بتن امروزه یکی از مهم‌ترین مواد اولیه برای ساختمان‌سازی است. شکل‌پذیری، فراوانی، خواص مقاومتی و دیگر ویژگی‌های بتن، آن را به این درجه از محبوبیت رسانده است. بااین‌حال، این ماده پرکاربرد نقاط ضعفی نیز دارد که مقاومت حرارتی و مقاومت کششی پایین، ازجمله آن‌هاست. مقاومت دمایی پایین بتن باعث می‌شود که این ماده در برابر سرما و گرما دچار انقباض شود. اتفاقی که ممکن است که باعث خطرات و آسیب‌های جدی به ساختمان شود. یکی از راه‌کارهای مقابله با چنین اتفاقی، استفاده از ابزاری به نام میلگرد حرارتی است.
در این مقاله اهن الات نوین ارکا ،به تعریف مفاهیم بتن مسلح و غیرمسلح و سپس میلگرد حرارتی می‌پردازیم. با توجه به این تعاریف، در بخش بعد مشخص می‌کنیم که چرا باید در ساختمان‌سازی از میلگرد حرارتی استفاده نماییم. همچنین، نگاهی به اجمالی به تاریخچه بتن آرمه در جهان می‌اندازیم. در پایان هم، ملاحظات لازم، برای اجرای صحیح این عملیات را ارائه می‌دهیم.
بتن مسلح چیست؟
بتن مسلح نوعی بتن است که در آن از میلگردهای فولادی یا الیاف فلزی و غیرفلزی برای افزایش مقاومت کششی و جلوگیری از ترک‌خوردگی استفاده می‌شود. بتن به‌تنهایی مقاومت فشاری بالایی دارد، اما در برابر نیروهای کششی و خمشی ضعیف است. با افزودن میلگرد یا آرماتور، این ضعف جبران شده و بتن می‌تواند در سازه‌هایی مانند پل‌ها، ستون‌ها، و سقف‌ها به کار رود. این ترکیب مقاومت و دوام سازه را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد و در برابر عوامل محیطی مانند زلزله و تغییرات دما عملکرد بهتری دارد.
دلایل استفاده از فولاد در بتن
امروزه در مهندسی سازه از ترکیب فولاد و بتن استفاده می‌کنند. این مصالح ساختمانی، خصوصیات مشترک زیادی با هم دارند و می‌توانند معایب یکدیگر را به خوبی پوشش دهند. به‌عنوان‌مثال، ضریب انبساط حرارتی فولاد و بتن برابر است؛ این مشابه بودن ضریب انبساط حرارتی فولاد و بتن مانع از ترک‌خوردگی بتن در زمان انبساط می‌شود. به عبارتی، فولاد و بتن همزمان تغییر طول می‌دهند و فولاد در صورت نوسان دما باعث تنش در بتن نمی‌شود. علاوه بر این، فولادها قابلیت چسبندگی مناسبی دارند و در داخل بتن دچار لغزش نمی‌شوند؛ مخصوصا اگر فولادهای بکاررفته در بتن از نوع آجدار باشند. بتن نیز مانند یک محافظ از فولاد در برابر عوامل مخرب جوی، آتش‌سوزی، هوازدگی و… مراقبت می‌کند.
انواع بتن مسلح با مقاطع فولادی
بتن مسلح قابل‌اجرا با مقاطع فولادی مختلف است؛ البته مقاطع باید مقاوم باشند تا بتوانند نقاط ضعف بتن را پوشش دهند. در این راستا، مهندسان و ساختمان‌سازان از میلگردها و الیاف فولادی استفاده می‌کنند. در قسمت زیر، به معرفی انواع بتن مسلح با مقاطع فولادی پرداخته‌ایم:
بتن مسلح با میلگرد فولادی
ایجاد بتن مسلح با ترکیب کردن بتن و میلگرد فولادی از روش‌های ساده و قدیمی است که در سازه‌های مختلف پیاده‌سازی می‌شود. میلگرد در مدل‌های میله، مش و کابل تحت‌عنوان المان‌های تقویت‌کننده در بتن قرار می‌گیرد و مقاومت آن را به صورت فوق‌العاده‌ای افزایش می‌دهد. میلگردهای مورداستفاده در بتن مسلح معمولا از جنس فولادی هستند؛ اما استفاده از میلگردهای شیشه‌ای و پلیمری نیز مرسوم است.
