بتن هاي ديروز و امروز

براي زمان هاي طولاني، صنعت بتن و طراحان يك بتن كلي را توليد مي كردند و در ساختمان ها مورد استفاده قرار مي دادند. اين بتن ها داراي مقاومت مناسبي تحت هر شرايط اقليمي بودند. اين بتن ها داراي استحكام فشاري 15 تا 25 مگاپاسكال بودند. در برخي كشورها، با گذر زمان، اين مشاهده مي شود كه استحكام فشاري بتن اندكي افزايش يافته است. اين رويه به همين صورت ادامه داشت و امروزه در برخي كشورهاي توسعه يافته، بتن هايي با استحكام فشاري بين 25 تا 35 مگاپاسكال توليد مي شوند. اين بدين معنا نيست كه بتن هاي با استحكام 20 مگاپاسكال ديگر مورد استفاده قرار نمي گيرد. در بسياري از طراحي ها، نياز به بتن با استحكام بالاتر از 20 مگاپاسكال وجود ندارد. اما به مرور سازه ها با استفاده از بتن هاي با استحكام بالاتر ساخته مي شوند.
به هر حال، در طي دهه ي 1970، بتن هاي با استحكام بالاتر (40 تا 50 مگاپاسكال) براي ساخت ستون هاي باربر در ساختمان ها مورد استفاده قرار گرفت. در واقع استفاده از ستون هاي باريك تر، زيباتر ساختار را افزايش مي دهد و ميزان فضاي مفيد ساختمان را افزايش مي دهد. در طي سال ها، نام اين بتن هاي با استحكام بالا تغيير كرده است و آنها را بتن هاي با كارايي بالا (high performance concrete) مي نامند. علت اين نامگذاري اين است كه اين فهميده شده است كه اين بتن ها علاوه بر استحكام بالا، ويژگي هاي منحصربفرد ديگري نيز دارند. اين بتن ها در استفاده هاي خارج ساختماني نيز مورد استفاده قرار مي گيرند و با در برابر محيط هاي نامناسب مقاوم هستند. كم كم، اين فهميده شده است كه اين بتن ها نه تنها داراي كارايي بالايي هستند، بلكه همچنين بتن هايي با دوام هستند. از اين رو اين بتن ها توانسته اند نزديك به يك سوم از بازار بتن دنيا را به خود اختصاص دهند.
همانگونه كه مي دانيد اين بتن ها مشكلات محيط زيستي كمتري دارند. همچنين استفاده از آنها سبب كاهش ميزان بتن مورد استفاده مي شود و در برخي موارد، مقدار بتن معادل (در صورت استفاده از بتن هاي معمولي) سه برابر مقدار بتن با كارايي بالاست. علاوه بر اين، عمر مفيد بتن هاي با كارايي بالا (HPC) مي تواند دو تا سه برابر بتن هاي معمولي باشد. و مي توان آنها را دو تا سه بار بازيافت كرد و در نهايت نيز مي توان بتن هايي را كه قابليت بازيافت ندارد در زيرسازي راه ها استفاده كرد.
