بتن سبک چیست؟ کاربرد انواع آن

بتن یکی از مصالح مورد استفاده مهم در صنعت ساخت و ساز بوده که غالبا به دلیل بادوام و ارزان بودن در سازه های مختلفی به کار برده می شود. همزمان با پیشرفت تکنولوژی و صنعت ساخت و ساز در دهه های اخیر، بتن های مختلفی طراحی و تولید شده است و پیشرفت فراوانی داشته، از همین رو امروزه شاهد انواع متنوع بتن با خواص متفاوتی هستیم. یکی از این بتن ها که بسیار مورد توجه قرار گرفته است، بتن سبک می باشد. در ادامه به بررسی تاریخچه، مزایا، معایب و انواع بتن سبک پرداخته می شود.

بتن سبک چیست؟

مخلوط بتن سبک (Light Weight Concrete) با یک سنگدانه درشت سبک ساخته می شود و گاهی اوقات ممکن است قسمتی یا کل سنگدانه های ریز به جای سنگدانه های معمولی، سبک وزن باشند. بتن سبک دارای چگالی 1440 تا 1840 کیلوگرم بر متر مکعب بوده در حالی که بتن با وزن معمولی چگالی در محدوده 2240 تا 2400 کیلوگرم بر متر مکعب دارد. برای کاربردهای سازه ای، مقاومت بتن باید بیشتر از 17 مگاپاسکال باشد. سنگدانه های سبک که در بتن سبک سازه ای استفاده می شوند که معمولاً از مواد شیل، رس یا تخته سنگ منبسط شده هستند و برای ایجاد ساختار متخلخل، در یک کوره دوار پخته شده اند.

با این حال، LWC نیز دارای چند محدودیت است. از آنجایی که محتوای آب بیشتری دارد، خشک شدن آن زمان بیشتری می برد. علاوه بر این، افزودن بیش از حد آب می ‌تواند منجر به تشکیل ساختار لایه ‌ای گردد، در حالی که کاهش آب برای جبران این محدودیت، ممکن است منجر به ساخت بتن ضعیف ‌تری شود.

از آنجایی که LWC نیز بسیار متخلخل است، مخلوط کردن آن به شکل صحیح، دشوار است. یکی دیگر از مشکلات LWC این است که سیمان در صورت مخلوط شدن نادرست از سنگدانه ها جدا می شود. کلاس های دیگری از LWC غیر سازه ای با چگالی کمتر ساخته شده با سایر مصالح سنگدانه و فضای خالی هوای بالاتر در ماتریس خمیر سیمان، مانند بتن سلولی وجود دارد.

تاریخچه بتن سبک

بدنه مصالح ساختمانی نسبتاً سنگین است، بنابراین آزمایش‌ های زیادی در قرن بیستم برای کاهش وزن آن ها بدون ایجاد اختلال در سایر خواص آن انجام گردید. اولین استفاده از بتن سبک (Lightweight Concrete) برای سبک مدرن در سال 1917 ثبت شد، زمانی که شرکت ناوگان اضطراری آمریکا شروع به ساخت کشتی با بتن سبک به دلیل استحکام و عملکرد بالای آن، کرد. در طول دهه 1920 و 1930، انواع مختلفی از بتن سبک طراحی و تولید شد. بتن سبک Dorisol که در اصل یک اختراع هلندی – بلژیکی بود که از اواخر دهه 1930 به طور گسترده در سوئیس مورد استفاده قرار گرفت و در بسیاری از کشورهای اروپایی دیگر از جمله بلژیک محبوب شد.

