تاریخچه سیمان و بتن

تاریخچه بتن و تاریخچه سیمان

تاریخچه سیمان و تاریخچه بتن

سیمان و بتن که امروزه به دفعات در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند، تاریخچه های جذابی دارند. اگر می خواهید بدانید این متریال های مهم که اگر امروزه نبودند، بسیاری از کارها قابل انجام نبود، چگونه به وجود آمدند با ما همراه باشید. ما در ادامه تاریخچه بتن و تاریخچه سیمان را، به صورت کامل برای شما توضیح داده ایم.

دوره تاریخی که از آن به عنوان اولین زمان اختراع و ایجاد بتن یاد می‌شود، به این موضوع وابسته است که واژه “بتن” چطور تعریف می‌گردد. مصالح باستانی که در ساخت و ساز مورد استفاده قرار می‌گرفت، سیمان‌های خامی بودند که به وسیله خردکردن و پختن سنگ گچ[1] یا سنگ آهک[2] به دست می‌آمدند. زمانی که آب و ماسه به این سیمان‌ها اضافه می‌شد، تشکیل ملاتی گچ‌مانند می‌داد که جهت چسباندن سنگ‌ها به یکدیگر از آن استفاده ‌شده است. طی هزاران سال، این مصالح و ترکیبات ارتقا پیدا کرده و با مواد دیگر ترکیب شده‌اند و در نهایت، شکل بتن مدرن و امروزی را ایجاد نموده‌اند.  

پیشینه اختراع بتن به حدود 1300 پیش از میلاد باز می‌گردد. جایی که مردمان خاورمیانه، قسمت بیرونی قلعه‌ها و خانه‌هایشان را با یک لایه نازک و مرطوب از سنگ‌ آهک سوخته پوشانیدند. این لایه، با گازهای موجود در هوا واکنش شیمیایی داده و یک سطح محافظ و سخت را به وجود آورده است. این فرآورده را نمی‌توان بتن تلقی نمود ولی زمینه ساز شروع توسعه در جهت ایجاد و اختراع سیمان بود.

به عنوان یکی از اجزای اصلی بتن امروزی، سیمان سابقه‌ای بس طولانی دارد. حدود 12 میلیون سال پیش در ناحیه‌هایی از اسرائیل امروزی، رسوبات طبیعی ناشی از واکنش بین سنگ‌آهک و سنگ‌های نفت‌زا به وسیله احتراق خود‌به‌خودی ایجاد شده که توسط زمین شناسان در دهه 60 و 70 قرن بیستم کشف شده است.

باید توجه داشت که سیمان با بتن فرق دارد. بتن یک ماده مرکب ساختمانی است که سیمان یکی از اجزای سازنده آن است. بتن، دائما در طول زمان در حال تغییر است و تا امروزه، تغییرات بسیار زیادی را به خود دیده است. خصوصیات عملکردی بتن، با توجه به نیروهای مختلفی که بتن می‌بایست در برابر آن‌ها مقاومت نماید، می‌تواند تغییر پیدا کند. این نیروها می‌تواند به مرور یا ناگهانی، از بالا (نظیر نیروی اجرام ناشی از جاذبه)، از پایین (نظیر تورم خاک) یا از کناره‌ها (نظیر نیروهای جانبی) به بتن وارد شود و یا می‌تواند ناشی از فرسایش[3]، سایش[4] یا حملات شیمیایی[5] باشد. اجزای تشکیل‌دهنده بتن و نسبت‎های آن‌ها، تحت عنوان طرح اختلاط[6]  شناخته می‌شود.

تاریخچه بتن – اولین استفاده‌ها از بتن

اولین سازه‌های بتنی‌ شکل توسط تاجران نبطی[7]  و بادیه‌نشینان مناطقی از جنوب سوریه و شمال اردن امروزی در حدود 6500 سال پیش از میلاد مسیح ساخته شد. هم‌چنین آن‌ها بعدها مزایای آهک هیدرولیک (که همان سیمانی بود که در زیر آب، سخت می‌شد) را یافتند و در حوالی سال‌های 700 پیش از میلاد، کوره‌هایی جهت تامین ملات برای ساخت خانه‌های قلوه‌سنگی، کف‌های بتنی و مخازن ضدآب زیرزمینی به وجود آوردند. آن مخازن به صورت مخفیانه و رازآلود نگه‌داری شده و یکی از دلایل بقای نبطیان در صحرا بوده است.

تاریخچه بتن - یک ساختمان باستانی

تصویر 1 – یک ساختمان باستانی نبطی

 

در ساخت بتن، نبطیان فهمیدند که مخلوط می‌بایست تا حد امکان خشک یا معادل کمترین اسلامپ امروزی باشد و آب اضافی، موجب ایجاد حفرات و تضعیف ساختار بتن می‌شود. 500 سال پس از نبطیان و مشابه آن‌ها، رومیان از مصالح در دسترس جهت ضدآب کردن سیمان‌هایشان استفاده کردند. در محدوده استحفاظی آن‌ها، معادن بزرگی از ماسه سیلیکاتی ریز وجود داشت. آب زیرزمینی که از درون این لایه‌ها تراوش می‌کرد، آن را به یک مصالح پوزولانی تبدیل می‌کرد که به عنوان خاکستر آتشفشانی ماسه‌ای[8] شناخته می‌شد. جهت ساخت سیمان، نبطیان این معادن را کشف و از ترکیب آن با آهک و سپس، گرما دادن در درون کوره‌هایی که جهت ساخت ظروف سفالی از آن‌ها استفاده می‌کردند، مصالحی سیمانی بدست آوردند.

