چرا برای مسلح کردن بتن به میلگرد حرارتی نیاز داریم؟

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، 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 (Reinforced Concrete) یکی از اشکال بتن است که از ترکیب بتن معمولی با المان‌های مختلف مانند میلگرد و الیاف فولادی حاصل می‌شود. بتن معمولی، مقاومت مناسبی در برابر نیروهای فشاری دارد؛ اما مقاومت آن در برابر نیروهای کششی قابل‌قبول نیست. این عملکرد ضعیف بتن در برابر نیروهای کششی باعث افزودن فولاد به ترکیب آن شده است. به عبارت بهتر، فولاد مقاومت کششی بالایی دارد و می‌تواند ضعف بتن را برطرف کند. همچنین، شکل‌پذیری پایین بتن با وجود فولادها افزایش می‌یابد.

مهم‌ترین تفاوت بتن مسلح و غیر مسلح نیز شامل ترکیبات و مقاومت آن‌ها می‌شود که بر اساس این خصوصیات، کاربردهایشان متفاوت است. بتن‌های غیر مسلح یا همان بتن‌های ساده و معمولی دارای مقاومت فشاری مطلوب و مقاومت تنشی ناچیزی هستند و احتمال ترک‌خوردگی آن‌ها بسیار زیاد است. این مدل بتن برای راه‌سازی و کف‌سازی مورداستفاده قرار می‌گیرد. فرآیند ساخت بتن‌های غیر مسلح نیز راحت‌تر و کوتاه‌تر است و خطای انسانی کمی دارد. در مقابل، وضعیت کیفیت و مقاومت بتن‌های مسلح بهتر است و در سازه‌های عظیم ساختمانی و صنعتی استفاده می‌شوند. پروسه ساخت و پیاده‌سازی آن‌ها نیز پیچیده‌تر از مدل غیر مسلح است.

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

مواد، مصالح و مقاطع فولادی مورداستفاده در بتن مسلح باید مقاومت بالایی داشته باشند و پیوستگی مناسبی را در بتن ایجاد کنند. مقاطع مانند میلگردها و الیاف‌های فولادی علاوه بر داشتن مقاومت بالا باید با حرارت نیز سازگار باشند. این مقاطع فولادی با استقامت و کرنش کششی بالای خود می‌توانند ایمنی لازم در محیط بتن را برقرار کنند. به عبارتی، با استفاده از فولادهای مناسب در بتن مسلح می‌توان دوام و ماندگاری سازه‌های مختلف را تا حد زیادی افزایش داد. فولادهای مصرفی نیز بهتر است از نوع آجدار و ضد زنگ باشند.

فرایند و روش های استفاده مناسب فولاد در بتن

در بتن مسلح، ابتدا باید فولاد موردنیاز سازه را انتخاب کرد و تدابیر لازم را برای آرماتوربندی آن در نظر گرفت. درضمن، استفاده صحیح فولاد در بتن این‌گونه است که مقاطع فولادی مانند میلگردها در ابتدا به شکل شبکه‌ای چیده می‌شوند. بعد از طراحی و اجرای آرماتورها یا همان آرماتوربندی نوبت به تهیه بتن موردنیاز پروژه می‌رسد. سپس، قالب‌های بتن جهت بتن‌ریزی نصب شود و درنهایت، عملیات بتن‌ریزی و عمل‌آوری بتن انجام می‌گیرد. در پایان نیز قالب‌های موقت باز می‌شوند. لازم به ذکر است، انواع بتن مسلح قابل سفارش از کارخانجات و تولیدی‌های مختلف هستند.

