مقاله بررسی بتن و فولاد

مقاله بررسي بتن و فولاد در 38 صفحه ورد قابل ويرايش
آشنايي با بتن و فولاد

مقدمه

بتن يكي از مصالح ساختماني است كه بوسيلة آميختن مخلوط متناسبي از سيمان، مصالح سنگي (شن و ماسه) و آب بوجود مي آيد. آب و سيمان با تركيب شيميائي خود مصالح سنگي را، كه قسمت اعظم بتن را تشكيل مي دهند، به يكديگر چسبانده و تودة سخت سنگي شكل بتن را ايجاد مي نمايند.

بتن ماده اي است كه داراي مقاومت زيادي در فشار است و از اينرو استفاده از آن براي قطعات تحت فشار مانند ستونها و قوسها بسيار مناسب است، ليكن عليرغم مقاومت فشاري قابل توجه، مقاومت كششي كم و شكنندگي نسبتاً زياد بتن، استفاده از آن را براي قطعاتي كه تماماً يا بطور موضعي تحت كشش هستند محدود مي نمايد. براي رفع اين محدوديت، اعضا بتني تحت كشش هستند محدود مي نمايد. براي رفع اين محدوديت، اعضا بتني را با قرار دادن فولاد در آنها تقويت مي‌كنند. ماده مركبي كه بدين ترتيب حاصل مي‌شود بتن آرمه يا بتن مسلح ناميده مي‌شود.

ايده اصلي در ايجاد بتن مسلح استفاده از بتن براي تحمل فشار و استفاده از فولاد، كه معمولاً آرماتور ناميده مي شود، براي تحمل كشش است. براي روشن شدن بيشتر مسئله مي توان رفتار يك تير بتني غيرمسلح را كه روي دو تكيه گاه ساده قرار دارد بررسي نمود.

در مقاطع مختلف اين تير، تنش هاي كششي در زير صفحة خنثي و تنش هاي فشاري در بالاي آن ايجاد مي شوند. از آنجا كه مقاومت كشش بتن ناچيز است، اين تير داراي ظرفيت باربري كمي خواهد بود. در چنين تيري اصولاً مقاومت فشاري بتن نمي تواند مورد استفاده قرار گيرد. حال اگر همين تير در ناحية كششي توسط فولادهايي، كه معمولاً بصورت ميلگرد مستقيم مي باشند، مسلح شود قادر خواهد بود باري به مراتب بيشتر از بار حالت قبل (مثلاً تا 20 برابر) را تحمل نمايد. ساير اعضا بتني، نظير ستونها، كه عمدتاً در فشار كار مي كنند، را نيز با ميلگردهاي فولادي مسلح مي نمايند. وجود آرماتور در چنين اعضايي نيز سبب افزايش مقاومت آنها مي گردد، زيرا فولاد علاوه بر كشش در فشار نيز مقاومت بالايي دارد. بدين ترتيب از اجتماع دو مادة فولاد و بتن، ماده تقريبا جديدي بنام بتن مسلح ايجاد مي‌شود كه امروزه حوزه كاربرد آن بدون هيچ مرزي در حال گسترش است.

اساس رفتار مشترك فولاد و بتن تركيب طبيعي دو خاصيت مهم فيزيكي و مكانيكي اين دو ماده است: اول آنكه، بتن در اثر سخت شدن چسبندگي قابل ملاحظه اي با آرماتور فولادي ايجاد مي‌كند كه در نتيجه آن در يك عضو بتن آرمه تحت اثر بار، هر دو مادة فولاد و بتن با هم تغيير شكل مي دهند. دوم آنكه، بتن و فولاد داراي ضرائب انبساط حرارتي تقريباً يكساني مي باشند (مقدار اين ضريب به طور متوسط براي بتن 000010/0 و براي فولاد 000012/0 بازاء هر درجه سانتيگراد است) و در نتيجه در اثر تغييرات درجه حرارت، تنش هاي اوليه قابل توجهي در هيچ يك از دو مادة ايجاد نشده و لغزشي بين فولاد و بتن رخ نمي دهد.

