مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع: راسخون
منبع: راسخون
مقدمه
بسياري از مردم هنوز هم اعتقاد دارند كه بتن بوسيله ي روميان ابداع شده است. البته برخي از ساختارهاي بتني ساخته شده بوسيله ي روميان، هنوز هم اشكال خوبي دارند و حتي در برخي موارد هنوز مورد استفاده قرار مي گيرد (مانند معيد و استاديوم در رم)، ساختمان Pont du Gard در فرانسه و كانال آبي Segovia در اسپانيا، ديوار Hadrian در انگليس، و كانال آبي Cologne در آلمان (شكل 1 تا 5) نيز از جمله ي اين ساختمان هاست. به هر حال، باستان شناسان اثبات كرده اند كه حتي قبل از روميان، يونانيان نيز از بتن در مقياس كوچكتر استفاده كرده اند.
با توجه به كارهاي انجام شده بوسيله ي اين نويسندگان، كشف خواص اتصال دهندگي آهك به احتمال زياد در زماني كشف شد كه از آتش براي حرارت دهي قارها و يا پخت و پز استفاده شده است. به دليل اينكه آهك به سهولت و در حضور آب، هيدراته شده و در هوا سخت مي شود، اين مشكل نبوده است كه خواص اتصال دهندگي آهك، كشف شود.
بر اساس داده هاي بدست آمده از آناليز كربن 14، Thornton در سال 1996 گزارش داده است كه يكي از قديمي ترين موارد استفاده از بتن در اروپاي مركزي در Lepenski Vir (نزديك رودخانه ي دانوب) مشاهده شده است. در اين مكان، كف سازي هايي با ضخامت 250 ميلي متر از جنس بتن مشاهده شده است كه 5600 سال قبل از ميلاد مسيح ساخته شده اند. اين بتن مخلوطي از آهك قرمز و شن و ماسه بوده است.
استفاده از آهك به ناحيه ي Middle East محدود نبوده است و از آن در منطقه ي مديترانه يا اروپا نيز استفاده مي شده است. Thornton (1996) به اين مسئله اشاره كرده است كه آهك 3000 سال پيش از ميلاد مسيح در Dadiwan مورد استفاده قرار مي گرفته است. ازاين ماده در كف سازي استفاده مي شود. اين بتن از ماسه سنگ، سنگ، تكه هاي كوزه و استخوان تشكيل شده است.
به هر حال، براي كساني كه متقاعد نشده اند، بايد گفت، مصريان از بلوك هاي بتني در ساخت اهرام خود استفاده كرده اند. اين نكته را بايد همچنين گوشزد كنيم كه بلوك هاي داخلي اهرام ها از بتن ساخته شده اند و تنها بلوك هاي خارجي اين اهراف از سنگ آهك تشكيل شده اند. با توجه به تحقيقات انجام شده بوسيله ي Davidovits، در بتن مورد استفاده در اهرام از اتصال دهنده هاي خاصي استفاده شده است. اين اتصال دهنده ژئوپليمر ناميده مي شود. اين اتصال با مخلوط كردن لجن رودخانه ي نيل، پودر آهك و يك ماده ي معدني توليد شده از سولفات قليايي آلومينيوم و كريسوكولا (turquoise chrysocolla) ايجاد مي شود. خواص اتصال دهندگي اين ژئوپليمر بر اساس فعال سازي قليايي پايه گذاري شده است و استفاده از آن موجب تشكيل فازهاي زئوليتي مي شود.
با توجه به تحقيقات انجام شده بوسيله ي Davidovits، اين تكنولوژي با كاهش منابع سولفات قليايي آلومينيوم و كريسوكولا كه از كوه هاي سينا بدست مي آمد، ناپديد شد. البته اين ديدگاه در مورد ساخت اهرام، نسبت به ديدگاه برخي محققين ديگر مانند Campbell و Folk متفاوت است.