HPC ها كه بتن هاي با نسبت آب/ سيمان يا آب/ بايندر پايين هستند، بتن هاي با صرفه ي اقتصادي بالا هستند. زيرا با استفاده از آنها امكان ساخت ساختارهاي معادل با ميزان چارچوب بتن و ميله هاي فولادي كمتر است. وزارت خانه ي كبك كانادا محاسبه كرده است كه هزينه ي اوليه ي ساخت پل هاي بتني توليد شده از بتن با استحكام 50 تا 60 مگاپاسكال، 8 % كمتر از هزينه ي ساخت پل هاي بتني توليد شده از بتن با استحكام 35 مگاپاسكال است. اين مسئله بدون توجه به اين موضوع گفته شده است كه استفاده از بتن هاي با استحكام بالاتر، عمر مفيد اين پل ها را نيز بالا مي برد.
مقبوليت HPC به آهستگي در حال گسترش است اما به طور پيوسته در حال افزايش است و اين پيشرفت ادامه نيز خواهد يافت زيرا طراحان و صاحبان ساختمان ها تشخيص داده اند كه ارزش و دوام اين بتن ها بالاتر است. البته HPC ها يك ماده ي جايگزين براي انواع مختلف ديگر بتن نيستند. HPC ها نيز داراي محدوديت هاي خود هستند اما اين بتن هاي با دوام بالا هستند كه به طراحان و معماران اجازه مي دهند تا از محدوديت هاي موجود در زمينه ي اين بتن ها خارج شويم.
در طي توسعه هاي انجام شده در اين زمينه، اين مشاهده شده است كه در سال هاي اخير، ساير بتن هاي با فناوري بالا مانند بتن هاي تقويت شده با الياف، بتن هاي فشرده شده با استفاده از نورد و بتن هاي توليد شده از پودرهاي فعال نيز بازار قابل توجهي پيدا كرده اند. تمام اين بتن ها براي استفاده در مقادير اندك طراحي شده اند اما اين بازارها داراي منفعت قابل توجهي هستند و رقباي كمتري در اين بازارها حضور دارند. تنها شركت هاي مهم وارد اين بازار مي شوند زيرا تنها اين شركت ها هستند كه داراي تكنولوژي بالا هستند. وقتي آنها بتوانند چنين بتن هايي را توليد كنند، قادر خواهند بود تا مقادير قابل توجهي بتن هاي معمولي را نيز توليد كنند
اين مشهود است كه اين ليست كوتاه از بتن هاي ويژه، ليستي جامع نيست و به سرعت بر تعداد اين بتن ها افزوده مي شود. توسعه ي پروژه هاي BOOT (Build own operate and transfer) بدون شك رويه ي حركت به سمت استفاده از بتن هاي ويژه را تسريع مي كند. همچنين اين مسئله جالب توجه است كه با گذر زمان، مزيت هاي ديگر اين بتن ها فهميده مي شود. براي مثال بتن هاي خود متراكم شونده كه در ژاپن توليد شده اند، موجب تسهيل قرارگيري بتن در محل مناسب خود مي شود. امروزه اين فهميده شده است كه به دليل عدم نياز به ويبراتور در فرايند جادهي اين بتن ها، اين بتن ها، بتن هاي بي صدا نيز هستند. وقتي يك چنين بتن هايي در كارخانه هاي توليد قطعات پيش ساخته مورد استفاده قرار گيرد، اين كارخانه با صداي كمتري كار مي كند.

