بتن مسلح یا بتن آرمه چیست؟

بتن مسلح (به انگلیسی reinforced concrete) یک ماده کامپوزیتی پرکاربرد ساختمانی است که از ترکیب بتن با المان های تقویت کننده نظیر فولاد و الیاف بدست می آید. مواد مورد استفاده برای تقویت بتن باید دارای ویژگی های زیر باشد.

• مقاومت بالا
• کرنش کششی بالا
• پیوستگی مناسب با بتن
• سازگاری با درجه حرارت های بالا
• ماندگاری طولانی در بتن

واژه فرو بتن (به انگلیسی ferro concrete) تنها به بتنی اشاره دارد که توسط آهن یا فولاد تقویت شده است. ترکیب بتن با میلگرد فولادی از متداول ترین روش های ساخت بتن مسلح می باشد. برای اجرای سازه بتن مسلح با میلگرد فولادی، بعد از عملیات گودبرداری و اجرای بتن مگر، فونداسیون را آرماتور بندی می کنند و ریشه های انتظار مستقر می شود، سپس با قالب فلزی بتن فونداسیون قالب بندی می شود و سپس بتن ریزی انجام می شود. به ترتیب ستون، تیر، سقف و پله آرماتور بندی و سپس با قالب بتن قالب بندی می شود. در نهایت بتن ریزی انجام می شود.

تفاوت بین بتن و بتن آرمه

بتن ساده برای کاربردهای غیر سازه ای مانند نمای بتنی، کبفپوش ها، سنگ فرش ها و… به کار میرود اما بتن مسلح برای عناصر سازه ای بسیار پر کاربرد می باشد. بتن غیر مسلح در برابر فشار عملکرد بسیار خوبی دارد اما در برابر کشش ضعیف عمل می کند. با مسلح کردن بتن تحمل آن در برابر نیروی کششی افزایش می یابد. در واقع با مسلح کردن بتن مقاومت کششی آن افزایش می یابد. همچنین کرنش شکست بتن در کشش بسیار پایین است. با تسلیح آن می توان دو لبه ی دارای ترک را به هم نزدیک کرد.

هدف از مسلح کردن بتن

• تقویت سازه: بتن ساده به استحکام مخلوط سیمانی بستگی دارد و مستعد ترک خوردگی و شکست در برابر نیروهای کششی می باشد. مسلح کردن بتن با جذب نیروهای کششی از ایجاد ترک خوردگی جلوگیری کرده و یگپارچگی بتن را افزایش می دهد.
• انعطاف پذیری و شکل پذیری: بتن ساده ماده ای سفت و سخت و بدون انعطاف می باشد و هنگام تغییر شکل دچار ترک خوردگی و شکستی خواهد شد و این ویژگی استفاده بتن برای تحمل فشار نیروهای دینامیکی و حرکت سازه ای را محدود می کند. با استفاده از فولاد، بتن مسلح شکل پذیری و انعطاف بسیار خوبی را از خود نشان می دهد و قابلیت تغییر شکل بدون شکستگی و ترک خوردگی در بتن را افزایش می دهد بنابراین می توان از آن برای کاربرد های لرزه ای و حرکت سازه ای استفاده کرد.

انواع بتن مسلح

بتن های مسلح را می توان به بتن مسلح به میلگرد، بتن پیش تنیده، بتن پس تنیده، بتن پیش ساخته، بتن با عایق ماندگار و بتن مسلح به الیاف دسته بندی کرد.

بتن مسلح به میلگرد

یکی از قدیمی ترین و متداول ترین روش های مسلح کردن بتن استفاده از میلگرد می باشد. میلگرد هایی که برای تقویت بتن به کار می روند غالبا فولادی هستند اما از میلگرد های شیشه ای و پلیمری نیز استفاده می شود.

بتن مسلح به میلگرد فولادی

میلگرد فولادی در انواع مختلف میله، مش و کابل به صورت طولی و عرضی به عنوان المان تقویت کننده در بتن استفاده می شود. فولاد به دلیل اینکه ضریب انبساط حرارتی شبیه به بتن دارد و ضعف های بتن را بهبود می بخشد، به یکی از بهترین مواد برای تسلیح بتن تبدیل شده است.

