستند در حالی که تیرک های مورد استفاده در حالت فشاری قرار گرفته اند و بنابراین، امکان ساخت یک سازه‌ی سبک تر مقدور شده است. به هر حال، این سبک بودن در زمانی که از شرایط ساکن به شرایط دینامیک (مانند باد و طوفان) حرکت کنیم، مشکل ساز می شود. علاوه بر این، زیر چادر ماندن در زمانی که هوا برفی یا بارانی است، مطلوب نمی باشد. بر همین اساس، وقتی انسان شروع به یکجانشینی کرد (حیوان ها را اهلی کرد و دانش رشد غلات را بدست آورد)، آنها توانستند سرپناه های صلب تر و راحت تر تولید کنند. سرانجام، خانه به نشانه ای از وضعیت اجتماعی اقوام تبدیل شد.
این جالب توجه است که انسان های اولیه خالق مواد مورد استفاده در خانه سازی هستند: آنها از انواع مواد مختلف در ساخت خانه هایشان استفاده می کردند. برخی از موادی که آنها در ساخت خانه مورد استفاده قرار می دادند، عبارتند از ساقه و برگ درختان، سنگ (شکل 3)، نی (شکل 4)، خاک (خشت خام) (شکل 5) و حتی برف فشرده (شکل 6).
به هر حال، این مسئله به زودی مشاهده گردید که استفاده از مواد طبیعی دارای محدودیت هایی از قبیل دوام پایین هستند. این مسئله دلیلی است بر این موضوع که چرا انسان ها شروع به توسعه‌ی مواد کامپوزیتی مانند آجرهای رسی خشک شده تقویت شده با نی، کردند. آنها حفرات میان سنگ ها را با رس یا مخلوطی از ماسه و قیر، پر کردند (شکل 7). به هر حال، در این موارد، این تشخیص داده شد که این کامپوزیت های اولیه،‌ هر کدام دارای محدودیت های خاص خود هستند.
به طور اتفاقی این فهمیده شده است که آهک و سنگ گچ که دو نوع سنگ سطحی هستند، می توانند با هم مخلوط شده و بعد از حرارت دهی و مخلوط کردن با آب، به عنوان بایندر مورد استفاده قرار گیرند. این بایندرهای اولیه برای ساخت کف و دیواره‌ی مقاوم و مستحکم مورد استفاده قرار گرفته اند (شکل 8). چند هزار سال بعد، این دو بایندر در خانه های ما مورد استفاده قرار گرفتند.
یک مرحله‌ی بزرگ در زمینه‌ی پیشرفت در این مواد زمانی ایجاد شد که مواد طبیعی خاصی در دمای محیط با آهک واکنش دادند و ماده ای تولید شد که در هنگامی که در معرض آب واقع می شد، سخت می شد. یک چنین مخلوط هایی برای ساخت جاده، پل ها، ساختارهای آبی و بندرها مورد استفاده قرار گرفتند. چند هزار سال بعد، این مواد که مواد پزولانی نامیده می شوند، هنوز هم مورد استفاده قرار می گرفتند. این مواد در آینده نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار خواهند گرفت. معبد روم یکی از ساختارهای بتنی جالب توجه و مقاوم می باشد که تاکنون ساخته شده است. این ساختار در شکل 9 نشان داده شده است. برای 1900 سال، این ساختار یک ساختار بدون رقیب محسوب می شود. زمانی که جزئیات ساختاری در طراحی و ساخت در نظر گرفته شود، استحکام فشاری بالا یک لازمه‌ی ضروری برای ساخت ساختارهای با دوام بالا نیست.
بعد از این زمان،‌ تقریبا 2000 سال زمان لازم است تا مواد ساختمانی جدید با تولید سیمان پرتلند، وارد عرصه‌ی ساختمان سازی شود. تقریبا در حدود سال 1820بود که برای اولین بار در تاریخ، یک ماده‌ی ساختمانی مصنوعی، تولید گردید. این ماده سیمان پرتلند نامیده شد. سیمان ماده ای است که در حین سخت شدن، متحمل فرایندهای فیزیکوشیمیایی پیچیده ای می شود. وقتی این ماده با آب واکنش دهد، به حالت اولیه‌ی خود باز نمی گردد. این ماده می تواند برای ایجاد اتصالات سخت مورد استفاده قرار گیرد
(شکل 10). البته در مقیاس زمانی زمین شناسی، در شرایط محیطی زمین، یک بتن که از سیمان پرتلند تولید شده است، از آهک، رس، سیلیس و کلسیم فسفات تشکیل شده است.
استحکام بخشی و تضعیف بتن
بتن قطعا دارای مزیت های فنی خاصی است. این ماده از مواد ارزان قیمت ساخته می شود و می توان آن را
پیش از سخت شدن، شکل دهی کرد (شکل 11 تا 14). بتن دارای استحکام فشاری خوبی است،‌ نمی پوسد، در برابر رطوبت مقاوم است و آتش گیر نیست (شکل 15). این ماده بوسیله‌ی حشرات نیز تخریب نمی شود (البته ممکن است بوسیله‌ی باکتری های خاصی تحت حمله قرار گیرد).
علاوه براین، وقتی بتن با نسبت مناسب تهیه گردد، به خوبی مخلوط شده و به طور مناسب عمل آوری شود، می تواند در بیشتر شرایط محیطی مقاومت کند. تکنولوژی بتن ساده است: این ماده ضرورتاً از مخلوطی از پودر ریز به همراه شن و ماسه و آب تشکیل شده است و بعد از زمان اندکی، سخت می شود. این نکته باید تذکر داده شود که بتن های پیشرفته نیاز به فشرده سازی ندارند،‌ زیرا این مواد خود فشرده شونده هستند.
بتن همچنین برخی محدودیت ها نیز دارد. استحکام کششی آن پایین است. همچنین این ماده سنگین است، پایداری ابعادی ندارد زیرا امکان ایجاد انقباض و خزش در آن وجود دارد. همچنین برخی اوقات، این ماده متورم می شود. علاوه بر این، بتن باید به طور مناسب عمل آوری شود تا بتوان آن را به ماده ای با پتانسیل مناسب، تبدیل شود. در برخی محیط ها مانند محیط های اسیدی، این ماده ممکن است تخریب گردد. امروزه،‌ برخی از این محدودیت ها به طور جزئی برطرف شده اند. این کار با استفاده از میله های تقویت کننده، الیاف و اگریگیت های سبک، انجام می شود.
به دلیل اینکه مزیت های بتن بر محدودیت های آن می چربد، این مسئله تعجب آور نیست که بتن هم اکنون متداول ترین ماده‌ی مورد استفاده در ساختارهای زیر آبی می باشد. همانطور که الان گفته شد، هر ساله، بیش از 5/1 میلیارد تن سیمان تولید می شود. از این مقدار قابل توجه، حدوداً 6 میلیارد متر مکعب بتن تولید می شود. اگر ما مقدار سیمان مورد استفاده در هر متر مکعب را برابر با 250 کیلوگرم در نظر بگیریم و در صورتی که وزن هر متر مکعب بتن را برابر با 5/2 تن در نظر بگیریم، هر انسان به طور متوسط 5/2 تن بتن در سال مصرف می کند. با توجه به مجله‌ی Paris-Match، این وزن دو برابر مقدار غذای و مایعات مورد استفاده برای هر فرانسوی در سال 1956 بوده است. علاوه بر این، بتن را می توان از قطب تا استوا، بیابان، دریا، زیر آب و حتی در کره‌ی ماه نیز استفاده کرد. در واقع اصول ساخت و ساز کنونی بر پایه‌ی این ماده بنا شده است.