استحكام يا دوام

طراحي ساختارهاي بتني بوسيله ي مهندسين ساختمان سازي انجام مي شود. اين مهندسين كساني هستند كه تنها يك چيز را در مورد مواد مي دانند. آنها تنها در مورد استحكام فشاري 28 روزه ي اين ماده مي دانند و اطلاعات زيادي در مورد دوام آنها ندارند.
البته دانستن اطلاعات در مورد استحكام فشاري 28 روزه ي بتن براي انجام محاسبات اساسي در طراحي ساختمان ها، ضروري است اما اين نيز ضرروي است كه اطمينان حاصل كنيم كه اين بتن ها استحكام مكانيكي خود در طي عمر مفيدشان را حفظ كنند. بدبختانه بسياري از مثال ها به ما نشان داده است كه برخي از بتن هايي كه داراي استحكام فشاري 28 روزه ي مناسب هستند، ممكن است قابليت خود را از دست دهند زيرا آنها يا به خوبي جادهي نشده اند يا به خوبي عمل آوري نشده اند. نيازي نيست تا براي پيدا كردن دليل اين مسائل، به مثال هاي ديگر نگاه كنيم. ظاهر نامناسب بسياري از زيرساخت هاي بتني و تعدد عمليات هاي ترميمي انجام شده بر روي ساختارهاي بتني خود معيد اين مسئله است. اين واقعاً غم انگيز است كه زيرساختي را كه هنوز به نيمه ي عمر مفيد خود نرسيده است را تخريب كنيم. اين تخريب ها علاوه بر اثرات اجتماعي - اقتصادي، مشكلات بيشتري از جمله افزايش ترافيك، هدر رفت پول و زمان را در پي دارد.
صنعت سيمان هزينه ي بالايي را به خاطر بروز اين خطاها، پرداخت مي كند. در واقع به جاي صرف شدن بودجه براي ساخت ساختمان ها و زيرساخت هاي جديد، اين بودجه ها براي تعمير و نگهداري اين ساختارها صرف مي شود. اين فرايندها ميزان ماده ي اندك و ميزان نيروي كار فراون نياز دارد.
چندين دستورالعمل با تمركز بر روي دوام بتن (نه استحكام آن) انتشار يافته است. اين مسئله مربوط به گذر زمان مي شود.
مسائل مربوط به گاراژهاي خارج ساختماني كه در كانادا و با استفاده از بتن هاي با استحكام 20 مگاپاسگال ساخته شده بودند، موجب انجام اقدامات متعددي در صنعت سيمان شده است. علت اين مسئله مقاومت ضعيف اين بتن ها در برابر يخ زدگي و بادكردن بوده است. كربونيزاسيون تسريع شده در بتن هاي با استحكام 20 مگاپاسكال در اروپا نيز موجب اعمال هزينه هاي قابل توجهي به شركت هاي سيمان شده است. در واقع در بخش هايي از Middle East، آب دريا به اين بتن ها حمله كرده و آنها را تخريب كرده است.
علاوه بر اين، يك تخريب سريع در زيرساخت و آثار تاريخي موجود در شهرها بوجود آمده است. اين تخريب به دليل آلودگي هاي جوي در نواحي شهري رخ داده است كه اين مسئله قابل پيش بيني نيز نمي باشد. در حقيقت، تخلخل هاي مخفي شده در داخل بتن هاي با استحكام 20 مگاپاسكال، به خودي خود، يك زندگي ميكروسكوپيك خاص است. باكتري ها، ميكروب ها، خزه ها و گلسنگ ها در داخل تخلخل هاي بتن پيشروي مي كنند. باكتري تري باسيلوس فروكسيدانس براي رشد به كلسيم سولفات نياز دارد. اين كلسيم سولفات بواسطه ي حمله ي اسيد حاصل از باران هاي اسيدي به سنگ آهك و بتن، ايجاد مي شود. البته اين باكتري سپس تكثير مي شود و اسيد سولفوريك توليد مي كند. اين اسيد سولفوريك به بتن حمله مي كند . موجب تخريب دوباره ي بتن و توليد كلسيم سولفات جديد مي شود.
HPC كه داراي ميزان تخلخل كمتري است، مقاومت بيشتري در برابر اثر آلودگي ها دارد و اين يكي از دلايلي است كه استفاده از آن در آينده افزايش مي يابد. در واقع ميزان تخلخل اين ماده كمتر است و از اين رو احتمال تخريب هاي اين چنيني در اين بتن ها كمتر است.
در پروژه هاي BOOT، ما مشاهده كرده ايم كه وقتي يك پيمانكار مجبور باشد تا ساختماني را بنا كند كه عمري بين 25 تا 30 سال داشته باشد، او در مورد اين مسئله ترديد نمي كند و از HPC استفاده مي كند.