بتن مسلح به میلگرد شیشه ای یا میلگرد پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه

استفاده از میلگرد های شیشه ای، معضل خوردگی که در میلگرد های فولادی با آن مواجه هستیم را رفع کرده همچنین کرنش طولانی در برابر شکست دارد.

بتن پیش تنیده

بتن پیش تنیده (به انگلیسی Prestressed concrete) روشی برای از بین بردن ضعف بتن در مقابل کشش است. در سازه های بتن آرمه معمولی، از ظرفیت باربری بتن زیر تار خنثی صرف نظر می گردد. تلاش برای استفاده از ظرفیت باربری بتن زیر تارخنثی در کنار فولاد باعث به وجود آمدن نوع خاصی از بتن تحت عنوان بتن پیش تنیده شد که به این طریق ظرفیت باربری مقطع افزایش می یابد.

برای ساخت بتن پیش تنیده قبل از اینکه بتن ریزی انجام شود کابل ها در محل قرار گرفته و کشیده می شوند، سپس بتن ریزی انجام می شود . بعد از گیرش بتن طول اضافی کابل ها را بریده و بتن تحت فشار قرار می گیرد. در واقع بتن یش تنیده به معنای وارد کردن تنش داخلی خلاف جهت نیروی خارجی در راستای خنثی کردن آن می باشد.

بتن پس تنیده

در بتن پس تنیده (به انگلیسی Post-tensioned Concrete) اعمال پس تنیدگی پس از گیرش کامل بتن صورت می گیرد. در این روش امکان جانمایی کابل ها(تاندون ها) قبل از بتن ریزی وجود دارد. برای اعمال یش تنیدگی در محل اجرای پروژه یا اتصال چندین بلوک پیش ساخته کاربرد دارد.بعد از اینکه بتن به طور کامل سفت شد جک های هیدرولیکی کابل ها را تحت کشش قرار می دهند و بعد از اینکه تنش کششی به مقدار مورد نظر رسید انتهای المان فولادی مهار خواهد شد. برای جلوگیری از خوردگی آنها را به وسیله ی دوغاب درزبندی می کنند.

بتن پیش ساخته

بتن پیش ساخته (به انگلیسی Precast Concrete) یکی از انواع بتن می باشد که در کارخانه و تحت نظارت تولید می شود. از بتن مسلح پیش ساخته برای ساخت سازه های مختلف، تیر، دال، فونداسیون، ستون و دیوار و نمای ساختمان، المان های پیش تنیده، سازه های زیر ساختی مانند لاینینگ تونل و مترو و… استفاده می شود. ویژگی بارز بتن پیش ساخته سرعت بالای اجرای آن است و نیاز به رسیدن به مقاومت ۲۸ روزه ندارد.

بتن مسلح با عایق ماندگار (ICF)

روشی است که در آن بلوک های فوم توخالی به عنوان قالب روی هم قرار می گیرند و دیوار های سازه را تشکیل می دهند سپس توسط بتن مسلح به فولاد پر می شوند. این دیوار پر شونده عایق حرارتی و صوتی می باشد. از آنجایی که نیاز به باز کردن قالب ها نیست سرعت اجرا بالاست از دیگر مزیت IFC می توان به افزایش بهره وری انرژی ساختمان، اجرای تاسیسات درون قالب، محافظت در حین عمل آوری ، هزینه نسبتا پایین مصالح و… اشاره کرد.

بتن مسلح به الیاف

الیافی که برای تقویت بتن استفاده می شود شامل الیاف فولادی، پروپیلن، شیشه، ازبست، کربن و الیاف طبیعی می باشد.

• بتن مسلح به الیاف فولادی (SFRC)

Steel Fiber Reinforced Concrete شامل سیمان، سنگدانه ها، آب و مقداری از رشته های گسسته و درهم فولادی (معولا فولاد کم کربن) با فرم های طولی و سطح مقطع های مختلف هستند که باعث تقویت فولاد در همه ی جهات می شود.

• بتن مسلح به الیاف پلی پروپیلن(PFRC)

Polypropylene Fiber Reinforced Concrete با افزودن الیاف پلی پروپیلن (PP) مقاومت کششی و استحکام در برابر فشار و ضربه افزایش می یابد همچنین خاصیت ارتجاعی و انسجام بتن نیز زیاد می شود. این افزودنی به عنوان یک ماده کنترل کننده ترک برای بتن می باشد.