بتن مسلح با الیاف فولادی
بتن تقویت‌شده با الیاف یکی از انواع بتن مسلح است که از ترکیب ملات سیمانی با الیاف فولادی به دست می‌آید؛ البته از الیاف‌های دیگری نیز مانند الیاف پلی پروپیلن، الیاف پنیه نسوز، الیاف کربن، الیاف طبیعی و الیاف شیشه می‌توان استفاده کرد که هرکدام بسته به خصوصیات و شرایط خود کاربردهای متنوعی دارند. علاوه بر این، از مزایای بتن مسلح به الیاف فولادی می‌توان به کاهش احتمال خوردگی و پوسیدگی بتن، تقویت خواص مکانیکی و کاهش جمع‌شدگی و ترک‌خوردگی بتن اشاره کرد.
کاربردهای ترکیب فولاد و بتن مسلح
افزایش استحکام و پیوستگی از نتایج ترکیب فولاد و بتن مسلح است. این مقاومت و یکدستی المان‌ها در مهندسی سازه اهمیت زیادی دارد؛ به همین دلیل، شاهد استفاده گسترده از ترکیب فولاد و بتن در پروژه‌های مختلف هستیم. در قسمت زیر، شناخت کافی نسبت به کاربردهای ترکیب فولاد و بتن مسلح به دست خواهید آورد:
- جاده‌سازی
- اجرای فونداسیون
- ایجاد کانال و لوله
- پل‌سازی و سدسازی
- ساخت سازه‌های شناور
- ساخت سازه‌های دریایی
- ساختمان با اسکلت بلند
- ساختمان‌های پیش‌ساخته و عمرانی
ویژگی‌های فولاد مناسب برای استفاده در بتن مسلح
فولاد مناسب برای بتن مسلح باید مقاومت کششی بالا داشته باشد تا ضعف بتن در کشش را جبران کند. چسبندگی خوب با بتن، از طریق آج‌های روی میلگرد، برای جلوگیری از لغزش ضروری است. همچنین باید در برابر خوردگی مقاوم باشد و ضریب انبساط حرارتی مشابه بتن داشته باشد تا از ترک‌خوردگی ناشی از تغییرات دما جلوگیری شود. انعطاف‌پذیری مناسب و قابلیت جوشکاری نیز از ویژگی‌های مهم فولاد برای استفاده در بتن مسلح است.
برای استفاده مناسب فولاد در بتن، فرآیندهایی دقیق و اصولی لازم است:
- انتخاب میلگرد مناسب: نوع و قطر میلگرد باید بر اساس نقشه و نیاز سازه انتخاب شود.
- چیدمان میلگردها: میلگردها باید طبق طراحی مهندسی، در فواصل مشخص و با رعایت پوشش بتن (کاور) قرار گیرند.
- اتصال میلگردها: میلگردها با استفاده از سیم‌های آرماتوربندی یا جوش به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک شبکه منسجم تشکیل دهند.
- کنترل پوشش بتن: میلگردها نباید به سطح بیرونی بتن نزدیک باشند تا از خوردگی و تخریب جلوگیری شود.
- بتن‌ریزی دقیق: هنگام بتن‌ریزی، باید از لرزش کافی برای نفوذ بتن در اطراف میلگردها اطمینان حاصل کرد.
- نگهداری پس از بتن‌ریزی: مرطوب نگه‌داشتن بتن برای جلوگیری از ترک و تضمین گیرش مناسب فولاد و بتن الزامی است.
رعایت این مراحل، کارایی و دوام سازه را تضمین می‌کند.
• مقاومت کششی زیاد
• ضریب انبساط حرارتی یکسان با بتن
• سازگاری با حرارت زیاد
• پیوستگی مناسب با بتن
• ماندگاری بالا در محیط بتن
بتن مسلح ترکیبی از بتن و میلگرد (یا سایر مصالح تقویتی) است که برای افزایش مقاومت در برابر تنش‌های کششی و خمشی به کار می‌رود. بتن به تنهایی مقاومت بالایی در برابر فشار دارد اما در مقابل کشش ضعیف است؛ اضافه کردن میلگرد فولادی به بتن، این ضعف را جبران می‌کند. این ترکیب در ساختارهای مختلف از جمله پل‌ها، ساختمان‌ها، تونل‌ها و سدها استفاده می‌شود و به دوام و پایداری سازه کمک می‌کند. بتن مسلح به دلیل توانایی تحمل بارهای سنگین و مقاومت در برابر تغییرات دما، یکی از مواد اصلی در صنعت ساخت‌وساز است.
کاربرد میلگرد حرارتی در مسلح ساختن بتن
حال که با تعاریف اولیه آشنا شدیم می‌توانیم درباره فایده و کارکرد میلگرد حرارتی در بتن مسلح، صحبت کنیم.