مسابقه براي افزايش استحكام

اگر چه استحكام فشاري بتن يكي از ويژگي هاي ضروري آن نيست (به دليل اينكه دوام آن مهم تر است)، اين تصديق شده است كه اين دو ويژگي با هم رابطه ي نزديكي دارند. اهميت بالاي استحكام فشاري و سهولت اندازه گيري آن مي تواند اين مسئله را توضيح دهد كه چرا افزايش در استحكام فشاري بتن يك ويژگي مهم تلقي مي شود. برخي از محققين اعلام كرده اند كه آنها موفق به توليد بتن هايي شده اند كه داراي استحكام فشاري بسيار بالايي هستند اما اين پذيرفته شده است كه تمام اين تلاش ها براي كاربردهاي صنعتي خاص انجام شده است.
در واقع اين گزارش شده است كه با استفاده از عمليات هاي آماده سازي مكانيكي و گرمايي ساده، امكان توليد بتن هايي با استحكام 400 مگاپاسكال وجود دارد. Pierre Richard توانسته است با استفاده از پودرهاي فلزي، بتن هايي با استحكام 800 مگاپاسكال توليد كند. از اين رو توليد بتن هاي با پودر فعال (RPC) كه استحكامي برابر با 1 گيگاپاسكال دارند، در آينده ميسر مي شود. چه آينده اي براي اين بتن ايجاد مي شود در حالي كه استحكام آن سه برابر استحكام فشاري فولاد است؟ هيچكس نمي داند اما من شك ندارم كه در اين قرن، اين نوع از بتن مي تواند توليد و مورد استفاده قرار گيرد. در اين ميان، اهميت متراكم شوندگي اسكلت بندي اگريگيت ها، عمليات هاي آماده سازي گرمايي و محدود كردن قابل توجه است. كار خلاقانه ي توليد اين بتن ها بوسيله ي Pierre Richard موجب شده تا اين تكنولوژي به تكنولوژي ساده و قابل اجرايي تبديل شود.
البته قيمت يك متر مربع بتن RPC براي بسياري از مهندسيني كه مي خواهند از آن استفاده كنند، وحشت آور است. به هر حال، اين فهميده شده است كه قيمت واحد بتن با پودر فعال بايد بر اساس متر مكعب گزارش نشود و به جاي آن از واحد يك تن ماده استفاده شود. زيرا RPC بايد با فولاد مقايسه شود نه با بتن هاي با كارايي بالا.
وقتي پل Sherbrooke ساخته شد، هزينه ي مواد مورد استفاده براي توليد بتن هاي با پودر فعال تا 1000 دلار آمريكا بر واحد متر مكعب، تخمين زده شد. هم اكنون همان RPC را مي توان با هزينه اي برابر با 750 دلار بر متر مكعب توليد كرد. همچنين در آينده ي نزديك اين هزينه شايد به 600 تا 650 دلار بر متر مكعب برسد. هزينه ي مواد مورد استفاده در توليد RPC مي تواند به دو بخش تقسيم شود. يكي هزينه هاي مربوط به پودر و ديگري هزينه ي مربوط به الياف مورد استفاده.
به هر حال، حتي درصورتي كه هزينه ي اين بتن ها را 1000 دلار در نظر بگيريم، در برخي كاربردها كه دوام و استحكام فشاري فاكتورهاي كليدي هستند، اين بتن ها مي توانند با مواد ساختاري مانند فولاد رقابت كنند (هزينه ي فولاد در سال 2000 برابر با 1200 تا 1500 دلار بر تن بوده است).
علاوه بر اين، در برخي كاربردها، RPC نه تنها با فولاد، بلكه با آهن خام، آلومينيوم و حتي چوب نيز رقابت مي كند.

بتن هاي آينده در چشم اندازه توسعه ي پايدار

همانگونه كه مي دانيد، مفهوم توسعه ي پايدار يك مفهوم زودگذر نمي باشد در واقع مفهوم آن ايجاد سياستي است كه به مسائل محيط زيستي از جمله انتشار گازهاي گلخانه اي توجه خاصي داشته باشد. امكان زندگي در شهرهاي بزرگ به دليل وجود آلودگي هوا، سخت شده است.
در واقع به هر قيمتي بايد محيط زيست را حفظ كرد. زيرا اين محيط زيست ميراث بچه ها و نوه هاي ما است. وقتي اين مشخص شده است كه تنها يك سوم از دنيا از سطح زندگي با استاندارد بالا برخوردارند، اين ضروري است كه سياست هاي توسعه ي پايدار به منظور بهبود وضعيت محيط زيست تدوين و اجرا شود.
صنعت بتن و سيمان هيچ انتخابي ندارند، آنها بايد به سمت كاهش انتشار گازهاي گلخانه اي حركت كنند. من بدون هيچ شكي مي گويم كه صنعت بتن و سيمان اين قابليت را داراي مي باشند و مي توانند اين تغييرات را انجام دهند. صنعت سيمان يا صنعت بايندرهاي هيدروليك بايد به صنعتي سبز تبديل شوند. هيچ انتخاب ديگري وجود ندارد و هيچ راه فراري وجود ندارد، بايد با اين مسئله روبرو شويم. بايد صنعت سيمان را به صنعت سبز تبديل كنيم. در انتها بايد گفت، راه هاي زيادي وجود دارد تا اين كار را انجام دهيم. همچنين بايد اين مسائل براي عموم مطرح گردد و آنها با اين مقوله آشنا شوند.
بتن هاي آينده دوام بيشتري دارند و به گونه اي توليد مي شوند تا بتوانند نيازهاي اجتماعي – اقتصادي را با حداقل اثر بر روي محيط زيست، برطرف كنند. هزينه ي اين پروژه ها در آينده نه تنها از هزينه هاي اقتصادي تشكيل شده است، بلكه به اين هزينه ها، هزينه هاي محيط زيستي و اجتماعي نيز افزوده مي شود.

