تاریخچه بتن

دوره زمانی که در طی آن بتن برای اولین بار اختراع شد به نحوه تفسیر واژه “بتن” بستگی دارد. مواد باستانی سیمان های خامی بودند که از خرد کردن و سوزاندن گچ یا سنگ آهک ساخته می شدند. آهک همچنین به سنگ آهک خرد شده و سوخته اشاره دارد.

هنگامی که ماسه و آب به این سیمان ها اضافه می شود به ملات تبدیل می شود که ماده ای گچ مانند برای چسباندن سنگ ها به یکدیگر بود. در طی هزاران سال، این مواد بهبود یافتند، با مواد دیگر ترکیب شدند و در نهایت به بتن مدرن تبدیل شدند.

بتن امروزی با استفاده از سیمان پرتلند، سنگدانه های درشت و ریز سنگ و ماسه و آب ساخته می شود. افزودنی ها مواد شیمیایی هستند که به مخلوط بتن اضافه می شوند تا خواص گیرش آن را کنترل کنند و در درجه اول در هنگام قرار دادن بتن در شرایط شدید محیطی مانند دماهای بالا یا پایین، شرایط باد و غیره استفاده می شوند.

پیش ساز بتن در حدود ۱۳۰۰ سال قبل از میلاد اختراع شد، زمانی که سازندگان خاورمیانه دریافتند هنگامی که بیرون قلعه های سفالی و دیوارهای خانه خود را با پوششی نازک و مرطوب از سنگ آهک سوخته می پوشانند، با گازهای موجود در هوا واکنش شیمیایی ایجاد می کند. یک سطح سخت و محافظ این بتن نبود، اما آغاز توسعه سیمان بود.بتن غیر مسلح نیز بعدن آمد.

مواد مرکب سیمانی اولیه معمولاً شامل سنگ آهک خرد شده با ملات، شن و ماسه و آب بود که برای ساختن با سنگ استفاده می‌شد، برخلاف ریخته‌گری مواد در قالب، که اساساً نحوه استفاده از بتن مدرن است و قالب آن بتن است. تشکیل می دهد.

سیمان به عنوان یکی از اجزای اصلی بتن مدرن، از دیرباز وجود داشته است. بتن یک مصالح ساختمانی مرکب است و مواد تشکیل دهنده آن که سیمان تنها یکی از آن هاست، در طول زمان تغییر کرده و اکنون نیز در حال تغییر است. ویژگی‌های عملکردی می‌توانند با توجه به نیروهای مختلفی که بتن باید در برابر آن مقاومت کند تغییر کند.

این نیروها ممکن است تدریجی یا شدید باشند، ممکن است از بالا (گرانش)، از پایین (بالا رفتن خاک)، طرفین (بارهای جانبی)، یا ممکن است به شکل فرسایش، ساییدگی یا حمله شیمیایی وارد شوند. مواد تشکیل دهنده بتن و تناسب آنها را ترکیب طراحی می نامند.

چند تا از مقالات دیگر ما در مورد بتن را هم مطالعه کنید:

۱٫استفاده آهن در بتن

۲٫ انواع ترک در بتن

مصر

در حدود ۳۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، مصریان باستان از گل مخلوط با کاه برای ایجاد آجر استفاده می کردند. گل با کاه بیشتر شبیه خشت است تا بتن. با این حال، در ساخت اهرام از ملات گچ و آهک نیز استفاده کردند، اگرچه اغلب ما ملات و بتن را دو ماده متفاوت می‌دانیم. هرم بزرگ در جیزه به حدود ۵۰۰۰۰۰ تن ملات نیاز داشت که به عنوان ماده بستر برای سنگ های پوششی که سطح قابل مشاهده هرم تمام شده را تشکیل می دادند، استفاده می شد. این امر به سنگ تراشان اجازه می داد تا سنگ های پوششی را با اتصالات بازتر از ۱/۵۰ اینچ تراشیده و تنظیم کنند.

چین

تقریباً در همین زمان، چینی‌های شمالی از نوعی سیمان در قایق‌سازی و ساختن دیوار بزرگ استفاده کردند. آزمایش طیف سنج تایید کرده است که یک عنصر کلیدی در ملات مورد استفاده در دیوار بزرگ و دیگر سازه های چینی باستانی، برنج چسبنده و گلوتنوس بوده است. برخی از این سازه ها در آزمون زمان مقاومت کرده اند و حتی در برابر تلاش های مدرن برای تخریب مقاومت کرده اند. مقاله آزمایش مقاومت بتن را هم مطالعه کنید.

رم

تا سال ۶۰۰ قبل از میلاد، یونانی ها یک ماده پوزولان طبیعی را کشف کرده بودند که وقتی با آهک مخلوط می شد خواص هیدرولیکی ایجاد می کرد، اما یونانی ها به اندازه رومی ها در ساختن با بتن پرکار نبودند. تا سال ۲۰۰ قبل از میلاد، رومی‌ها با استفاده از بتن با موفقیت می‌ساختند، اما مانند بتن امروزی نبود. این یک ماده پلاستیکی و روان نبود که در قالب ریخته شود، بلکه بیشتر شبیه قلوه سنگ های سیمانی بود.

رومی‌ها بیشتر سازه‌های خود را با چیدن سنگ‌هایی با اندازه‌های مختلف و پر کردن فضای بین سنگ‌ها با ساروج می‌ساختند. در بالای زمین، دیوارها هم از داخل و هم از بیرون با آجرهای سفالی پوشیده شده بودند که به عنوان قالبی برای بتن نیز عمل می کردند. آجرها ارزش ساختاری کمی داشتند یا اصلاً ارزش ساختاری نداشتند و کاربرد آنها عمدتاً آرایشی بود. قبل از این زمان، و در بیشتر نقاط آن زمان (از جمله ۹۵ درصد رم)، ملات‌هایی که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گرفت، یک سیمان ساده آهکی بود که در اثر واکنش با دی اکسید کربن موجود در هوا، به آرامی سخت می‌شد. هیدراتاسیون شیمیایی واقعی انجام نشد. این خمپاره ها ضعیف بودند.