در حدود 5600 قبل از میلاد نیز در دامنه رود دانوب[9]، در نواحی یوگسلاوی سابق، خانه‌هایی با استفاده از نوعی بتن برای کفپوش، ساخته شده است.

تاریخچه بتن – مصر

حدود سال 3000 پیش از میلاد، مصریان باستان از گِل آمیخته با کاه جهت ساخت آجر بهره برده‌اند. گِل آمیخته با کاه بیشتر به خشت[10] شباهت دارد تا به بتن. با این حال، آن‌ها از ملات گچ و آهک در ساخت اهرام استفاده کردند. هرم بزرگ مصر به حدود 500 هزار تن ملات به عنوان مصالح بسترسازی برای قرارگیری سنگ‌های نما نیاز داشته است! هم‌چنین این امر، اجازه تراش‌خوری و قرارگیری سنگ‌های نما با درزهایی کوچکتر از 4 سانتی‌متر را فراهم ساخت.

سنگ نمای اهرام مصر

تصویر 2 – سنگ نمای اهرم مصر

تاریخچه بتن – چین

همزمان در قسمت‌های شمالی چین از نوعی سیمان در صنایع قایق‌سازی و ساخت دیوار بزرگ چین بهره برده شده است. آزمایش‌های طیف‌سنجی تایید کرده است که یکی از اجزای اصلی در ملات مورد استفاده در دیوار و دیگر سازه‌های باستانی چین، نوعی خمیر برنج چسبنده و گلوتنی بوده است. برخی از این سازه‌ها با گذشت زمان زیاد، هم‌چنان پابرجا مانده‌اند و حتی در برابر تلاش‌های اخیر جهت تخریب، مقاومت نموده‌اند.

تاریخچه بتن – روم

در حدود 600 قبل از میلاد، یونانیان یک پوزولان طبیعی را کشف نمودند. این پوزولان هنگامی که با آهک ترکیب می‌شد، خصوصیات هیدرولیکی از خود نشان می‌داد. اما یونانیان به هیچ‌وجه به اندازه رومیان، در ساخت و ساز، پرکار نبودند. حوالی سال‌های 200 پیش از میلاد، رومیان با استفاده از بتنی که در آن زمان رایج بود، به طور چشمگیر و موفقیت‌آمیزی به امر ساخت و ساز مشغول بودند؛ اما آن بتن، با ماده‌ای که امروزه می‌شناسیم، بسیار تفاوت دارد. آن بتن، نه به صورت سیال و پلاستیک بوده و نه درون قالب‌ها ریخته می‌شد؛ بلکه نوعی خرده‌سنگ‌های سیمانی بوده است.

رومیان، اغلب سازه‌های خود را به وسیله کنار هم قرار دادن قطعات سنگی با ابعاد مختلف و پرکردن فضای خالی میان آن‌ها با ملات به صورت دستی ساخته‌اند. بر روی زمین، دیوارها در نمای داخل و بیرون، از آجرهای رسی پوشانیده شدند که به عنوان قالب بتن نیز عمل می‌کردند. آجر، ارزش سازه‌ای بسیار پایینی داشته و عمده استفاده آن‌ها، به جهت زیباسازی بصری بوده است. پیش از این زمان، در اغلب مکان‌ها (از جمله حدود 95 درصد از روم)، ملات‌های رایج در واقع نوعی سیمان آهکی ساده بودند که به واسطه واکنش با گاز کربن‌دی‌اکسید موجود در هوا، به آرامی سخت می‌شدند و هیدراسیون شیمیایی واقعی در آن‌ها شکل نمی‌گرفت و به همین دلیل، این ملات‌ها، مصالح ضعیفی بودند.

برای سازه‌های عظیم‌تر و هنری‌تر و سازه‌هایی که نیاز به دوام بیشتری داشتند، آن‌ها سیمانی خلق کردند که از ماسه آتشفشانی واکنش‌زای طبیعی با نام “Harena Fossicia” بدست آمده بود. برای سازه‌های دریایی و آن‌هایی که در معرض آب بودند (نظیر پل‌ها، عرشه‌ها، راه‌آب‌ها و تاسیسات جمع‌آوری روان‌آب)، از یک ماسه آتشفشانی با نام “Pozzuolana” بهره بردند. این دو ماده احتمالا اولین استفاده بشر از عامل سیمانی در مقیاس وسیع بوده است. این دو ماده به صورت شیمیایی با آهک و آب واکنش داده، هیدراته شده و توده‌ای سنگی‌شکل را به وجود می‌آوردند که در زیر آب مورد استفاده قرار می‌گرفت.

رومیان هم‌چنین از چنین مصالحی جهت ساخت سازه‌های بزرگتر نظیر حمام‌های رومی، معبد پانتئون[11] و کولوسئوم[12] استفاده نمودند که تا امروز، پابرجا و استوار مانده‌اند. به عنوان افزودنی نیز از چربی حیوانی، شیر و خون استفاده کردند؛ موادی که بازتاب روش‌های بسیار کهن و بدوی بوده است. از سوی دیگر، علاوه بر استفاده از پوزولان‌های طبیعی، رومیان یاد گرفتند تا دو نوع پوزولان مصنوعی ایجاد نمایند؛ خاک رس کائولنی کلسینه‌شده[13] و سنگ‌های آتشفشانی کلسینه‌شده. این دستاوردها، در کنار ساخت و سازهای شگفت‌انگیز رومیان، مدارکی است دال بر پیچیدگی و پیشرفت‌های تکنیکی عظیم در آن زمان.