• بتن مسلح به الیاف شیشه (GFRC)

Glass Fiber Reinforced Concrete  الیاف شیشه ای دارای مقاومت بالا در برابر ضربه، حرارت، سایش، خوردگی، مواد اسیدی و قلیایی می باشد. الیاف شیشه ای از سبک ترین الیاف برای اضافه کردن به بتن می باشد و در ساختن المان های نازک و نمای بیرون ساختمان به کار می رود.

• بتن مسلح به الیاف ازبست (AFRC)

Asbestos Fiber Reinforced Concrete بتن مسلح به ازبست یا پنبه نسوز در تولید پانل های تخت یا صفحات مقاوم به آتش و لوله ها به کار می رود. پنبه نسوز دارای سختی و مقاومت بالاست و به خوبی با خمیر سیمان مخلوط و پیوسته می شود. با وجود مزایای زیاد ازبست، به دلیل اینکه تنفس این الیاف منجر به بیماری های حاد تنفسی می شود، تقویت بتن با الیاف اربست در اغلب کشور ها ممنوع شده است.

• بتن مسلح به الیاف کربن (CFRC)

Carbon Fiber Reinforced Concrete الیاف کربن دارای دو نوع می باشند. الیاف بر پایه PAN و الیاف بر پایه قیر که از میان این دو، الیاف بر پایه PAN دارای خصوصیات بهتری می باشد و گرانتر است. کربن در برابر فولاد سبک تر است و ظرفیت باربری آن چند برابر بیشتر است.

• بتن مسلح به الیاف طبیعی (NFRC)

Natural Fiber Reinforced Concrete الیاف طبیعی شامل دو دسته الیاف فراوری نشده (کف، سیزال، نارگیل) و الیاف فراوری شده (الیاف سلولزی بدست آمده از خرده های چوب، الیاف پوست بلوط یا فندق یا الیاف بدست آمده از ساقه نیشکر) می باشد. الیاف طبیعی سازگار با محیط زیست است و ارزان تر است اما دارای مقاومت پایین تر است.

کاربردها

• ساختمان با اسکلت بتنی (سقف، تیر، ستون)
•  ساخت پل ها
• ساخت سد
• اجرای انواع فونداسیون
• ساخت جاده
• ساخت سازه دریایی
• ساخت کانال و لوله
• سازه های پیش ساخته
• ساخت اسکله ها و استادیوم ها و تالارها
• ساخت باند فرودگاه ها

مزایا

• با دوام تر
• مقاومت فشاری بالا
• استحکام خمشی بالا
• تحمل تنش کششی
• مقاومت در برابر بارهای دینامیکی و زلزله
• مقاومت در برابر آتش
• مقاومت در برابر تغییرات آب و هوایی
• مقاومت بالا در برابر رطوبت و آب
• دسترسی راحت به مواد اولیه
• شکل پذیری انعطاف بالا
• اجرا بدون نیاز به تخصص
• قالب گیری در طیف نامحدودی از اشکال
• قابل استفاده در هر قسمتی از سازه از سقف تا فونداسیون
• هزینه ی تعمیر تقریبا صفر است
• هزینه نگهداربسیار پایین است
• مقرون به صرفه نسبت به برخی مواد
• استفاده از مواد بازیافتی
• عایق صوتی و حرارتی بتن الیافی

معایب

• وزن زیاد که منجر به وزن بالای ساختمان می شود، البته این مورد با استفاد از دیواره های نازک، بتن سبکدانه و بتن پیش تنیده قابل صرف نظر است.
• ترک خوردگی هنگام انقباض و انبساط
• عدم مقاومت در برابر قلیا و سولفات ها
• احتمال خزش بتن تحت تاثیر بارهای سنگین
• مقاومت کششی حدود یک دهم مقاومت فشاری
• نیاز به هزیته های قالب بندی و مهارگذاری و شمع بندی

مشخصات فنی

چگالی

وزن مخصوص بتن مسلح با میلگرد فولادی (بتن آرمه) تفاوت چندانی با بتن معمولی ندارد و بین ۲۴۰۰ تا ۲۵۰۰ کیلوگرم بر متر مربع است. البته روش مسلح کردن و جنس المان های تقویت کننده بر روی چگالی تاثیر گذار است. مثلا چگالی بتن مسلح به الیاف فولادی ۲۳۰۰ تا ۲۴۰۰ می باشد.