اثرات زيست محيطي بتن

اين مسئله را بايد گفت كه ميزان مصرف انرژي در صنعت بتن بالاست. همچنين راه هاي زيادي براي كاهش ميزان انتشار دي اكسيد كربن، اكسيدهاي نيتروژن و مقدار اگريگيت مورد استفاده در توليد بتن، وجود دارد. اين مسئله همچنين ضروري است كه بفهميم چگونه مي توان هزينه هاي زيست محيطي و اجتماعي- اقتصادي اين پروژه را كاهش دهيم.
وقتي اهميت يك چنين هزينه هايي در نظر گرفته شود، اين فهميده مي شود كه HPC و RPC ها در مقايسه با بتن هاي با استحكام 20 تا 30 مگاپاسكال، بتن هاي كم هزينه اي هستند. زيرا اين مواد داراي دوام بيشتري هستند و به آساني قابليت بازيافت دارند.
در اين سده، اين به نظر مي رسد كه شركت هاي سيمان بايندرهايي را جايگزين سيمان مي كنند كه نسبت به سيمان بيشتر دوستار محيط زيست هستند. اين دليل اين موضوع است كه چرا اجزاي معدني به عنوان افزودني در طي 30 سال گذشته مورد استفاده قرار گرفته است. اين ضروري نيست كه به متون قديمي رومي برگرديم تا بفهميم چرا نياز است تا از پزولان استفاده شود. صنعت سيمان و بتن شروع به كنترل بازار پزولان ها مصنوعي (مانند متاكائولن، خاكستر شلتوك برنج و ...) خواهد كرد. در واقع اين ديگر صحيح نيست كه بگوييم مخلوط كردن هر جزء معدني، استحكام فشاري اوليه ي بتن را كاهش مي دهد زيرا از آنجايي كه امكان استفاده از سوپرپلاستيسايزر در سيمان و بتن وجود دارد، استحكام فشاري اوليه ديگر بوسيله ي مقدار فازي C_3 S و ريز كردن سيمان كنترل نمي شود بلكه اين استحكام بوسيله ي دانسيته ي خميري هيدراته، تعيين مي شود. اين دانسيته تابعي از نسبت آب/ بايندر و يا نسبت آب/ سيمان است. در سيستم هاي با دانسيته ي بالا، اين ضروري نيست كه مقدار پيوند C-S-H بيشتري داشته باشيم. اما در حال حاضر، يك چنين راه حل هايي امروزه عملي و اقتصادي نمي باشد به نحوي كه در اين زمينه محدوديت هاي عملي وجود دارد كه در بيرون اين محدوديت ها استفاده از سيمان پرتلند خالص در زماني كه استحكام فشاري اوليه ي بالا ضروري است، ارزان قيمت تر است.
تا سال هاي اخير، وقتي سيمان پرتلند با ساير بايندرهاي صنعتي، مقايسه مي شوند، اين گفته مي شود كه اين بايندرهاي صنعتي (معمولاً گچ يا آهك) به صورت سيكلي براي واكنش هاي شيميايي مورد استفاده قرار مي گيرند در حالي كه استفاده از سيمان پرتلند به صورت خطي است. اما اگر مقياس زماني تغيير كند، اين نتيجه گيري ديگر قابل قبول نيست. در حقيقت، اگر مقياس زماني به يك مقياس زمين شناسي تبديل شود، عمر استفاده از تمام اين بتن ها نيز يك روز مانند سنگ آهك، رس، اكسيد آهن و ماسه به پايان مي رسد. اين چيزي است كه ما از طبيعت ياد گرفته ايم.