در اوایل دهه 1920، اریکسون سوئدی نمونه های مختلف بتن هوادهی را آزمایش کرد و مخلوط ها را در اتوکلاو قرار داد تا فرآیند پخت را سرعت بخشد. تقریباً به طور تصادفی، او خواص بهبود یافته بتن هوادهی اتوکلاو شده را کشف کرد. او در سال 1924 حق ثبت اختراع گرفت. بتن از سال 1935 به بعد در سوئد بسیار محبوب شد و بلافاصله پس از جنگ جهانی دوم به یکی از مهمترین مصالح ساختمانی در جهان تبدیل گردید. فرآیند تولید بتن از سوئد به کشورهای دیگر انتقال یافت و مجوزها به نروژ، آلمان، انگلستان، ایالات متحده آمریکا، اسپانیا، لهستان، کانادا، بلژیک و حتی ژاپن فروخته شد. بعدها، در دهه ‌های 1950 و 1960، بتن سبک وزن به طور علمی و عملی در ایالات متحده و ژاپن توسعه بیشتری یافت.

انواع بتن سبک

بتن سبک بر اساس ترکیب به کار برده شده به صورت زیر طبقه بندی می شود.

1. بتن سبک وزن (بتن با سنگدانه سبک)

در اوایل دهه 1950، استفاده از بلوک ‌های بتنی سبک در بریتانیا رواج یافت و پس از مدت اندکی توسعه و تولید انواع جدید بتن سبک وزن (Lightweight aggregate) امکان معرفی LWC با استحکام بالا را برای کارهای سازه ای فراهم آورد. این پیشرفت ‌ها استفاده سازه ‌ای از بتن LWA را تشویق کرد، به ‌ویژه در مواردی که نیاز به کاهش وزن سازه یک فاکتور مهم برای طراحی یا صرفه ‌جویی بود. در زیر انواع مختلفی از سنگدانه های سبک مناسب برای بتن سبک وزن ذکر شده است:

• پوکه: برای دال سقف بتنی مسلح، عمدتاً برای سقف های صنعتی در آلمان استفاده می شود.
• سرباره فوم: اولین سنگدانه سبک وزن مناسب برای بتن مسلح بود که به مقدار زیاد در انگلستان تولید شد.
• خاک رس و شیل منبسط شده: قادر به دستیابی به مقاومت کافی برای بتن پیش ساخته شده است.
• پودر متخلخل (سنگدانه خاکستر سوخت): در انگلستان برای اهداف ساختاری مختلف استفاده شده و با نام تجاری Lytag به بازار عرضه می شود.

پرلیت و ورمیکولیت نیز از معروف ترین سنگدانه ‌های سبک قابل استفاده در ترکیب این نوع بتن‌ سبک هستند. البته به‌کارگیری بیش از حد سنگدانه ‌ها، مقاومت بتن را کاهش داده و کاربرد سازه ‌ای آن را از بین خواهد برد.

2. بتن هوادهی (بتن گازی)

بتن هوادهی کمترین چگالی، هدایت حرارتی و مقاومت را دارا می باشد. مانند چوب می توان آن را اره، پیچ و میخ کرد و غیر قابل احتراق است. بتن پیش ساخته معمولاً با افزودن حدود 2/0 درصد پودر آلومینیوم به مخلوط ساخته می شوند، که با مواد قلیایی موجود در بایندر واکنش داده و حباب های هیدروژن را تشکیل می دهد. بتن هوادهی شده در جاهایی استفاده می شود که به مقاومت کمی نیاز است.

بتن هوادهی ماده ای سبک و سلول مانند است که از سیمان، آهک و ماسه یا سایر مواد سیلیسی تشکیل شده است. این بتن توسط یک فرآیند فیزیکی یا شیمیایی ساخته شده که در طی آن هوا یا گاز به یک دوغاب وارد می شود که معمولاً حاوی مواد درشت نیست.

بتن هوادهی که به عنوان مصالح سازه ای استفاده می شود، معمولاً با بخار فشار بالا عمل آوری می شود. بنابراین در کارخانه ساخته شده و فقط در واحدهای پیش ساخته و بتن اکسپوز، برای کف، دیوار و سقف در دسترس کاربر است. سازه های بزرگتر با میله های فولادی تقویت می شوند تا در برابر آسیب از طریق حمل و نقل، جابجایی و قرار گرفتن روی یکدیگر در امان باشند. بتن هوادهی اتوکلاو شده که در ابتدا در سال 1929 در سوئد توسعه یافت، اکنون در سراسر جهان تولید می شود.