وزن مخصوص بتن مسلح به الیاف شیشه ای ۲۰۰۰ تا ۲۱۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مکعب و چگالی بتن مسلح به الیاف کربنی یا پلیمری ۱۴۰۰ تا ۱۶۰۰ کیلوگرم بر متر مربع است.

پیوستگی

پیوستگی بتن مسلح به معنای قفل شدگی بتن با میلگرد فولادی می باشد. هرچه پیوستگی بیشتر باشد انتقال تنش نیز موثرتر است. برای پیوستگی بیشتر سطح میلگردها را به صورت عاج دار می سازند تا هنگام گیرش بتن، سطح تماس بتن و فولاد بیشتر باشد و قفل شدگی بهتر صورت بگیرد؛ همچنین رفتار سازه بهبود یابد.

ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط حرارتی میزان تفاوت طول، حجم یا مساحت ماده هنگام مواجهه با تغییرات دمایی را نشان می دهد. اگر ضریب انبساط حرارتی بتن با المان تقویت کننده آن تفاوت داشته باشد هنگام تغییرات دمایی باعث از بین رفتن پیوند بین المان های تقویت کننده و بتن می شود و باعث ضعیف شدن سازه و تخریب آن می شود. بنابراین باید ضریب انبساط حرارتی موادی که به عنوان مسلح کردن بتن به کار می روند با خود بتن مشابه باشد تا توزیع تنش های ناشی از اختلاف دما به صورت متعادل تری انجام شود. ضریب انبساط حرارتی بتن با تقریب حدود ۱۰×۱۰ به توان منفی ۶ و ضریب انبساط حرارتی برای کلیه آرماتور ها ۱۲×۱۰ به توان منفی ۶ می باشد. به دلیل همین شباهت، فولاد یکی از بهترین گزینه ها برای مسلح کردن بتن است.

مقاومت فشاری

بتن دارای مقاومت فشاری بالا می باشد. میله های فولادی نیز دارای مقاومت فشاری بالایی هستند اما به دلیل اینکه دارای مقطع باریکی هستند قبل از آن که به حد نهایی مقاومت فشاری خود برسند دچار کمانش می شوند. اما با قرار دادن میلگرد ها داخل بتن و محصور شدن آنها توسط بتن مقاومت فشاری آنها تا حد زیادی افزاش می یابد.

مقاومت کششی

بتن دارای مقاومت کششی پایینی است زیرا سنگدانه ها در برابر نیروی کشش دچار  شکستگی می شوند. از طرفی فولاد دارای مقاومت بسیار بالا در برابر کشش می باشد. با اضافه کردن فولاد به بتن، می توان ضعف بتن را جبران کرد و مقاومت کششی بتن را به وسیله فولاد افزایش داد.

مقاومت در برابر خوردگی

فولاد به تنهایی در مواجهه با هوا و رطوبت و مواد شیمیایی دچار خوردگی می شود. در بتن های مسلح، بتن که نفوذ پذبری ناچیزی دارد به عنوان یک لایه محافظتی برای میله های فولادی عمل می کند و بتن مسلح می تواند تا سالیان سال در شرایط آب و هوایی گوناگون پایدار بماند.

مقاومت در برابر آتش

میلگرد فولادی در مواجهه با آتش سوزی دچار افت مقاومت می شود اما بتن مقاومت بسیار بالایی در برابر آتش سوزی دارد و محافظ خوبی برای میلگرد ها در برابر آتش می باشد.

مقاومت برشی

مقاومت برشی بتن، متوسط و مقاومت فولاد در برابر نبروهای برشی بسیار بالاست. ترکیب بتن با فولاد باعث افزایش مقاومت برشی می شود.

مقایسه فولاد و بتن آرمه

برای پاسخ به این سوال که سازه ی بتنی بهتر است یا فولادی باید عوامل مختلفی مانند شرایط پروژه، نیازها، موقعیت جغرافیایی، هزینه و بودجه و… را در نظر گرفت. به صورت کلی می توان برخی از تفاوت های بتن مسلح و فولاد را در جدول زیر مقایسه کرد.