بتن مسلح علاوه بر اينكه داراي مقاومت نسبتاً‌ بالايي است، در مقابل شرايط نامساعد محيطي نيز مقاومت خوبي دارد زيرا پوشش بتني روي آرماتور، فولاد را در مقابل خوردگي و اثر مستقيم آتش سوزي محافظت مي نمايد. در رابطه با مقاومت در مقابل آتش سوزي شايد توجه به اين نكته جالب باشد كه در حرارت حدود 1000 درجه سانتيگراد، حداقل يك ساعت طول مي كشد كه دماي فولاد داخل بتن، كه با يك لايه بتني به ضخامت 5/2 سانتيمتر پوشيده شده است، به 500 درجه سانتيگراد برسد. تجربه نشان داده است كه در آتش سوزي هاي با شدت متوسط، سازه هاي بتن آرمه تنها دچار خسارتهاي سطحي مي شوند و خللي در مقاومت و ظرفيت باربري آنها وارد نمي آيد.

به علت خواص متنوع و با ارزش بتن آرمه، نظير دوام (مقاومت در مقابل اثرات سوء ناشي از سيكل هاي انجماد و ذوب)، مقاومت در مقابل خورده‌گي، مقاومت در مقابل آتش، مقاومت زياد در مقابل بارهاي استاتيكي و ديناميكي، امكان ايجاد اشكال موردنظر از طريق شكل دادن به قالب عضو، و بالاخره مخارج نگهداري ناچيز در طول عمر سازه، امروزه از اين ماده بعنوان يكي از مقاومترين مصالح ساختماني در ساخت انواع سازه ها استفاده فراوان مي‌شود. ساختمانهاي مرتفع مسكوني و اداري، ساختمانهاي صنعتي، نيروگاههاي هسته اي، پل ها، سيلوها، تونل ها، انواع پوسته ها، سازه هاي هيدروليكي و بسياري سازه هاي ديگر از مواردي هستند كه بتن مسلح اسكلت اصلي و باربر آنها را تشكيل مي دهد.

يكي از جنبه هاي خاص رفتار سازه هاي بتن آرمه تحت اثر بار، امكان ايجاد ترك در قسمت هاي كششي مقاطع است. البته باز شدن چنين تركهايي تحت بارهاي معمولي وارد بر سازه، غالبا به قدري كم اهميت است كه به هيچ وجه استفاده از سازه را تحت تأثير قرار نمي دهند. اما چنانچه در موارد خاصي، با توجه به انتظاري كه از عملكرد سازه مي‌رود، وجود اين تركها بعنوان يك نقص تلقي شود و به عبارت ديگر لازم باشد از ايجاد ترك جلوگيري شود و يا ميزان باز شدگي آن محدود گردد، مي توان از ايدة پيش تنيدگي بتن استفاده نمود. در سازه هاي بتني پيش تنيده، بوسيلة كشيدن كابلهاي پيش تنيدگي، مقطع عضو بتني را تحت فشار اولية شديدي قرار مي دهند، تا بدين ترتيب پس از اعمال بارهاي موردنظر، در هيچ مقطعي از عضو بتني ايجاد كشش نشود.

از نظر تكنيك ساخت، اعضا و سازه هاي بتن آرمه يا پيش ساخته هستند، يا در جا ريخته شده و يا مركب. اعضا پيش ساخته اعضايي هستند كه در كارگاهها خاصي ساخته شده و براي نصب به محل موردنظر تحويل مي شوند. اعضا با بتن ريزي در جا، همانطور كه از نامشان پيداست، در همان محل واقعي خود در سازه بتن ريزي مي شودن و بالاخره اعضا مركب اعضايي هستند كه تركيبي از اجزاي پيش ساخته و بتن ريزي در جا هستند. اعضا و سازه هاي بتن آرمه كه به روشهاي فوق ساخته مي شوند اگرچه در برخي موارد تفاوت هاي مختصري در رفتار و جزئيات محاسبات دارند، اصول كلي طراحي آنها يكسان است و آنچه سبب انتخاب هر يك از اين روشها مي‌شود مسائلي نظير سرعت اجرا، دقت ساخت و توجيهات اقتصادي است.
مواد تشكيل دهنده بتن

مواد تشكيل دهنده بتن عبارتند از: سيمان، مصالح سنگي و آب و در برخي موارد مواد مضاف نيز بدانها اضافه مي‌شود. خواص بتن تر (قبل از سخت شدن)، مانند رواني، كارآيي و زمان گيرش، همچنين خواص بتن خشك (بتن سخت شده)، نظير مقاومت فشاري، مقاومت كششي، افت، خزش تو دوام بستگي به انتخاب و درصد مواد متشكله بتن دارد. از اينرو در اين بخش بطور اختصار خواص و نقش هر يك از اين مواد مورد بررسي قرار مي گيرند.