كشف خواص اتصال دهندگي اين ژئوپليمرها بوسيله ي Davidovits ثبت اختراع شده است و LONESTAR، توليدكننده ي آمريكاي سيمان، اين محصول را تحت ليسانس Davidovits توليد مي كند. LONESTAR نوع جديدي از سيمان را به بازار ارائه نمود كه PYRAMENT ناميده مي شود. اين واژه از ابتداي واژه ي اهرام (Pyramid) وانتهاي واژه ي سيمان (cement) ايجاد شده است. تنها مشكل LONESTAR، عدم توانايي اين شركت براي توليد بايندر صنعتي با توانايي قابل مقايسه با سيمان پرتلند مي باشد.
اين مسئله قطعي است كه روميان كه در زمان هاي قديم، از بتن در انواع مختلف كاربردها و در سرتاسر امپراتوري خود، استفاده كرده اند (شكل 6). به هر حال، بعد از فروپاشي امپراتوري روميان به دليل حملات بربرها، براي بررسي اتصال دهنده هاي هيدروليكي و بتن، اين ضرروي است كه به قرن 19 ام نگاه كنيم. تلاش هاي انجام شده در زمينه ي توليد سيمان، منجر به ثبت اختراع سيمان پرتلند بوسيله ي Joseph Aspdin شده است.
سنگ گچ يكي از اولين اتصال دهنده ها
علارغم اين حقيقت كه سنگ گچ اولين اتصال دهنده ي مصنوعي مورد استفاده، نبوده است، اين مناسب است كه بررسي را با اين ماده آغاز كنيم؛ زيرا از نقطه نظر فرآوري و شيميايي، اين ماده ساده ترين ماده ي ساختماني مورد استفاده است. با توجه به Stark و Wicht (1999)، ويژگي هاي اتصال دهندگي سنگ گچ 10000 تا 20000 سال پيش، كشف شده است. اين مشكل است كه داده هايي دقيق در اين زمينه ارائه كنيم زيرا پايداري سنگ گچ در محيط هاي مرطوب پايين است. اولين استفاده از سنگ گچ به استفاده از اين ماده در fresco (تركيه) بر مي گردد. اين استفاده 9000 سال پيش از ميلاد مسيح انجام شده است. كاوش هاي باستان شناسي كه اخيرا انجام شده است، نشان مي دهد كه از اين ماده در كف سازي Jericho در نزديكي درياي جليل در فلسطين اشغالي، مورد استفاده قرار گرفته است. اين استفاده به 6000 تا 7000 سال پيش از ميلاد مسيح بر مي گردد. علاوه براين، چندين مرجع در مورد استفاده از اين ماده بوسيله ي سومريان و بابلي ها نيز وجود دارد.بسياري از مطالعات باستان شناسي انجام شده در مصر نشان داده است كه سنگ گچ به عنوان بايندر در ملات ها مورد استفاده قرار مي گرفته است. Snell (2000) بيان كرده اند كه در موارد خاص، ملات هاي گچي تنها به عنوان روان ساز ميان بلوك ها سنگي مورد استفاده قرار مي گرفته است و استفاده از آن، موجب قرارگيري آسان تر بلوك هاي سنگي در مكان مورد نظر مي شود.
تمام اين يافته هاي باستان شناسي نشاندهنده ي اين است كه مصريان از انواع مختلفي از بايندرها استفاده كرده اند كه كم و بيش از آهك در آنها استفاده مي شود. اين اتصال دهنده ها گستره ي وسيعي از مواد را شامل مي شود. در تمام آنها واسط هاي انيدريدي محلول تشكيل مي شود. با توجه به تحقيقات انجام شده بوسيله ي Martinet (1992)، تمام ملات ها مورد استفاده در طي عصر حجر، از كلسيم سولفات توليد شده اند كه به آنها برخي افزودني ها (مانند شير، خون حيوانات و ...)، اضافه مي شود. با توجه به كار انجام شده بوسيله ي اين پژوهشگران، گچ مورد استفاده، ابتدا در دماي ℃ 300 پخت مي شد اما بعدها اين فهميده شد كه پخت در دمايي بين 120 تا ℃ 160 مناسب تر است.