بايندرهاي آينده

پيش بيني آينده كاري سخت است اما مي توان چند پيشگويي انجام داد. بايندرهاي آينده شامل مقادير كمتري كلينكر آسياب شده هستند. آنها ضرورتاً مقدار فاز C_3 S كمتري خواهند داشت و در ساخت آن از سوخت هاي جايگزين استفاده خواهد شد. در اين زمينه استانداردهاي قوي تري تدوين خواهد شد. بايندرهاي آينده احتمالاً داراي سازگارپذيري بيشتري نسبت به بتن هاي قوي تر، هستند. هنوز هم چالش ها در اين زمينه وجود دارد و مباحث مطرح شده در بالا، مقدمات اين زمينه مي باشد.

افزودني هاي آينده

افزودني هاي سيمان در آينده متعددتر خواهد شد و آنها اغلب به طور تخصصي تر براي سيمان ها توليد مي شوند. آنها خالص تر مي شوند و دقت عملكرد آنها افزايش خواهد يافت. همچنين سازگارپذيري اين افزودني ها با سيمان ها مختلف نيز افزايش خواهد يافت.
افزودني ها به يكي از اجزاي اصلي در بازار سيمان تبديل شده اند. اين افزودني ها همچنين چالش هاي جديدي را بوجود مي آورند زيرا اختلاط سيمان با اين افزودني ها يكي از فرصت هاي جالب توجه است كه در اين ميان گاهاً چالش هايي نيز رخ مي دهد.

بتن هاي آينده

بتن هاي آينده سبزتر و سبزتر مي شوند. اين بتن ها به احتمال زياد داراي نسبت آب/ بايندر پايين هستند و خواصي خواهند داشت كه از يك نوع سيمان به نوع ديگر، متفاوت خواهد بود. زمان بتن هاي با ارزش پايين به پايان رسيده و عصر بتن هاي جديد شروع خواهد شد. اين بايد تشخيص داده شود كه اين بتن ها داراي مزيت هاي بيشتري نسبت به بتن هاي معمولي هستند. وقتي صنعت سيمان و بتن (يعني پيمانكاران و صاحبان ساختمان ها) اين مسئله را تشخيص دهند، ساختمان هايي مي سازند كه نسبت به بتن هاي كنوني پيشرفته تر هستند.
من بالنفسه اين اعتقاد را دارم كه استفاده از پروژه هاي BOOT مي تواند بر پيمانكاران فشار آوردند تا به تكاپو افتند و صنعت ساختمان را تغيير دهند.
توليدكننده ي بتن در آينده مي داند كه چگونه با انواع مختلف محصولات ارائه شده بوسيله ي توليدكنندگان سيمان و توليدكنندگان افزودني هاي سيمان، كار كنند. صنعت بتن آينده توليد محصولات سيماني را در آينده ادامه خواهد داد اما اين صنعت سعي مي كند تا محصولات سيماني كمتر و با ارزش افزوده ي بيشتر توليد كنند.

نتيجه گيري

بعد از مطالعه ي اين مقاله، ما بسيار شاد مي شويم اگر تنها يك ايده بوجود آيد: هر زمان يكي از پارامترهاي فرايند توليد سيمان به هر دليلي اصلاح شود، دو سوال قانوني بايد پاسخ دهي شود. اين سوالات در مورد پي آمدهاي اقتصادي و پي آمدهاي استانداردي است. در واقع اين سوال مطرح مي شود كه نتيجه ي اين اصلاح در كيفيت بتن بوجود آمده با سيمان جديد چيست؟ كيفيت به معناي اين است كه دوام مقدم تر از استحكام باشد. سيمان بايد محصولي سود ده باشد اما همچنين بايد اطمينان حاصل شود كه اين ماده توانايي رقابت با ساير مواد ساختماني را داشته باشد.
اين در كل اشتباه است كه فكر كنيم سيمان منحصراً ماده اي است كه بايد استانداردهاي موجود را داشته باشد. در واقع توجه به دنياي امروز و نيازهاي آن نيز يكي از مسائلي است كه بايد مد نظر قرار گيرد. به غير از بتن، استفاده هاي ديگر سيمان در چه زمينه هايي است؟ اين چالش صنعت سيمان و بتن براي قرن 21 است. اين چالش يك چالش محرك است.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.