معبد پانتئون

معبد پانتئون، که توسط امپراطور هادریان ساخته و در سال 125 پس از میلاد تکمیل شده است، بزرگترین گنبد بتنی غیرمسلح ساخته شده در تاریخ می‌باشد. این گنبد دارای قطری به بزرگی 43 متر بوده که در وسط دهانه خود و در بالاترین ارتفاع، سوراخی به قطر 8 متر دارد که “Oculus” نامیده شده است. این گنبد به صورت درجا و با ساخت دیوارهای ضخیم بیرونی در ابتدا و سپس، لایه‌های نازک‌تر مرکزی، شکل گرفته است.

پانتئون

تصویر 3 – معبد پانتئون

 

پانتئون دارای دیوارهای شالوده‌ای بیرونی به عرض 8 و عمق 5/4 متر بوده که از سیمان پوزولانی (ترکیب آهک، ماسه آتشفشانی واکنش‌زا و آب) ساخته شده که روی یک لایه متراکم سنگدانه سنگی قرار گرفته است. این که این گنبد هم‌چنان پابرجاست، یکی از اتفاقات نادر و عجیب می‌باشد؛ زیرا نشست و حرکت لایه‌های زمین در طول 2000 سال، در کنار زلزله‌های گاه و بی‌گاه، قاعدتا موجب ترک‌خوردگی و تضعیف سازه شده که تا بدین روز، موجبات تخریب آن را فراهم می‌کرد.

دیوارهای پیرامونی و تکیه‌گاه‌های گنبد، از هفت طاق به فواصل مساوی و دارای حفره در میانشان، تشکیل شده که تا بیرون گنبد امتداد می‌یابد. این طاق‌ها و فرورفتگی‌ها، که در اصل جهت کاهش وزن مرده سازه مورد استفاده قرار گرفته بود، از قسمت‌های میانی دیوارها نازک‌تر بوده و به عنوان درزهای کنترل ترک، عمل می‌کردند و تنش‌های ایجاد شده به دلیل جابجایی، با ترک‌خوردگی در این مناطق سازه، آزاد می‌شد.

طرح کلی پانتئون

تصویر 4 – طرح کلی از مقطع معبد پانتئون

 

در عمل، این گنبد به وسیله 16 ستون بتنی ضخیم و مناسب که به خاطر قسمت‌بندی میان طاق‌ها و فرورفتگی‌ها ایجاد شده ، تحت حمایت بوده است. روش دیگر در کاهش وزن مرده این سازه، استفاده کم از سنگدانه بسیار سنگین و به جای آن، استفاده از سنگدانه‌های سبک‌تر نظیر پوکه معدنی[14] بوده که به میزان زیاد در دیوارها و همینطور در بخش‌هایی از گنبد استفاده شده است. دیوارها نیز به صورت مقطع نازک‌شونده از پایین به بالا بوده که منجر به کاهش وزن در ارتفاعات بالاتر شده است.

اصناف تجارت رومیان

یکی‌دیگر از رازهای موفقیت رومیان، استفاده آن‌ها از صنف‌های تجارتی بوده است. هر تجارت، دارای صنف مختص به خود بوده که اعضای آن، وظیفه انتقال دانش و تجربیاتشان را در خصوص مصالح، روش‌ها و ابزار، به شاگردان و همچنین سپاهیان رومی داشتند. علاوه بر جنگ‌آوری، سپاهیان رومی آموزش می‌دیدند تا خوداستوار و بی‌نیاز از غیر باشند؛ بنابراین، آموزش‌هایی در خصوص روش‌های ساخت‌و‌ساز و مهندسی نیز می‌گذراندند.

تاریخچه سیمان و نقاط عطف تکنولوژی بتن

طی قرون وسطی، تکنولوژی بتن رو به عقب گام برداشت. پس از سقوط امپراطوری روم در سال 476 پس از میلاد، روش‌های ساخت سیمان پوزولانی مفقود شد و در نهایت، در سال 1414 میلادی بود که با پیداشدن دست‌نوشته‌هایی که تکنیک‌های ساخت آن سیمان را مطرح می‌کرد، دوباره توجهات به سمت آن معطوف گردید.

در سال 1793، تکنولوژی سیمان و بتن یک جهش بزرگ رو به جلو داشت؛ جایی که جان اسمیتون[15] یک روش به‌روزتر جهت تولید آهک هیدرولیکی برای ساخت سیمان یافت. وی از سنگ آهک حاوی رس استفاده کرد که تحت حرارت قرارگرفته‌ و تبدیل به کلینکر[16] شده و در نهایت، آسیاب و به پودر تبدیل شده بود. او از این مصالح در بازسازی تاریخی فانوس ادی‌استون[17] در کورن‌وال[18] انگلستان بهره برده بود.

تاریخچه سیمان - فانوس ادی‌استون

تصویر 5 – نسخه اسمیتون (سومین نسخه) از فانوس ادی‌استون که در سال 1759 تکمیل گردید.