3. بتن بدون ریزدانه

اصطلاح بتن بدون ریزه به طور کلی به معنی بتن متشکل از سیمان و سنگدانه درشت (9-19 میلی متر) است (حداقل 95 درصد باید از الک 20 میلی متری BS عبور کند، بیش از 10 درصد نباید از الک 10 میلی متری BS عبور کند و هیچ چیز نباید از الک BS رد شود)، و محصولی که به این ترتیب تشکیل شده است دارای حفره های زیادی بوده که به طور یکنواخت در سراسر جرم خود توزیع شده است.

بتن بدون ریزه عمدتاً برای تحمل بار، ریخته گری در محل دیوار خارجی و داخلی، دیوار غیر باربر و پرکردن زیر کف برای طبقات همکف جامد، استفاده می شود. بتن بدون ریزه در سال 1923 به بریتانیا معرفی شد، زمانی که 50 خانه در ادینبورگ و چند سال بعد 800 خانه در لیورپول، منچستر و لندن ساخته شد.

چگالی ابن نوع بتن حدود دو سوم یا سه چهارم بتن متراکم ساخته شده با همان سنگدانه ها است. بتن بدون ریزه تقریباً همیشه در محل عمدتاً به عنوان دیوارهای باربر و غیر باربر از جمله در دیوارهای پرکننده، در سازه های قاب بندی شده ریخته می شود. اما گاهی اوقات به عنوان پرکننده در زیر طبقات همکف جامد و برای لایه های سقفی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

بنابراین بتن بدون ریزه تجمعی از ذرات درشت سنگدانه است که هر یک با پوششی از خمیر سیمان تا ضخامت حدود 1.3 میلی متر احاطه شده است. به این ترتیب منافذ بزرگی در بدنه بتن وجود دارد که عامل مقاومت کم آن است، اما اندازه بزرگ آن ها به این معنی است که هیچ حرکت مویرگی آب نمی تواند از آن عبور کند. اگرچه مقاومت بتن بدون ریزه به طور قابل توجهی کمتر از بتن با وزن معمولی است، اما این مقاومت، همراه با بار مرده کمتر سازه، در ساختمان های تا حدود 20 طبقه و در بسیاری از کاربردهای دیگر کافی است.

طبقه بندی انواع مختلف بتن سبک بر اساس روش تولید آن ها شامل موارد زیر است:

1. بتن سبکدانه

این بتن با استفاده از سنگدانه سبک متخلخل با وزن مخصوص ظاهری کم، یعنی کمتر از 6/2 ساخته شده که عموما به بتن سنگدانه سبک معروف است. سنگدانه‌ های سبک به کار برده شده را می‌ توان به دو صورت طبقه بندی کرد: سازه ‌ای و غیر‌سازه‌ ای و طبیعی و غیرطبیعی.

2. بتن اسفنجی

در زمان ساخت بتن‌ های اسفنجی، با ایجاد کف یا حباب گاز، حباب ‌هایی درخمیر سیمان ایجاد می‌گردد. حباب مورد نظر به چند طریق اضافه می شود. الف) از طریق مواد کف زا در حین اختلاط تولید می شود. ب) به صورت کف آماده به مخلوط اضافه می‌ گردد. ج) با افزودن مواد واکش زایی مانند پودرآلومینیوم به بتن تازه تولید می گردد.