 میلگرد حرارتی چیست؟

یکی از ابزارها و یا اصطلاحاً سلاح‌های مقابله با مقاومت دمایی و کششی پایین بتن، میلگرد حرارتی است. عنوان این میلگردها در واقع از کارکرد آنها ناشی شده است وگرنه تفاوت ذاتی خاصی با میلگردهای معمولی ندارند.
میلگردهای حرارتی در قطرهای مختلفی تولید می‌شوند که پرکاربردترین آن‌ها قطرهای چهار و پنج میلی‌متر هستند. این میلگردها به روش‌های جوش سرد یا مفتول به یکدیگر متصل می‌شوند. به‌طور خلاصه ویژگی‌های ساختاری میلگرد حرارتی را که سبب کاربرد گسترده آن در ساختمان‌سازی می‌شود؛ می‌توان به‌صورت زیر مطرح کرد:

• مقاومت فشاری بالا
• مقاومت کششی زیاد
• ضریب انبساط حرارتی یکسان با بتن
• سازگاری با حرارت زیاد
• پیوستگی مناسب با بتن
• ماندگاری بالا در محیط بتن

بتن مسلح چیست؟

ویژگی ذاتی بتن به گونه‌ای است که با خشک شدن یا برودت دما، دچار انقباض شده و مقاومت کششی خود را از دست می‌دهد. این اتفاق باعث می‌شود که ترک‌هایی در ساختار آن به‌وجود بیاید. این ترک‌ها اگر تحت برودت یا افزایش دما، فشار، ضربه و غیره قرار بگیرند، بیشتر خواهند شد و سبب فروپاشی ساختار بتن می‌گردند.
در صورتی که بتن از تمهیداتی برای جلوگیری از این اتفاق بهره نبرد، به آن بتن غیرمسلح می‌گویند. واضح است که در حالت برعکس؛ یعنی درصورتی‌که بتن به‌نوعی در برابر این تغییرات مقاوم‌سازی شده باشد، به آن بتن مسلح گفته می‌شود.

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

همان‌طور که گفته شد بتن علی‌رغم مقاومت بالایی که در برابر فشار دارد، در برابر کشش چندان مقاوم نیست. این نقیصه به‌خصوص خود را در سقف‌ها بیش‌ازپیش نشان می‌دهد.
این مقاومت کم در برابر کشش خود را در پدیده‌ای به نام جمع شوندگی در روزهای اول پس از خشک شدن بتن به‌خوبی عیان می‌کند. در این پدیده، بتن، با دست دادن رطوبت خود خشک می‌شود و درنتیجه ترک‌هایی روی آن به وجود می‌آید. این ترک‌ها پس از مدتی با ذرات بتن پر می‌شود که باعث بزرگ‌تر شدن آن‌ها می‌شود. علاوه بر این، تغییرات دمایی نیز می‌تواند این ترک‌ها را بیشتر کند.
در اینجا، میلگردهای حرارتی، به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین راه‌کارهای مقابله با این پدیده به کمک ما می‌آیند. آن‌ها به‌صورت عمود بر هم و به‌صورت یک شبکه منسجم و با محاسبات دقیق، درون ساختار بتن قرار می‌گیرند. این شبکه از میلگرد حرارتی، باعث می‌شود که ترک‌های ایجادشده در ساختار بتن در اندازه‌ای که برای ساختمان هیچ خطری ندارند، باقی بمانند. درواقع آن‌ها با مقاومت کششی بالایی که دارند، فشار واردشده به خود را به‌خوبی پخش کرده و باعث می‌شوند که ترک‌ها به‌جای بزرگ شدن به ترک‌های ریز و بی‌خطر تبدیل شوند.

مقاومت در برابر تغییرات دمایی

استفاده از میلگردهای حرارتی در روزهای اولیه بتن‌ریزی که بتن با رطوبت بالایش مدام منبسط و منقبض می‌شود، باعث استحکام و شکل‌گیری محکم‌تر آن نیز خواهد شد. علاوه بر این مقاومت دمایی بالای میلگردهای حرارتی، باعث مقاومت بالاتر بتن در برابر تغییرات آب و هوایی، به‌خصوص در مناطقی که تفاوت دما در زمستان و تابستان بالاست خواهد شد.
علاوه بر این، یکسان بودن ضریب دمایی بتن و میلگرد باعث می‌شود که در صورت انبساط و انقباض آن در اثر تغییرات دما، فشاری به بتن وارد نشود.

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.