پس از 126 سال، این سازه به دلیل فرسایش سنگ بستر آن تخریب شد.

در نهایت در سال 1824 بود که فردی بریتانیایی به نام جوزف آسپدین[19]، سیمان پرتلند[20] را با پختن آهک ریز‌آسیاب‌شده و رس درون یک کوره، تا زمان خروج کامل گاز کربن‌دی‌اکسید، به دست آورد. این فرآورده به این دلیل سیمان پرتلند نامیده شد زیرا یادآور سنگ‌های ساختمانی مرغوب ناحیه پرتلند انگلستان بود. افراد زیادی بر این باورند که آسپدین، اولین کسی بود که مصالح حاوی آلومینوم و سیلیس را تا نقطه‌ای حرارت داد که در نتیجه هم‌جوشی[21]، ترکیبی شیشه‌مانند و سخت را ایجاد نمود. وی روش خود را به وسیله اندازه‌گیری دقیق مقادیر رس و آهک اصلاح نمود، آن‌ها را نرم کرد، سایید و سپس مخلوط حاصل را حرارت داد تا کلینکر حاصل شود که با آسیاب شدن، به سیمان نهایی تبدیل می‌شد.

تاریخچه سیمان – ترکیبات سیمان پرتلند امروزی و مدرن

قبل از این که سیمان پرتلند ساخته شود و حتی تا سالیان زیادی پس از آن، مقادیر زیادی از سیمان‌های طبیعی که به وسیله پخت ترکیبات طبیعی آهک و رس بدست می‌آمدند، مورد استفاده قرار گرفته بودند. چون ترکیبات سازنده سیمان‌های طبیعی به وسیله عوامل طبیعی و خود طبیعت ترکیب می‌شدند، مشخصاتشان بسیار متغیر و متفاوت بود؛ اما سیمان پرتلند مدرن با استانداردهای مشخص و نظارت دقیق تولید می‌شود. برخی از اجزای آن جهت پیشرفت فرآیند هیدراسیون[22] و خصوصیات شیمیایی سیمان ضروری هستند. این سیمان با حرارت دادن به یک ترکیب از سنگ‌آهک و رس در یک کوره بدست می‌آید. ممکن است تا 30 درصد مخلوط، حالت مذاب پیدا کند ولی باقی آن در حالت جامد باقی مانده و واکنش‌های شیمیایی در آن رخ می‌دهد که می‌تواند آهسته باشد. در نهایت، این مخلوط، کلینکر را تشکیل می‌دهد که با آسیاب‌شدن، تبدیل به پودر می‌شود. در این حین، کمی گچ اضافه می‌شود تا نرخ هیدراسیون را کاهش دهد و سیمان برای مدت بیشتری قابل استفاده باشد. بین سالهای 1835 تا 1850، آزمون‌های مشخصی برای تعیین مقاومت فشاری و کششی سیمان، برای اولین بار انجام شد و همزمان، اولین تحلیل‌های شیمیایی دقیق نیز بر روی سیمان صورت گرفت. در حدود سال 1860 میلادی بود که سیمان پرتلند با ترکیبات مدرن امروزی تولید شد.

تاریخچه سیمان – کوره‌ها

در اوایل تولید سیمان پرتلند، کوره‌ها به صورت قائم و ثابت بودند. در سال 1885، یک مهندس انگلیسی، کوره‌ای بهینه‌تر را طراحی نمود که افقی و اندکی کج بوده و امکان چرخش داشت. کوره چرخان، امکان کنترل بهتر دما و اختلاط بهتر مصالح را فراهم نمود و تا سال 1890، بازار به سیطره این کوره‌ها درآمد. در سال 1909، توماس ادیسون[23]، اختراع اولین کوره بلند را به ثبت رساند. این کوره که در کارگاه سیمان پرتلند ادیسون در نیوویلیج نیوجرسی[24] برپا شد، 45 متر طول داشت و 20 متر طویل‌تر از کوره‌های مرسوم در آن زمان بود. قابل توجه است که کوره‌های امروزی می‌توانند تا 150 متر نیز درازا داشته باشند!

تاریخچه سیمان - کوره سیمان

تصویر 6 – نمونه‌ای از یک کوره چرخان و افقی

 

نقاط عطف ساخت و ساز

طی قرن 19 میلادی، بتن عمدتا برای ساخت تاسیسات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گرفت. به دلایل زیبایی‌شناختی، استفاده از بتن در نظر عموم غیرقابل‌قبول می‌آمد. اولین استفاده گسترده از سیمان پرتلند در ساخت و ساز خانگی، در انگلستان و فرانسه بین سالهای 1850 تا 1880 و به وسیله فردی فرانسوی‌تبار با نام فرانسوا کوینیه[25] انجام شده است. او میله‌های فولادی به ترکیب خود اضافه نمود تا از گسیختگی دیوارهای خارجی جلوگیری نماید و بعدها از آن میله‌ها، به عنوان عناصر خمشی استفاده کرد و سنگ‌بنای بتن مسلح[26] را در همین زمان گذاشت. اولین خانه ساخته شده به وسیله بتن مسلح، کلبه خدمتکاران بود که در سال 1854 توسط ویلیام ویلکینسون[27] در انگلستان ایجاد شد. در سال 1875، مهندس مکانیک آمریکایی، ویلیام وارد[28]، اولین خانه بتنی مسلح را در ایالات متحده آمریکا ساخت که همچنان در پورت چستر نیویورک[29]، پابرچاست. وارد، در حفظ اسناد و مدارک ساخت بسیار کوشا بوده و امروزه، اطلاعات زیادی در خصوص این خانه در دست است. این خانه به دلیل ترس همسر وی از آتش و آتش‌سوزی، از بتن ساخته شد و در جهت مقبولیت عام، آن را طوری طراحی نمود که یادآور خانه‌هایی با مصالح بنایی و سنگی باشد. این، شروع تجارتی بود که امروزه بالغ بر 35 میلیارد دلار گردش مالی داشته و به تنهایی، بیش از 2 میلیون نفر را در آمریکا مشغول به کار کرده است.