واکنش این مواد باعث ایجاد و تولید گاز در بتن شده که در نتیجه منجر به سبک شدن ماتریس سیمان می‌شود. از اصلی‌ترین خصیصه های این بتن، حباب‌ ها و توزیع یکنواخت آن‌ ها در هنگام انجام اختلاط، حمل و بتن ریزی می باشد.این حفره ها باید به وضوح از حفره های بسیار ریز ایجاد شده توسط حباب هوا متمایز شوند. این نوع بتن با نام های مختلف بتن هوادهی، سلولی، فوم دار یا گازی نیز معروف هستند.

3. بتن‌ با ساختار باز

روش تولید این نوع با حذف سنگدانه ریز از مخلوط انجام می شود، به طوری که تعداد زیادی حفره بینابینی وجود داشته باشد. معمولاً از سنگدانه درشت با وزن معمولی استفاده می شود. ساخت این نوع بتن با ساختار باز، به دو روش با استفاده از سنگدانه ‌های طبیعی و سبکدانه های مصنوعی صورت می گیرد. وزن مخصوص این نوع بتن حدودا بین ۷۰۰ الی ۱۵۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب می باشد.

همچنین بتن سبک  را می توان بر اساس هدفی که برای استفاده از آن استفاده می شود، طبقه بندی کرد:

• بتن سبک سازه ای
• بتن مورد استفاده در واحد های بنایی
• بتن عایق (ASTM)

این طبقه بندی بتن سبک سازه ای بر اساس حداقل مقاومت است. در بتن سبک سازه ای، مقاومت فشاری بتن 28 روزه نباید کمتر از 17 مگاپاسکال (2500 psi) باشد. چگالی چنین بتنی (تعیین شده در حالت خشک) نباید از 1840 کیلوگرم بر متر مکعب تجاوز کند و معمولاً باید بین 1400 تا 1800 کیلوگرم بر متر مکعب باشد. از سوی دیگر، بتن بنایی عموماً دارای چگالی بین 500 تا 800 کیلوگرم بر متر مکعب و مقاومتی بین 7 تا 14 مگاپاسکال (1000 تا 2000 psi) است. لازم به ذکر است که این بتن ها بر اساس مقاومتشان نیز به صورت زیر نامگذاری می شوند:

• بتن سبک با مقاومت بالا
• بتن سبک با مقاومت متوسط
• بتن سبک با مقاومت پایین

کاربردهای بتن سبک

بتن سبک دارای طیف وسیعی از کاربردهای ساختمانی و تزئینی است.

1. کاربردهای سازه ای: سازندگانی که نیاز به کاهش وزن دارند اما نمی خواهند استحکام را کاهش دهند از بتن سبک در بسیاری از انواع عناصر سازه ای پایه مانند تیرها، ستون ها و دال ها استفاده می کنند.
2. عایق و بهره وری انرژی: بتن سبک دارای چگالی کمتر و عایق حرارتی بالاتری است، بنابراین در کاربردهای کم مصرف برای کاهش مصرف انرژی ایده آل است. از این بتن به عنوان بخشی از پانل های دیوار، سیستم های سقف و بلوک های عایق استفاده می کنند. همچنین به عنوان عایقی برای لوله هایی انتقال آب نیز کاربرد دارد.
3. ساختمان ‌های بلند: مهندسان اغلب از بتن سبک برای ساخت ساختمان ‌های بلند استفاده می‌کنند تا وزن کلی آن ‌ها را کاهش داده و ارتفاع سازه ‌ها و مقاومت در برابر آتش را افزایش دهند.
4. عناصر پیش ساخته: سازندگان بتن معمولاً از بتن سبک در ساخت عناصر بتنی پیش ساخته مانند پنل های بتنی دیواری، عناصر نمای بتنی و تزئینات معماری استفاده می کنند. استفاده از این نوع بتن به کاهش وزن هزینه های حمل و نقل کمک می کند و امکان دست کاری آسان تر در محل را فراهم می آورد.
5. کاربرد های زیرساخت: سازندگان از بتن سبک در پروژه های زیرساختی مختلف، از ساخت پل ها و تونل ها گرفته تا دیوارهای مانع صوتی که در کنار بزرگراه های عریض قرار دارند، استفاده می کنند.
6. کاربرد های زمین شناسی: مهندسان از بتن سبک در پروژه هایی که شامل تثبیت خاک و پرکردن فضاهای خالی است، استفاده می کنند. این نوع بتن به کاهش فشارهای جانبی زمین، بهبود کنترل نشست و افزایش پایداری کمک می کند.
7. کاربردهای تزئینی: معماران و هنرمندان از بتن سبک برای روکش های تزئینی مانند قوس ها، قرنیز ها و روکش دیوار ها استفاده می کنند. همچنین بتن سبک یک عنصر متداول برای مجسمه سازی است زیرا وزن سبک تر اجازه می دهد تا طرح های پیچیده تری ایجاد شود.
8. امکان ساخته شدن به صورت بتن آرمه را دارد که برای کاربری ‌‌های سازه ‌ای مناسب می شود.
9. ترمیم آجرها، به ویژه در پروژه‌های مسکونی
10. شمشه‌کاری و افزایش ضخامت المان ‌های سازه ‌ای مانند سقف و کف پوش بتنی
11. در واقع، بتن سبک در مقایسه با بتن معمولی احتمال انقباض کمتری دارد و همچنین مقاومت بیشتری در برابر پوسیدگی و هجوم موریانه از خود نشان می دهد.