تكنولوژي گچ مصريان بوسيله ي Cretan ها و يونانيان مورد اقتباس قرار گرفت. اين كار پيش از استفاده از اين تكنولوژي بوسيله ي روميان انجام شده است. به هر حال، اين به نظر مي رسد كه تكنولوژي گچ اندكي بعد از فروپاشي امپراتوري رم، ناپديد شد. در قرن 11، استفاده فراواني از گچ در ساختمان سازي روميان مخصوصا براي ساخت كليساها شده است. در طي قرن 13 ام، يك منشور سلطنتي استخراج از 18 معدن گچ مختلف در ناحيه ي فرانسه را گزارش داده اند. بعد از آتش سوزي لندن در سال 1666، France Louis XIV يك قرار داد براي استفاده از پوشش هاي گچي بر روي ساختارهاي چوبي به امضا رساند كه بوسيله ي آن، بتوان مقاومت اين ساختارها در برابر آتش را افزايش داد.
در سال 1768، Lavoisier نتايج اولين كار علمي خود در زمينه ي گچ را در مراجع علمي فرانسه، ارائه نمود. اين اولين مطالعه ي علمي است كه منجر به انجام كارهاي تحقيقاتي بعدي در اين زمينه شده است. در اين تحقيقات، مكانيزم هاي استحكام بخشي مورد ارزيابي و توصيف قرار گرفته است.
گچ يك ماده ي ساختماني مناسب در دوره ي 18 ام ميلادي بوده است. تهيه ي و دسترسي به گچ، كاري آسان است. ذخيره هاي گچ در بسياري از مكان ها وجود دارد زيرا اين ماده در رودخانه ها و بخش هاي داخلي دريا، وجود دارد. اين ماده در Middle East به طور گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد. اين مكان جايي است كه اولين انسان ها استقرار يافته اند.
دهيدراسيون گچ در دمايي در حدود 120 تا ℃ 160 انجام مي شود و اين هيداسيون مجدد در چند دقيقه و در دماي محيط انجام مي شود. شكل 7 نشاندهنده ي سيكل گچ مي باشد.
از نقطه نظر توليد، گچ يك ماده ي ايده آل است كه مي تواند به سهولت در خطوط توليد اتوماتيك، به صورت قطعه در آيد. در كارخانجات مدرن توليد گچ (شكل 8)، صفحات گچي با ضخامتي بين 5/12 تا 16 ميلي متر، و با سرعتي برابر با 15 km/h توليد مي شود. صفحات گچي با عبور از يك خط توليد 300 متري، در مدت 4 دقيقه سخت مي شوند. اين صفحات سپس در ابعاد مورد نظر بريده مي شود و به مدت 40 دقيقه خشك مي شود تا آب غير استوكيومتري آن خارج شود. در آمريكا، وقتي صنعت ساختمان داراي ترافيك كاري بالايي است، كارخانه هاي گچ مي توانند 360 روز سال و 24 ساعته كار كنند. اين كارخانه ها تنها نيازمند نظارت 6 نفر براي دو خط توليد هستند. براي اين 6 نفر، 4 نفر مسئول شكل دهي هستند. هر هفته،خط توليد بايد به مدت 4 ساعت براي تعميرات خاموش شود.
استفاده از آهك
همانگونه كه قبلا بدان اشاره شد، با توجه به تحقيقات Kingery (1980)، تكنولوژي آهك بسيار قبل از تكنولوژي كوزه گري، وجود داشته است. آخرين اكتشافات باستان شناسي نشان داده است كه از آهك در طي عصر حجر يعني 10000 تا 20000 سال پيش به عنوان بايندر مورد استفاده قرار مي گيرد. Malinowski و Garfinkel همچنين اين مسئله را مورد تأييد قرار داده اند. اطلاعات در زمينه ي پخت رس ها به 4000 سال پيش از ميلاد مسيح بر مي گردد. ملات هاي بسيار قديمي از آهك در Crete ، قبرس و آتن، كشف شده است.به هر حال، استفاده از آهك گسترش نيافته است. براي مثال، در مصر، آهك تنها در دوره ي بطليموسي يعني 300 سال پيش از ميلاد مسيح، مورد استفاده قرار مي گرفته است. در اين زمان، يونانيان تكنولوژي استفاده از آهك را به مصريان آموزش دادند. اين مسئله به نظر مي رسد كه فقدان وجود مواد قابل اشتعال مناسب، دليلي است بر اين موضوع كه چرا آهك ديرتر مورد استفاده قرار گرفته است.همچنين در مصر منابع آهك كمتر وجود دارد و اين مسئله يكي ديگر از دلايل رشد ديرهنگام استفاده از اين ماده است.
استفاده از آهك و بتن به مديترانه ي شرقي يا Middle East محدود نمي شود. ديواره هاي بنايي داراي آهك، 200 سال پيش از توليد مسيح در Bali اندونزي ساخته شده است. اخيرا كاوش هاي انجام شده در كلمبيا نيز نشاندهنده ي استفاده از آهك در ساخت ساختمان ها بوده است.
در طي دوره ي مياني تاريخ زمين شناسي، اين به نظر مي رسد كه استفاده از تكنولوژي آهك محدود شده است. اين نتيجه از مطالعات انجام شده بر روي قلعه هاي انگليسي در طي قرون 9، 10 و 11 بدست آمده است. آهك بطور ناچيز كلسينه مي شود و مخلوط شوندگي آن با ملات نيز ضعيف است.
آماده سازي آهك تا زمان اختراع كوره هاي عمودي، به كمال نرسيد. اين كوره هاي عمودي به طور متناوب كار مي كنند. آهك از انتهاي اين كوره ها خارج مي شود.
سال ها قبل، اين فهميده شد كه آهك مي تواند با ماسه و آب مخلوط شود و براي توليد ملات روان استفاده شود. اين ملات مي تواند حفرات غير يكنواخت بين بلوك هاي سنگي را پر كند. فرآوري آهك هيدراته براي مدت ها، يك فرايند كاملا بحث برانگيز است. آيا آهك درست قبل از استفاده از آن، بايد خيس شود يا اين بهتر است كه آن را به محض نياز، با آب مخلوط شود و زير آب نگهداشته شود؟ در طي ساخت كاخ Versailles، Loriot و de La با اين موضوع موافق نبودند. Loriot مي گفت كه آهك بايد تنها قبل از استفاده، خيس شود، در حالي كه de La فكر مي كرد كه آهك بايد تا هر زماني كه امكان دارد، خيس شود و قبل از استفاده، زير آب نگه داشته شود.
بنايي با تفاوت قائل شدن ميان آهك خالص و آهك ناخالص انجام شده است. آهك ناخالص به سهولت قابل استفاده نمي باشد اما آنها فهميده اند كه آهك ناخالص داراي دوام بالاتري است. در طي ساخت Eddystone Lighthouse، آقاي J. Smeaton يك بررسي بر روي كيفيت اتصال آهك هاي مختلف در انگليس انجام داد و فهميد كه نوع از آهك داراي اتصال پيوند بالايي است كه از منابع دريايي بدست مي آيد. اين اولين كار سيستماتيك شناخته شده در زمينه ي بهبود كيفيت و دوام در كارهاي بنايي است.
توليد آهك بسيار ساده است زيرا اين توليد تنها با حرارت دهي بلوك هاي آهكي در دمايي در حدود ℃ 850 انجام مي شود. اين دما معمولا با سوزاندن چوب قابل دستيابي است (شكل 9). علاوه بر اين، وقتي پخت اين ماده را با پخت گچ مقايسه كنيم، اين مسئله واضح است كه ميزان انرژي مورد نياز براي پخت آهك بيشتر است. بنابراين، دليل استفاده ي ديرتر از اين ماده در Middle East و مصر، نشان داده مي شود. در واقع در اين مناطق، سوخت كمتر وجود دارد (بجز در مناطق فنوليكيا و يونان). براي سخت شدن، آهك هيدراته نياز به حضور دي اكسيد كربن دارد.
اكنون، آهك به عنوان يك ماده ي ساختماني مورد استفاده قرار مي گيرد. اين ماده با نسبت يك دوم با سيمان پرتلند مخلوط مي شود و ملات تهيه مي شود.