قلعه ویلیام وارد

تصویر 7 – خانه ساخته شده توسط وارد که عموما، قلعه وارد شناخته می‌شود.

در سال 1891، جورج بارتولومئو[30]، نخستین خیابان بتنی را در آمریکا ایجاد نمود و نکته جالب، آن است که این خیابان هم‌چنان پابرجاست! بتنی که برای این خیابان مورد استفاده قرار گرفته است، در حدود 55 مگاپاسکال مقاومت داشته که این عدد، در حدود دو برابر مقاومتی است که بتن‌های امروزی در ساخت و ساز مسکونی به طور متوسط دارا هستند.

اولین خیابان بتنی

تصویر 8 – نخستین و قدیمی‌ترین خیابان بتنی در ایالات متحده، واقع در بلفونتین ایالت اوهایو

 

سال 1897، سیرز روباک[31] بشکه‌های 190 لیتری سیمان پرتلند وارداتی را به قیمت هرکدام 40/3 دلار فروخت. اگرچه در سال 1898، تولیدکنندگان سیمان از بیش از 90 فرمول مختلف جهت تولید سیمان استفاده می‌کردند اما در سال 1900، روش‌های پایه آزمون و سنجش محصولات، استانداردسازی شدند.

در اواخر قرن 19 میلادی، استفاده از بتن مسلح‌شده به فولاد، توسط افرادی نظیر وایس[32] در آلمان، فرانسوا هنبیک[33] در فرانسه و ارنست رنسوم[34] در آمریکا به صورت کم و بیش توسعه یافت. رنسوم شروع به ساخت ساختمانی با بتن مسلح شده با فولاد در سال 1877 نمود و سیستمی را ابداع کرد که در آن از میله‌های مربعی تنیده‌درهم به جهت بهبود اتصال میان فولاد و بتن استفاده شده بود. اغلب سازه‌های ساخته شده توسط وی، تاسیسات صنعتی بودند.

هنبیک شروع به ساخت خانه‌های بتن مسلح در فرانسه در اواخر دهه 1870 میلادی نمود. او این اختراع موفقیت‌آمیز را در فرانسه و بلژیک به ثبت رساند و متعاقبا یک امپراطوری را با فروش حق امتیاز خود در شهرهای بزرگ ایجاد کرد. وی روش‌هایش را به وسیله شرکت در سخنرانی‌ها و توسعه استانداردهای شرکتش ارتقا داد و بهبود بخشید. مانند رنسوم، هنبیک نیز اغلب تاسیسات صنعتی ساخت. در 1879، وایس حق امتیاز سیستمی را خرید که توسط فردی فرانسوی به نام مونیه[35] ثبت اختراع شده بود که از فولاد جهت تقویت بتن گلدان‌ها و ظروف کاشت استفاده کرده بود. وایس سیستم فوق را بهبود بخشید که به نام سیستم وایس-مونیه[36] شناخته می‌شود.

در 1902، آگوست پرت[37] یک آپارتمان را در پاریس با استفاده از بتن مسلح شده با فولاد برای ستون‌ها، تیرها و دال‌های کف، طراحی و اجرا نمود. این ساختمان هیچ دیوار باربری نداشت ولی به دلیل نمای زیبایش، به مقبولیت عمومی بتن کمک شایانی نمود. این ساختمان مورد تحسین همگان قرار گرفت و باعث شد بتن در کنار استفاده به عنواان مصالح سازه‌ای، به عنوان یک عنصر در معماری نیز مورد استفاده قرار گیرد. طراحی این سازه، در طراحی و ساخت سازه‌های بتن مسلحی که در سال‌های بعد از آن ساخته شد، تاثیر مهمی داشت.

آپارتمان آگوست پرت

تصویر 9 – آپارتمان ساخته شده توسط پرت در خیابان بنجامین فرانکلین پاریس

 

در سال 1904، نخستین ساختمان بلندمرتبه بتنی در سینسیناتی اوهایو[38] ساخته شد که شامل 16 طبقه و 64 متر ارتفاع از سطح زمین می‌باشد.

ساختمان ingalls

تصویر 10 – ساختمان Ingalls، نخستین ساختمان بلندمرتبه اوهایو

در 1911، پل ریزورگیمنتو[39] در رم با دهانه 100 متری ساخته شد.