اصناف رومی

یکی دیگر از رازهای موفقیت رومیان استفاده آنها از اصناف تجاری بود. هر تجارت دارای یک صنف بود که اعضای آن مسئول انتقال دانش خود در مورد مواد، فنون و ابزار به کارآموزان و لژیون های رومی بودند. لژیون ها علاوه بر جنگیدن، برای خودکفایی نیز آموزش دیده بودند، بنابراین در زمینه روش های ساخت و ساز و مهندسی نیز آموزش دیده بودند.

نقاط عطف تکنولوژیک

در طول قرون وسطی، تکنولوژی بتن به عقب خزید. پس از سقوط امپراتوری روم در سال ۴۷۶ پس از میلاد، تکنیک‌های ساخت سیمان پوزولان از بین رفت تا اینکه در سال ۱۴۱۴ با کشف دست‌نوشته‌هایی که این تکنیک‌ها را توصیف می‌کردند، علاقه به ساختن با بتن دوباره ایجاد شد.

تا اینکه در سال ۱۷۹۳ بود که این فناوری جهش بزرگی به جلو داشت که جان اسمیتون روش مدرن تری را برای تولید آهک هیدرولیک برای سیمان کشف کرد. او از سنگ آهک حاوی خاک رس استفاده کرد که پخته می شد تا تبدیل به کلینکر شود و سپس آن را به پودر تبدیل می کرد. او از این ماده در بازسازی تاریخی فانوس دریایی Eddystone در کورنوال انگلستان استفاده کرد.

سرانجام در سال ۱۸۲۴، مردی انگلیسی به نام جوزف آسپدین، سیمان پرتلند را با سوزاندن گچ و خاک رس ریز آسیاب شده در کوره تا حذف دی اکسید کربن اختراع کرد. این سیمان «پرتلند» نامیده شد زیرا شبیه سنگ‌های ساختمانی باکیفیت است که در پورتلند انگلستان یافت می‌شود.

عموماً اعتقاد بر این است که آسپدین اولین کسی بود که مواد آلومینا و سیلیس را تا حد انجماد گرم کرد و در نتیجه همجوشی انجام شد. در طی انجماد، مواد شبیه شیشه می شوند. آسپدین روش خود را با تناسب دقیق سنگ آهک و خاک رس، پودر کردن آنها و سپس سوزاندن مخلوط به کلینکر، که سپس به سیمان تمام شده آسیاب می شد، اصلاح کرد.

نکته : در بتن ریزی در هوای سرد حتما از انواع ضدیخ بتن استفاده شود.

ترکیب سیمان پرتلند مدرن

قبل از کشف سیمان پرتلند و تا چند سال پس از آن، مقادیر زیادی سیمان طبیعی استفاده می شد که از سوزاندن مخلوط طبیعی آهک و خاک رس تولید می شد. از آنجا که مواد تشکیل دهنده سیمان طبیعی توسط طبیعت مخلوط می شوند، خواص آن بسیار متفاوت است.

سیمان پرتلند مدرن با استانداردهای دقیق تولید می شود. برخی از ترکیبات فراوان موجود در آن برای فرآیند هیدراتاسیون و ویژگی های شیمیایی سیمان مهم هستند. این با حرارت دادن مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس در یک کوره تا دمای بین ۱۳۰۰ درجه فارنهایت تا ۱۵۰۰ درجه فارنهایت تولید می شود.

تا ۳۰ درصد از مخلوط مذاب می شود اما بقیه در حالت جامد باقی می ماند و تحت واکنش های شیمیایی قرار می گیرد که می تواند کند باشد. در نهایت، مخلوط یک کلینکر را تشکیل می دهد که سپس به پودر تبدیل می شود. مقدار کمی از گچ اضافه می شود تا سرعت هیدراتاسیون را کاهش دهد و بتن را برای مدت طولانی تری قابل کار نگه دارد.

بین سال های ۱۸۳۵ و ۱۸۵۰، آزمایش های سیستماتیک برای تعیین مقاومت فشاری و کششی سیمان برای اولین بار همراه با اولین آنالیزهای شیمیایی دقیق انجام شد. در حدود سال ۱۸۶۰ بود که سیمان پرتلند با ترکیب مدرن برای اولین بار تولید شد.

نقاط عطف ساختمان

اگرچه استثنائاتی وجود داشت، اما در طول قرن نوزدهم ، بتن عمدتاً برای ساختمان‌های صنعتی استفاده می‌شد. به دلایل زیبایی شناختی از نظر اجتماعی به عنوان یک مصالح ساختمانی غیرقابل قبول در نظر گرفته شد.

اولین استفاده گسترده از سیمان پرتلند در ساخت و ساز خانه در انگلستان و فرانسه بین سالهای ۱۸۵۰ و ۱۸۸۰ توسط یک فرانسوی بنام فرانسوا کونیه بود که میله های فولادی را برای جلوگیری از پخش شدن دیوارهای خارجی اضافه کرد و بعداً از آنها به عنوان عناصر خمشی استفاده کرد.

اولین خانه ای که با استفاده از بتن مسلح ساخته شد، کلبه خدمتکارانی بود که در انگلستان توسط ویلیام بی ویلکینسون در سال ۱۸۵۴ ساخته شد. در سال ۱۸۷۵، مهندس مکانیک آمریکایی، ویلیام وارد، اولین خانه بتن آرمه را در ایالات متحده تکمیل کرد.