بايندرهاي هيدروليكي بر پايه ي مواد پزولاني
اگرچه ملات ها و بتن هاي پزولاني يك نوع خاص از ملات هاي آهكي خاص است، اين مواد داراي نقش كليدي در ساختمان سازي است زيرا آنها اولين اتصال دهنده هاي هيدروليكي است كه در زير آب، سخت مي شوند. اتصال دهنده هاي پزولاني مواد مقاومي هستند و استحكام آنها در زماني كه در تماس با آب قرار داده مي شوند، كاهش نمي يابد. وقتي ملات ها يا بتن هاي پزولاني به خوبي متراكم شوند، بعد از گذشت چند روز، به استحكام فشاري 10 Mpa مي رسد.كاوش هاي اخير نشان داده است كه مواد پزولاني در طي عصر حجر نيز مورد استفاده قرار مي گرفته اند، اما اين تكنولوژي تنها بوسيله ي فنيقي ها و در مقياس كوچك، مورد استفاده قرار مي گرفته است. بعدها، اين تكنولوژي بوسيله ي روميان و در مقياس بزرگتر مورد استفاده قرار گرفته است.
فنيقي ها و برخي اقوام قبل از آنها نيز فهميده بودند كه از ضايعات رس پخته شده مي تواند براي توليد ملات هاي با كارايي خاص استفاده كرد (شكل 10). يوناني ها نيز آهك را با خاكستر آتشفشاني جزيره ي ترا مخلوط كردند و از آنها به عنوان اتصال دهنده استفاده كردند. روميان از خاكسترهاي با رنگ قرمز تا بنفش استفاده مي كردند كه اين مواد آتشفشاني كه در شهري در ايتاليا استخراج مي شد، پزولان ناميده شد. يك پزولان يك ماده ي طبيعي است كه در دماي معمولي، با آهك هيدراته واكنش مي دهد و كلسيم سيليكات هيدراته توليد مي كند. ماده ي حاصله شبيه سيمان پرتلند هيدراته است.
بتن هاي رومي بتن هاي خشكي هستند كه با استفاده از چكش فشرده سازي شده اند. Pliny به اين نكته اشاره مي كند كه كف مخزن هاي آب با استفاده از چكش هاي آهني، فشرده سازي شده اند. Rondelet (1805) اين نتيجه گيري را كرده است كه طول عمر ملات هاي رومي به طور ضروري با انرژي مورد استفاده براي فشرده سازي آنها در ارتباط است. 2000 سال پيش از Feret و Abrams اهميت وجود حفرات بر روي استحكام فشاري بتن را مورد ارزيابي قرار دادند. اين نيز فهميده شده است كه بنايان رومي آهك را با سفيده ي تخم مرغ و خون حيوانات، مخلوط مي كردند و براي توليد ملات يا بتن مورد استفاده قرار مي دادند.
براي قرن ها، هيچ مهندس يا معماري، قبه اي بزرگتر از معابد نساخته است، ميكل آنژ قبه ي St Peters را در رم طراحي كرد. اين قبه داراي قطر 42 متر است و با استفاده از زنجيره هاي آهني تقويت شده اند. تنها در سال 1889 بود كه اسپانيايي ها قبه اي بزرگتر از اين قبه طراحي كردند و ساختند. اين قبه داراي قطري برابر با 113 متر بود. هم اكنون، نيز بزرگترين قبه با قطري برابر با 219 متر در پاريس ساخته شد.
از نقطه نظر مواد مورد استفاده در ساخت، قبه ي Pantheon ( معبد) نيز قابل توجه است. اين گنبد با استفاده از 6 نوع بتن با جرم هاي واحد مختلف ساخته شده است (شكل 11). فونداسيون اين قبه با استفاده از بتن با دانسيته ي
2200 ساخته شده است. ديواره هاي اين قبه كه با استفاده از آجرهاي رسي دكوراسيون شده است، با استفاده از بتن سبك تري توليد شده اند كه دانسيته اي برابر با 1750 دارد. در بخش قاعده ي قبه، جرم واحد بتن برابر با 1600 مي باشد و در بخش بالايي و نزديك به پنجره هاي اين قبه، بتن داراي جرم واحدي برابر با 1350 مي باشد. براي سبك سازي اين ساختار از سنگ پا استفاده شده است.