پل Risorgimento

تصویر 11 – پل ریزوگیمنتو

 

در 1913، اولین محموله بتن آماده[40] در بالتیمور مریلند[41] تحویل داده شد. چهار سال بعد، اداره ملی استاندارد[42] آمریکا ( که امروزه اداره ملی استاندارد و تکنولوژی[43] شناخته می‌شود) و هم‌چنین انجمن آمریکایی آزمون‌ها و مصالح[44] (که امروزه به نام ASTM International شناخته می‌شود)، یک فرمول استاندارد را برای سیمان پرتلند معرفی نمودند.

در سال 1915، مات تروکو[45] ساختمان پنج طبقه مجموعه فیات-لینگوتی[46] در تورین[47] ایتالیا را با استفاده از بتن مسلح (بتن‌آرمه) ساخت. این سازه دارای پیست تست اتومبیل بر روی سقف خود بود.

مجموعه فیات – لینگوتی

تصویر 12 – مجموعه فیات – لینگوتی در تورین ایتالیا

 

اوژن فریزینه[48] یک مهندس فرانسوی و پیشرو در استفاده از بتن مسلح بود. در سال 1921، وی دو آشیانه غول‌پیکر هواپیما با سقف سهموی در فرودگاه اورلی[49] پاریس ساخت. در 1928، او هم‌چنین اختراع بتن پیش‌تنیده[50] را به ثبت رساند.

فرودگاه اورلی پاریس

تصویر 13 – آشیانه قوسی سهموی فرودگاه اورلی پاریس

 

ساخت آشیانه فرودگاه اورلی

تصویر 14 – تصاویر حین ساخت آشیانه فرودگاه اورلی پاریس

هوازایی در بتن

در سال 1930، عوامل هوازا[51] در بتن معرفی و توسعه یافتند. این ترکیبات، مقاومت بتن را در برابر چرخه‌های ذوب و یخبندان[52] به طور چشمگیری افزایش داده و کارایی[53] بتن تازه را نیز بهبود بخشیدند. ترکیبات هوازا، نقش کلیدی در توسعه و بهبود دوام بتن امروزی ایفا می‌کنند. این ترکیبات از عواملی تشکیل شده‌اند که هنگام اضافه شدن به بتن حین فرآیند اختلاط، حباب‌های هوای بسیار کوچک و با فواصل کم ایجاد نموده و اغلب این حباب‌‌ها، در بتن سخت‌شده باقی می‌مانند.

بتن طی فرآیندی شیمیایی، سخت می‌شود که به آن فرآیند، هیدراسیون[54] گفته می‌شود. جهت رخداد فرآیند هیدراسیون، بتن باید نسبت حداقلی از آب به سیمان را داشته باشد که در بتن‌های معمول، برابر با 25/0 است. اگر این نسبت کمتر شود، بخشی از سیمان به صورت واکنش‌نیافته باقی می‌ماند ولی اگر این نسبت بیشتر شود، آب اضافی در بتن وجود خواهد داشت که در حالت بتن تازه، منجر به افزایش کارایی، تسهیل قرارگیری در قالب و بهبود عملیات پرداخت خواهد شد. اما هنگامی که بتن شروع به سخت شدن کند، این آب اضافی شروع به تبخیرشدن نموده و فضاهای خالی زیادی در بتن ایجاد می‌کند و تخلخل آن را بالا می‌برد. آب‌های سطحی ناشی از باران یا ذوب برف، می‌تواند وارد این منافذ شود و آب‌وهوای سرد و یخبندان، موجب تبدیل این آب به یخ شده که همراه با افزایش حجم خواهد بود. این افزایش حجم، ترک‌هایی در داخل توده بتن به وجود می‌آورد که با تکرار این شرایط، رشد یافته و در نهایت، منجر به پوسته‌شدن سطح بتن[55] و یا تخریب داخل آن شده که به عنوان پوکیدگی[56] شناخته می‌شود.

هنگامی که در بتن، هوازایی صورت گیرد، این حباب‌های کوچک می‌توانند اندکی متراکم شوند و بخشی از تنش ناشی از انبساط تبدیل آب به یخ را خنثی کنند. هم‌چنین این هوای عمدی اضافه‌شده، کارایی را بهبود می‌بخشد؛ زیرا نظیر یک روان‌کننده مابین سنگدانه‌ها و اجزای بتن عمل می‌کند.

هوای تصادفی یا محبوس‌شده[57] در بتن، نوع دیگری از هوا در داخل توده بتن بوده که از حباب‌های بزرگتر هوا تشکیل شده که در حین فرآیند اختلاط در بتن ایجاد می‌گردد. این نوع از هوا در بتن، فایده‌ای در بتن نداشته و عامل کاهش دوام آن نیز خواهد شد.

پوسته‌های نازک[58]

با پیشرفت ساخت‌وساز با استفاده از بتن مسلح، شیوه جدیدی از استفاده از بتن مورد توجه قرار گرفت. این شیوه که به عنوان روش پوسته نازک شناخته می‌شود، این امکان را می‌دهد تا سازه‌هایی نظیر سقف‌ها با ضخامتی نازک از بتن اجرا شود. گنبدها، قوس‌ها و انحناهای ترکیبی عمدتا با استفاده از این روش ساخته می‌شوند. در سال 1930، یک مهندس اسپانیایی به نام ادواردو تورویا[59] گنبدی کم‌ارتفاع را برای بازار آلخسیراس[60] طراحی نمود که ضخامتی معادل 9 سانتی‌متر داشت و دهانه‌ای به طول 46 متر را ایجاد نمود و از کابل‌های فولادی نیز جهت ایجاد یک حلقه کششی در آن استفاده شد. در همان زمان، پیر لوئیجی نروی[61] ایتالیایی، شروع به ساخت آشیانه‌هایی برای نیروی هوایی ایتالیا نمود. آشیانه‌ها به صورت درجا بتن ریزی شدند اما عمده کار نروی شامل قطعات پیش‌ساخته بتنی بود.