سيمان- هر ماده اي كه دانه هاي مصالح سنگي را براي تشكيل يك توده توپر و يكپارچه بهم چسباند سيمان نام دارد. سيمانهايي كه در صنعت بتن و بتن آرمه به كار مي روند سيمانهايي هستند كه در تركيب با آب موادي بوجود مي آورند كه تقريبا غيرقابل حل در آب مي باشند و از اين رو به آنها سيمان هيدروليكي گفته مي‌شود. از بين انواع اين سيمان نوعي كه بيشترين كاربرد را در بتن آرمه دارد سيمان پرتلند است.

پس از اينكه آب به سيمان افزوده مي‌شود مواد در سطح دانه هاي سيمان بوسيله آب حل شده و يك ژل، كه در واقع يك توده متراكم از ذرات فوق العاده كوچك است، ايجاد مي‌شود. اين ماده به تدريج افزايش حجم و سختي پيدا مي‌كند بطوري كه پس از چند ساعت سختي قابل ملاحظه اي در ملات ايجاد مي‌شود. اين عمل هيدراسيون نام دارد. هيدراسيون تدريجاً بيشتر به عمق دانه هاي سيمان نفوذ مي‌كند و در نتيجه سبب افزايش سختي ملات مي گردد. از نظر شيميائي، براي هيدراسيون كامل يك مقدار معين سيمان، در حدود 25 درصد وزن سيمان آب لازم است، ليكن براي سهولت حركت آب در مخلوط و رسيدن به ذرات سيمان، آب موردنياز 10 الي 15 درصد بيش از ميزان ذكر شده مي باشد. بنابراين حداقل نسبت وزني آب به سيمان بين 35/0 و 4/0 است، با اينحال در عمل، مقدار آب مصرفي بيش از مقادير حداقل فوق مي باشد. اين مقدار آب اضافي براي روان‌تر كردن و افزايش كارآيي بتن (يعني افزايش قابليت كار با بتن) لازم است. ولي بايد توجه داشت كه آب مازاد بر نياز هيدراسيون كامل، به صورت تركيب نشده در بتن باقي مي ماند كه پس از سخت شدن بتن تدريجاً از آن خارج شده و سبب ايجاد حفره و در نتيجه نقصان مقاومت بتن مي گردد. عمل هيدراسيون با توليد حرارت نيز همراه است و حرارت توليد شده را حرارت هيدراسيون مي نامند. اين گرماي آزاد شده، بخصوص در كارهاي با بتن ريزي زياد مثل سد سازي، باعث افزايش درجه حرارت و در نتيجه افزايش حجم بتن مي گردد و مي‌تواند پس از سرد شدن بتن سبب ترك خوردگي آن گردد، كه بايد به نحو صحيحي از آن جلوگيري نمود.
آزمايشهاي مقاومت فشاري

در برخي كشورهاي دنيا، مانند آمريكا، نمونه هاي آزمايش مقاومت فشاري به شكل استوانه هايي هستند كه نسبت ارتفاع به قطر آنها برابر 2 مي باشد. از سوي ديگر، در بسياري كشورهاي اروپائي از نمونه هاي مكعب شكل استفاده مي‌شود. در ايران، هر دو نوع نمونه هاي استوانه اي و مكعبي مورد استفاده قرار مي گيرند. آنچه در رابطه با شكل نمونه هاي آزمايشي مطرح است، اين واقعيت است كه مقاومت هاي بدست آمده از اين دو نوع نمونه معمولاً يكسان نيستند. اين تفاوت به دو دليل اساسي پديد مي آيد.

اول آنكه، در نمونه هاي استوانه اي، جهتي كه بار فشاري به نمونه وارد مي‌شود منطبق است برجهتي كه نمونه ريخته مي شود، در حاليكه در نمونه هاي مكعبي، جهت بارگذاري عمود بر جهت بتن ريزي نمونه است. چنانچه مخلوط بتن از كارآيي خوبي برخوردار باشد و به خوبي نيز متراكم و كوبيده شود، بتن حاصله تقريبا ايزوتوپ خواهد بود و اين تفاوت اهميت چنداني ندارد. ليكن، در غالب موارد اين منظور تأمين نمي شود و در نتيجه تغيير شكل لايه هاي مختلف نمونه يكسان نبوده و اين مسئله در مقادير مقاومت هاي بدست آمده منعكس مي گردد.