مقاومت در برابر جمع شوندگی
مقاومت در برابر جمع‌شدگی به توانایی بتن برای کاهش تأثیرات ناشی از انقباض در هنگام خشک شدن اشاره دارد. زمانی که بتن خشک می‌شود، آب موجود در ساختار آن تبخیر شده و تنش‌های کششی داخلی ایجاد می‌شود که ممکن است به ترک‌خوردگی منجر شود. برای مقابله با این مسئله، از میلگردهای حرارتی یا افزودنی‌هایی مانند الیاف فلزی و فوق روان‌کننده‌ها استفاده می‌شود. این اقدامات کمک می‌کنند تا تنش‌های ناشی از جمع‌شدگی کنترل شده و دوام و یکپارچگی بتن افزایش یابد.
مقاومت در برابر تغییرات دمایی
مقاومت در برابر تغییرات دمایی به توانایی بتن برای تحمل انبساط و انقباض ناشی از تغییرات دما اشاره دارد، بدون اینکه ترک‌خوردگی یا شکستگی در آن ایجاد شود. این خاصیت برای سازه‌هایی که در معرض تغییرات شدید دمای محیط قرار دارند، حیاتی است. استفاده از میلگردهای حرارتی، افزودنی‌های خاص یا ترکیب بتن با الیاف فلزی، از جمله روش‌هایی است که به کاهش آسیب‌های ناشی از تغییرات دمایی کمک می‌کند و طول عمر سازه را افزایش می‌دهد.
کارکردهای دیگر میلگرد حرارتی
میلگردهای حرارتی کارکرد باربری نیز دارند و تحمل بار ساختمان را بالا می‌برند. باید اضافه کرد که درصورتی‌که از میلگرد حرارتی استفاده نشود، نفوذ آب به ترک‌های عرضی ایجادشده در بتن، باعث زنگ‌زدگی و پوسیدگی میلگردها و سازه‌های فولادی اصلی ساختمان خواهد شد.
از دیگر مزایای کاربرد میلگرد حرارتی در بتن، بالا رفتن ایمنی ساختمان در حوادثی مانند آتش‌سوزی و زلزله است. درواقع، در این حوادث، امکان فروریزی ساختمان به شکل چشمگیری کاهش می‌یابد.
قابلیت چسبندگی
به علت آج‌هایی که میلگردها دارند، به‌خوبی توسط بتن کنترل شده و در بافت بتن ادغام می‌شوند. این ویژگی، باعث می‌شود که میلگردها به‌آسانی حرکت نکرده و در زلزله و ضربات شدید، ساختار سازه بتنی را نگه دارند.
ملاحظاتی درباره نحوه اجرای میلگردهای حرارتی
برای اجرای بهینه یک شبکه میلگرد حرارتی، باید اصولی را در نظر داشت که در اینجا برخی از آن‌ها را بررسی می‌کنیم.
در ابتدا، باید گفت که شکل قرارگیری این میلگردها بر روی یکدیگر به‌صورت T شکل است. هر شکل دیگری باعث عدم عملکرد بهینه میلگردها به‌خصوص در تقسیم فشار می‌شود. میلگردهای طولی، نیروهای کششی واردشده از سوی بتن را تحمل و پخش می‌کنند. این در حالی است که میلگردهای عرضی، نیروهای برشی را تقسیم کرده و سبب استحکام شبکه مش میلگرد یا آرموتورها درون بتن می‌شوند. به میلگردهای افقی خاموت نیز گفته می‌شود.
نکته دیگر، فاصله میلگردها از یکدیگر است که به‌طورمعمول حدود 25 سانتیمتر، برای عملکرد بهینه در نظر گرفته می‌شود. در صورت بیشتر شدن فاصله، ممکن است میلگردها به علت فشار از نقاط مشخصی دچار شکستگی شوند یا نتوانند فشار را به‌خوبی تقسیم کنند که باعث افزایش ترک‌ها در بتن می‌شود. طبق یک استاندارد پذیرفته‌شده، فاصله بین میلگردهای حرارتی نباید از پنج برابر ضخامت دال بتنی، بیشتر باشد.
در اجرای میلگردهای حرارتی در سقف‌ها باید آن‌ها را روی یونولیت‌ها، چسباند. درواقع قرار دادن آن‌ها داخل بتن خطاست.
به‌طورکلی قطر میلگردهای حرارتی از میلگردهای معمولی که در تیرچه‌ها و اسکلت‌ها استفاده می‌شود، کمتر است. این امر خود به مقاومت کششی و دمایی بالاتر میلگرد کمک می‌کند. طبق استانداردهای مختلف، بهترین محل قرارگیری میلگرد حرارتی در بتن، یک‌سوم بالای دال بتنی است.
کاربردهای بتن مسلح
میلگردهای حرارتی علاوه بر ساختمان‌ها، در ساختن انواع سازه‌های شهری نیز استفاده می‌شوند. درواقع کارکرد حیاتی آن‌ها در سازه‌هایی مانند پل، زیرگذر، فرودگاه و غیره بهتر نمایان می‌شود. علاوه بر این، از این میلگردها در ساختن قسمت‌های زیر از ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
• سقف تیرچه‌بلوک. در این نوع سقف، از تیرچه به همراه بلوک‌های سفالی یا سیمانی استفاده شده است و میلگردها در آن‌ها به شیوه‌ای که ذکر شد، قرار می‌گیرند.
• سقف عرشه فولادی. این سقف از یک اسکلت فلزی ساخته شده و در آن میلگردها، پس از نصب گل‌میخ‌ها، شبکه‌بندی می‌شوند.
• سقف اسکلت بتنی. در این سقف میلگردهای حرارتی، پس از قرارگیری ورق‌های فولادی، نصب می‌شوند.
• سقف کرومیت. در این سقف‌ها میلگردها با جوش سرد به تیرچه‌ها متصل شده و به‌عنوان آخرین عمل قبل از بتن‌ریزی مش‌بندی می‌شوند.
• دیوار حائل. در دیوارهای حائل هم میلگردها بیشتر نقش بالابرنده مقاومت دمایی را بر عهده دارند. در صورت اجرای عمودی، 15 و در صورت اجرای افقی، 25 درصد کل مساحت دیوار را باید با میلگردهای حرارتی پوشش داد.
• دال‌های بتنی. در این ساختمان‌ها میلگردهای حرارتی، درست در جهت مخالف میلگردهای اصلی نصب‌شده و استحکام ساختمان را بالا می‌برند.
تاریخچه اجرای بتن مسلح
بتن مسلح یا بتن‌آرمه (که اصطلاحی فرانسوی است)، برای اولین بار در فرانسه، در سال 1849 و توسط باغبانی به نام جوزف مولیر ابداع و به کار گرفته شد. این اختراع وی در سال 1867 به نام خودش ثبت شد. در سال 1875، برای اولین بار در امریکا، این تکنیک برای مقاوم‌سازی ساختمان، توسط فردی بنام ویلیام وارد، در نیویورک به‌کار گرفته شد.
اولین سازه رسمی بتن‌آرمه جهان، یک ساختمان چهار طبقه است که در سال 1853 توسط مهندسی به نام کوینگت در حومه شهر پاریس و در خیابانی به نام چارلز میشل، ساخته شد.
بتن مسلح و میلگرد حرارتی در یک نگاه
بتن و فولاد، دو ماده اصلی سازنده انواع سازه‌ها و ساختمان‌ها هستند که اصطلاحا به فولاد ساختمانی شناخته می‌شوند. بتن، علی‌رغم مقاومت فشاری بالایی که دارد، به‌هیچ‌عنوان در برابر کشش، مقاوم نیست. درواقع نسبت مقاومت کششی و فشاری بتن، یک به ده است. به همین دلیل، تنها پس از چند روز از شکل‌گیری اولیه و همزمان با خشک شدن، پدیده‌ای به نام جمع شوندگی در بافت آن رخ می‌دهد.
مسلماً نمی‌توان به ایمنی ساختمان ساخته‌شده از چنین بتنی اعتماد کرد. یکی از راه‌کارهای رایج در این زمینه که نزدیک به 170 سال قدمت دارد، مسلح کردن بتن با میلگردهای حرارتی است. بتن مسلح یا آرمه، فشار واردشده به علت جمع شدگی یا تغییرات دمایی را به شبکه‌ای از میلگردهای حرارتی انتقال داده و آن‌ها به‌خوبی اینقی فشار را تحمل می‌کنند. درواقع، مقاومت کششی میلگردهای حرارتی بسیار بالاتر از بتن است.
اجرای شبکه میلگرد حرارتی یا مش، اصول و استانداردهایی دارد که در صورت رعایت نشدن، می‌توانند خسارات فراوانی به‌بار آورده یا حداقل از عملکرد بهینه آن بکاهد.
استفاده از بتن مسلح مزایای متعددی دارد که همگی آن‌ها را می‌توان در افزایش ایمنی، استحکام، مقاومت در برابر تغییرات دمایی، آتش‌سوزی و زلزله خلاصه کرد.