آشیانه‌های نیروی هوای ایتالیا

تصویر 15 – آشیانه‌های نیروی هوای ایتالیا؛ ساخته شده توسط نروی

احتمالا موفق‌ترین فرد در استفاده از شیوه پوسته نازک بتنی در ساخت سازه‌ها، معمار-مهندس-ریاضیدان اسپانیایی با نام فلیکس کاندلا[62] بوده که بیشتر کارهایش را در مکزیک به انجام رسانده است. سقف آزمایشگاه پرتوی کیهانی در دانشگاه مکزیکوسیتی از جمله کارهای اوست که با استفاده از ضخامت 6/1 سانتی‌‌متری در نازک‌ترین قسمت آن، ساخته شده است. روش ابداعی وی، استفاده از مخروط‌های هذلولی‌شکل[63] می‌باشد.

سقف مخروطی‌هذلولی روی یک کلیسا

تصویر 16 – نمونه‌ای از سقف مخروطی‌هذلولی روی یک کلیسا در بولدر ایالت کلورادو

 

 

برخی از شناخته‌شده‌ترین سقف‌های سازه‌ها در جهان، با استفاده از تکنولوژی پوسته نازک ساخته شده است؛ نظیر خانه اپرای سیدنی در استرالیا.

خانه اپرای سیدنی

تصویر 17 – خانه اپرای سیدنی در استرالیا

 

سد هوور[64]

در سال 1935، سد هوور پس از بتن‌ریزی به میزان حدودی 5/2 میلیون مترمکعب برای خود سد و حدود 850 هزارمترمکعب بتن‌ریزی برای نیروگاه و سازه‎‌‌های مرتبط با سد به اتمام رسید. این را در ذهن داشته باشید که این پروژه، کمتر از 20 سال پس از تثبیت و معرفی فرمول استاندارد برای سیمان ساخته شده است!

سد Hoover

تصویر 19 – سد هوور

 

مهندسان در این پروژه، برآورد کردند که اگر بتن این سد به صورت یکپارچه ریخته می‌شد، حدود 125 سال طول می‌کشید تا توده بتن خنک شود! هم‌چنین تخمین زدند که تنش ناشی از حرارت تولیدشده و جمع‌شدگی‌هایی که ناشی از عمل‌آوری بتن به وجود خواهد آمد، منجر به ترک‌خوردگی و فروریختن سازه خواهد شد. راه‌حل پیشنهادشده جهت رفع این معضل، بتن‌ریزی به صورت مجموعه بلوک‌هایی بود که تشکیل یک سری ستون می‌‌دادند که بعضی از این بلوک‌ها، مقطعی به بزرگی 5/4 مترمربع و ارتفاع 5/1 متر داشتند. هر مقطع 5/1 متری، شامل مجموعه‌ای از لوله‌هایی به قطر 5/2 سانتی‌متر بود که آب رودخانه یا آب خنک‌شده از آن‌ها عبور می‌کرد و موجب خنک‌شدن بتن و جذب حرارت ایجاد شده می‌شد. زمانی که جمع‌شدگی‌‌های بتن متوقف می‌شد، این لوله‌ها با استفاده از دوغاب[65] پر می‌گشت. نمونه‌های مغزه‌گیری شده در سال 1995 نشان داد که بتن این سد، هم‌چنان در حال کسب مقاومت بوده و مقاومت فشاری بیشتر از حد میانگین را دارا می‌باشد.

سد گرند کولی[66] (جویبار بزرگ)

سد گرند کولی یا جویبار بزرگ که در سال 1942 در واشنگتن تکمیل شده است، یکی از بزرگترین سازه‌های بتنی ساخته شده توسط بشر می‌باشد. این پروژه شامل بیش از 9 میلیون مترمکعب بتن می‌باشد! حفاری‌های انجام شده در آن زمان، نیازمند جابجایی بیش از 16 میلیون مترمکعب خاک و سنگ بوده و جهت کاهش مصائب حمل و نقل این حجم از خاک و سنگ، تسمه نقاله‌ای به طول 3 کیلومتر ایجاد شده بود. در قسمت پی آن، دوغاب به درون حفراتی که 200 تا 270 متر در درون گرانیت سوراخ شده بودند، تزریق شد تا هرگونه شکاف و درز که ممکن بود خاک زیر سد را تضعیف کند، برطرف شود. جهت جلوگیری از ریزش ناشی از عملیات حفاری به دلیل وزن مصالح سرباره، لوله هایی به قطر 5/7 سانتی‌متر در زمین تعبیه شده بود تا مایع خنک‌کننده از طریق تاسیسات سرمایش و این لوله‌ها، به داخل خاک پمپ شود. یخبندان حاصل از این فرآیند در خاک، موجب تثبیت خاک جهت ادامه فعالیت ساختمانی می‌شد.