علت دوم در تفاوت مقادير نمونه هاي استوانه اي و مكعبي را مي توان در مسئله اصطكاك بين نمونه بتني و صفحات فولادي ماشين آزمايش جستجو كرد. بدين ترتيب كه به علت تفاوت مقادير مدول الاستيسيته و ضريب پواسون فولاد و بتن، نمونه بتني و صفحه فولادي تمايل به تغيير شكل هاي جانبي يا مساوي دارند. ليكن بعلت وجود اصطكاك، حركت جانبي نسبي بين صفحه فولادي و نمونه بتني در سطح تماس آنها مقدور نبوده و در نتيجه تنش هاي برشي در اين سطح بوجود مي آيد. اثر اين تنش ها در نمونة بتني، با افزايش فاصله از صفحات فولادي كاهش مي يابد بطوري كه از فاصله اي در حدود (B بعد جانبي نمونه است) قابل صرفنظر باشد. اثر اين تنش ها را مي توان در نمونه هاي استوانه اي استاندارد، كه تا حد گسيختگي تحت فشار قرار مي گيرند، بخوبي مشاهده نمود. بدين ترتيب كه در هر انتهاي نمونه يك مخروط تقريباً دست نخورده با ارتفاع باقي مي ماند (D قطر استوانه است)، ولي در ميان اين مخروط ها تغيير شكل جانبي بطور آزاد قابل حصول است كه با پف كردن نمونه به سمت بيرون در قسمت مياني توجيه مي‌شود. در نمونه هاي مكعبي نيز هرمهاي دست نخورده بوجود مي‌آيند، ليكن بعلت محدوديت ارتفاع اين نوع نمونه ها، رئوس هرمها در يكديگر تداخل نموده بطوري كه ناحيه اي كه در آن تغيير شكل جانبي مي‌تواند آزاد باشد حذف مي‌شود. در نتيجه، در نمونه هاي مكعبي نمي توان فشار تك محوري كه آزاد از برش باشد بوجود آورد. بنابراين، در شرايط مشابه از نظر كيفيت بتن، مقاومت به دست آمده از نمونه هاي مكعبي بيش از مقاومت حاصل از نمونه هاي استوانه اي است. همچنين، نتيجه گرفته مي‌شود كه براي تعيين مقاومت بتن، كه تحت تأثير مشخصات صفحات فولادي دستگاه پرس نباشد يا بعبارت ديگر، براي تعيين مقاومت فشاري تك محوري حقيقي بتن، بايد از نمونه هاي استوانه اي با نسبت ارتفاع به قطر بزرگتر از 7/1 استفاده نمود. در استوانه‌هاي استاندارد، نسبت ارتفاع به قطر برابر 2 مي باشد.

مقاومت فشاري بتن براساس نمونه استوانه اي با نشان داده مي‌شود كه منظور از آن، مقاومت فشاري نمونه هاي استوانه اي به قطر 15 و ارتفاع 30 سانتيمتر است كه 28 روز پس از ساخت اندازه گيري مي شوند. مقاومت فشاري نمونه هاي مكعبي به بعد 15 سانتيمتر را كه پس از 28 روز آزمايش مي شوند با نشان مي دهند. بطور متوسط، براي بتن هاي با وزن معمولي، مقاومت نمونه هاي استوانه اي 30*15 تقريباً 80 درصد مقاومت نمونه هاي مكعبي 20 سانتيمتري و 83 درصد مقاومت نمونه هاي مكعبي 15 سانتيمتري است. براي بتن هاي سبك، مقاومت نمونه هاي استوانه اي و مكعبي تقريباً يكسان مي باشند.

مطلب قابل توجه ديگري كه در رابطه با شكل نمونه ها مطرح است اثر نسبت ارتفاع به قطر در نمونه هاي استوانه اي است. گاهي اوقات براي انجام آزمايش از نمونه هاي استوانه اي استفاده مي‌شود كه نسبت ارتفاع به قطر آنها متفاوت از 2 است. بعنوان مثال، اين مسئله در مورد كرهايي كه از سازه هاي ساخته شده بريده مي شوند پيش مي آيد. در اين موارد لازم است ضريب تصحيحي بر مقاومت هاي به دست آمده اعمال شود تا نتايج حاصل قابل مقايسه با مقاومت نمونه هاي استوانه اي استاندارد باشند.