مزایای بتن سبک

1. بار مرده ساختمان را به حداقل می رساند.
2. رسیدگی به آن ساده است که هزینه حمل و نقل و جابجایی را کاهش می دهد.
3. کارایی را افزایش می دهد.
4. هدایت حرارتی با بتن سبک کاهش می یابد.
5. استفاده از بتن سبک در اتاق هایی که قرار است تهویه مطبوع در طول ساخت و ساز ساختمان نصب شود، باعث آسایش حرارتی خوب و کاهش مصرف برق می شود.
6. مقاوم و بادوام است.
7. در مقایسه با بتن معمولی، مقاومت بالایی در برابر یخ زدگی و ذوب شدن دارد.
8. استفاده از بتن سبک، خروجی پسماندهای صنعتی مانند خاکستر بادی، کلینکر، سرباره و … را که در محل دفن زباله ها مشکل ایجاد می کند، بهبود می بخشد.

معایب بتن سبک

1. بتن سبک اغلب به میزان آب موجود در مخلوط حساس است.
2. به دلیل تخلخل و زاویه دار بودن سنگدانه، قرار دادن و تکمیل دشوار است و نیاز به استفاده از نیروی کار مجرب دارد.
3. در شرایط نادر، ملات سیمان ممکن است سنگدانه ها را جدا کرده و باعث شناور شدن آن ها بر روی سطح شود.
4. برای اطمینان از اختلاط صحیح بتن، دوره اختلاط بیشتر از بتن استاندارد است.
5. بتن سبک متخلخل است و مقاومت کمی دارد.

بتن سبک یک مصالح ساختمانی انعطاف پذیر و قابل حمل بوده و در جهت کاهش وزن ساختمان ساخته شده است. این امر باعث می شود برای پروژه های ساختمانی بزرگتر مقرون به صرفه باشد. به طور دقیق بتن سبک دارای وزن مخصوص بین ۳۰۰ تا ۱۸۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب می باشد. رایج ترین مواد تشکیل دهنده بتن سبک، سنگ‌ دانه ‌های متخلخل می باشد. انواع بتن سبک به دلیل رسانایی حرارتی کم و مقاومت در برابر آتش، یک ماده ایده آل برای عایق کاری در برابر آسیب گرما است. با وجود کاهش تراکم، سازه های ساخته شده با LWC بعید است که فرو بریزند. با توجه به مطالب ذکر شده، بتن سبک به دلیل مزایای فراوانی که نسبت به بتن معمولی دارد، به بهبود انواع سازه کمک شایانی کرده است.