سد گرند کولی

تصویر 20 – سد گرند کولی (جویبار بزرگ) بر روی رودخانه کلمبیا

 

بتن این سد، با روشی مشابه با سد هوور ریخته شده است. پس از بتن‌ریزی در مجموعه‌ای از ستون‌ها، آب سرد رودخانه از طریق تاسیسات تعبیه شده در بتن در حال عمل‌آوری، عبور می‌کرد و دمای درون قالب‌ها را از حدود 40 درجه سانتی‌گراد به حدود 7 درجه‌سانتیگراد می‌رساند. این موضوع، موجب ایجاد جمع‌شدگی در سازه سد به میزان 20 سانتی‌متر در طول آن شد که بعدا توسط دوغاب و ملات پر گردید.

سد گرند کولی در هنگام ساخت

تصویر 21 – تصویری از سد گرند کولی در هنگام ساخت

 

ساخت‌وسازهای بلندمرتبه

در سال‌های ساخت ساختمان اینگالز[67] در سال 1904 و پس از آن، عمده ساختمان‌های بلندمرتبه از فولاد ساخته شده بودند. ساخت برج‌های دوقلوی 60 طبقه برتراند گلدبرگ[68] در سال 1962 در شیکاگو، مجددا توجهات را به استفاده از بتن مسلح در سازه‌های بلندمرتبه معطوف نمود.

برج دوقلوی برتراند گلدبرگ

تصویر 22 – برج دوقلوی برتراند گلدبرگ شیکاگو

بلندترین سازه فعلی جهان، برج خلیفه[69] دوبی است که 828 متر ارتفاع داشته و با استفاده از بتن مسلح ساخته شده است. در این‌جا به چند نکته قابل توجه در خصوص این سازه اشاره می‌شود:

  • در ساخت آن از 330 هزار مترمکعب بتن و 61 هزار تن آرماتور استفاده شده است.
  • وزن ساختمان در حالت خالی از سکنه و تجهیزات، در حدود 500 هزار تن بوده که معادل وزن ملاتی است که در ساخت هرم بزرگ مصر مورد استفاده قرار گرفته است.
  • در این برج، بالغ بر 35 هزار نفر در آنِ واحد می‌توانند حضور پیدا کنند.
  • جهت جابجایی بین 160 طبقه این برج، از 57 آسانسور استفاده می‌شود که برخی از آن‌ها سرعتی بالغ بر 65 کیلومتر بر ساعت دارند.
  • آب‌وهوای گرم و شرجی دوبی، در ترکیب با تاسیسات تهویه مطبوع عظیم که دمای 50 درجه سانتیگرادی بیرون را به دمای مناسب در داخل ساختمان تبدیل می‌کند، آب فراوانی را در تاسیسات تهویه مطبوع در نتیجه میعان ایجاد می‌نماید که پس از ذخیره ،جهت آبیاری فضای سبز اطراف برج استفاده می‌شود.
برج خلیفه دوبی

تصویر 23 – برج خلیفه دوبی؛ بلندترین سازه فعلی در جهان

مراجع

  • Gromicko N., and K. Shepard, 2011, InterNACHI, accessed 8 August 2021, <http://Nachi.org>
  • Mehta P.K., and P.J.M. Monteiro, Concrete: Microstructure, Properties and Materials, 4th McGraw-Hill, New York, 2014.
  • Neville A.M., Properties of Concrete, 5th Pearson, Harlow, England, 2011.
  • Neville A.M., and J.J. Brooks, Concrete Technology, 2nd Prentice Hall, Pearson, Harlow, England, 2010.

[1] Gypsum

[2] Limestone

[3] Erosion

[4] Abrasion

[5] Chemical Attacks

[6] Mix Design

[7] Nabataea

[8] Sandy Volcanic Ash

[9] Danube River

[10] Adobe

[11] The Pantheon Dome

[12] The Colosseum

[13] Calcined Kaolinitic Clay

[14] Pumice

[15] John Smeaton

[16] Clinker

[17] Eddystone Lighthouse

[18] Cornwall

[19] Joseph Aspdin

[20] Portland

[21] Fusion

[22] Hydration Process

[23] Thomas Edison

[24] New Village, NJ

[25] Francois Coignet

[26] Reinforced Concrete

[27] William B. Wilkinson

[28] William Ward

[29] Port Chester, NY

[30] George Bartholomew

[31] Sears Roebuck

[32] G.A. Wayss

[33] Francois Hennebique

[34] Ernest Ransome

[35] Monier

[36] Wayss-Monier System

[37] August Perret

[38] Cincinnati, OH

[39] Risorgimento Bridge

[40] Ready-Mix Concrete

[41] Baltimore, MD

[42] National Bureau of Standards

[43] National Bureau of Standards and Technology

[44] American Society for Testing and Materials

[45] Matte Trucco

[46] Fiat-Lingotti Autoworks

[47] Turin

[48] Eugene Freyssinet

[49] Orly Airport

[50] Pre-Stressed Concrete

[51] Air-Entraining Agents

[52] Freezing and Thawing Cycles

[53] Workability

[54] Hydration

[55] Surface Flaking

[56] Spalling

[57] Entrapped Air

[58] Thin Shell

[59] Eduardo Torroja

[60] Algeciras

[61] Pier Luigi Nervi

[62] Felix Candela

[63] Hyperbolic Paraboloid

[64] Hoover Dam

[65] Grout

[66] Grand Coulee Dam

[67] Ingalls

[68] Bertrand Goldberg

[69] Burj Khalifa

1 دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *