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؟

در بسیاری از سازه‌های مدرن، ترکیب مقاومت فشاری بالا و تحمل نیروهای کششی یک ضرورت اساسی به‌شمار می‌آید. برای پاسخ به این نیاز، نوعی بتن تقویت‌شده مورد استفاده قرار می‌گیرد که با افزودن عناصر فولادی یا الیاف، عملکرد مکانیکی آن به شکل قابل‌توجهی بهبود می‌یابد. این نوع بتن که با نام بتن آرمه یا بتن مسلح شناخته می‌شود، از ترکیب بتن معمولی و میلگرد، شبکه فولادی یا الیاف ساخته شده و ضعف ذاتی بتن در برابر نیروهای کششی را جبران می‌کند.

بتن مسلح به‌دلیل مقاومت بالا، دوام طولانی و رفتار مناسب در برابر تنش‌های فشاری و کششی، نقش کلیدی در ساخت ساختمان‌ها، پل‌ها، تونل‌ها، سازه‌های صنعتی و پروژه‌های زیربنایی ایفا می‌کند. در مقایسه با بتن غیر مسلح یا بتن ساده، این نوع بتن از ترک‌خوردگی کمتری برخوردار بوده و توان تحمل بارهای سنگین و نیروهای جانبی را دارد. در مقابل، بتن غیر مسلح به دلیل مقاومت کششی پایین، بیشتر در پروژه‌هایی مانند کف‌سازی، راه‌سازی و سازه‌های کم‌بار مورد استفاده قرار می‌گیرد و فرآیند اجرای ساده‌تری دارد. به طور کلی، تفاوت اصلی بتن مسلح و غیر مسلح در ترکیب مواد، سطح مقاومت و دامنه کاربرد آن‌ها خلاصه می‌شود؛ عاملی که انتخاب هرکدام را به نوع پروژه و شرایط اجرایی وابسته می‌کند.

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

سازه‌هایی که نیاز به تحمل نیروهای کششی و افزایش مقاومت دارند، با استفاده از بتن مسلح و مقاطع فولادی تقویتی اجرا می‌شوند. این مقاطع باید از استحکام کافی برخوردار باشند تا بتوانند نقاط ضعف بتن را پوشش دهند و عملکرد سازه را بهبود ببخشند. در این راستا، مهندسان و ساختمان‌سازان از میلگردها و الیاف فولادی به‌عنوان عناصر اصلی تقویت‌کننده استفاده می‌کنند. در ادامه، انواع بتن مسلح بر اساس نوع مقاطع فولادی به‌کاررفته معرفی می‌شود.

• 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.

فرآیند 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.

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.

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.

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

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

اجرای صحیح میلگردهای حرارتی نقش مهمی در کنترل ترک‌های ناشی از جمع‌شدگی و تغییرات دمایی بتن دارد. رعایت اصول فنی در جانمایی، فاصله‌گذاری و اتصال این میلگردها، تأثیر مستقیمی بر دوام و عملکرد سازه بتنی خواهد داشت. در ادامه به بررسی ملاحظات اجرای میلگردهای حرارتی می‌پردازیم:

• 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. 
• میلگردهای طولی نیروهای کششی بتن را تحمل می‌کنند و میلگردهای عرضی یا خاموت‌ها با کنترل نیروهای برشی، استحکام شبکه آرماتور را افزایش می‌دهند.
• فاصله میلگردها معمولاً حدود ۲۵ سانتی‌متر در نظر گرفته می‌شود و افزایش آن می‌تواند باعث توزیع نامناسب نیرو و افزایش ترک‌خوردگی بتن شود.
• بر اساس استاندارد، فاصله میلگردهای حرارتی نباید بیش از پنج برابر ضخامت دال باشد و در سقف‌ها باید روی یونولیت قرار داده شوند و داخل بتن اجرا نشوند.
   

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.