بتن سبک چیست؟ | ترکیبات، انواع و ویژگی های آن

بتن سبک بر اساس تعریف مؤسسه ACI به بتنی که وزن مخصوص آن بطور محسوسی کمتر از وزن مخصوص بتن معمولی باشد، اتلاق می شود.این نوع بتن با سنگدانه های سبک و یا با ایجاد حفره های مصنوعی Artificial Voids ساخته می شود.

بتن سبک اغلب به عنوان جایگزینی مناسب و مکمل برای بتن معمولی و به منظور کاهش وزن سازه به کار می رود. مقاومت فشاری نهایی آن نیز در مقایسه با نوع معمولی کمتر است. معمولاً افزایش هزینه ناشی از اعمال تمهیدات ویژه در ساخت بتن سبک به ازای هر متر مکعب، با کاهش بار مرده و نیروهای زلزله و افزایش مقاومت بتن در مقابل آتش سوزی جبران می‌شود.

کاهش بار مرده در سازه موجب کاهش ابعاد پی ساختمان، کاهش عرض پی های زیر دیوار، ابعاد دالها، ستونها، تیرها و ضخامت سقف میگردد. کاهش در جرم بتن مصرفی موجب صرفه‌جویی در هزینه ساخت اعضای فوق خواهد شد. در ساختمان‌هایی که عایق سازی صوتی و حرارتی آن مهم است از بتن سبک استفاده می‌شود.

چگالی این محصول بطور قابل ملاحظه‌ای از بتن معمولی پایین‌تر است. می‌تواند به عنوان مصالح تسطیح و پرکننده نیز بکار رود.

طبقه بندی انواع بتن های سبک بر اساس روش دستیابی به سبکی

اصول اولیه دستیابی به این نوع بتن، ایجاد تخلخل در آن است. لذا ساخت آنها را میتوان به سه روش عمده تقسیم بندی نمود:

• کاربرد سنگدانه های متخلخل در بتن بنام بتن سبکدانه Light weight Aggregate Concrete
• بتن اسفنجی با سلولی Aerated or cellular concrete (این بتن با ایجاد تخلخل در خمیر سیمان ایجاد میگردد)
• ایجاد تخلخل و فضای خالی در بتن از طریق حذف ریزدانه ها بنام بتن بدون ریزدانه

ویژگی‌های بتن سبک

1. کاهش چگالی بتن تازه و بتن سخت شده
2. اگر بتن سبک به عنوان پرکننده با باربری پایین استفاده شود، ملات و بتن های حفره دار، تولید خواهد شد. (بتن سبک هوادار)
3. اگر بتن سبک با ویژگیهای مکانیکی مناسب (مثلاً مقاومت فشاری) مورد نیاز باشد، میتوان از سنگدانه‌های خاصی استفاده کرد. (سنگدانه هایی که بطور طبیعی بسیار متخلخل باشند، اما از نظر ابعادی پایدار هستند.)

چگونگی ساخت بتن سبک

مصالح حفره‌دار سبک مانند رس‌های منبسط یا حجیم شده Expanded Clays باید ابتدا مرطوب شوند تا هنگام اختلاط از جذب بی رویه آب بتن جلوگیری بعمل آید. به دلیل خطر جداشدگی مصالح نباید از غلظتهای خیلی روان استفاده شود.  روند عمل آوری سریع، کامل و ویبره کردن میبایست به آرامی انجام گیرد. بتن سبک با رس‌های منبسط شده، می‌تواند مقاومت خوبی را با چگالی حدوداً ۱۵۰۰kg/m از خود نشان دهند.

اجزای تشکیل دهنده بتن سبک

1. سنگدانه‌های سبک بدست آمده از خاکستر نرم کوره ها Fly Ash
2. رس منبسط شده که به صورت صنعتی تولید می‌شود.
3. دانه‌های منبسط شده پلی استایرن و خاک اره (بسیار جزئی)
4. افزودنی‌های مخصوص تولید حفره برای ایجاد تعداد زیادی حفره‌های هوا Air Voids
5. عوامل کف زا Foaming Agents که به روش‌های مختلفی بدست میاید.

بتن با سنگدانه سبک

در بسیاری موارد بتن سبک با استفاده از سنگدانه‌های سبک ساخته میشود. بطور طبیعی وقتی از این سنگدانه‌ها استفاده می‌شود بتن‌هایی با چگالی متفاوت تولید خواهند شد. با استفاده از پرلیت منبسط شده و یا ورمیکولیت بتنی با چگالی پایین حدود ۳۰۰kg/m تولید  میشود. با استفاده از رویاره، منبسط شده، خاکستر بادی تفته، رس پف کرده، بتنی با چگالی حدود kg ۱۹۰۰ بدست می‌آید. همچنین مقاومت بتن سبک بین ۰/۳تا ۴۰N/mm تغییر میکند. برای این حالت مقدار سیمان ممکن است از ۲۰۰kg/m تا ۵۰۰kg/m متغیر باشد.

مقاومت بتن سبک بستگی به چگالی آن دارد. هرچه بافتی کم تخلخل داشته باشد، وزنی سنگین تر با مقاومت بیشتر تولید می‌کند. رده، سنگدانه، نسبت آب به سیمان و درجه تراکم در مقاومت بتن موثرند.

اکثر سنگدانه‌های سبک (به جز رس پف کرده و خاکستر بادی تفته) گوشه‌های تیز و سطح زبری داشته باشند، مخلوط خشنی تولید می‌کنند. از اینرو باید توجه ویژه ای برای بهبود کارایی با افزودن مواد ریزدانه مانند مصالح پوزولانی و یا دیگر افزودنیهای روان کننده بعمل آید. مقاومت سنگدانه بر اساس نوع سنگدانه تغییر میکند. برای افزایش مقاومت و به منظور بهبود کارآیی و کاهش آب مورد نیاز، گاهی از ماسه طبیعی به جای ماسه خرد شده (که از سنگ دانه سبک به دست آمده) استفاده میشود. استفاده از مواد حباب‌زا به روانی و تمایل به آب انداختگی (bleeding) در بتن سبک کمک میکند. اما باید توجه داشت استفاده از مواد حباب‌زا به کاهش مقاومت آنها نیز منجر میشود.

معایب بتن با سنگدانه های سبک

اکثر سنگدانه‌های سبک درصد جذب آب بالا و سریعی دارند. این یکی از مشکلاتی است که برای بکارگیری طرح اختلاط معمولی برای بتن های سبک با آن روبرو هستیم. اما آب بندی سنگدانه‌های سبک با قیر اندود کردن امکان پذیر است. پوشاندن سنگدانه با مصالح قیری ممکن است پیوند چسبندگی بین سنگدانه و خمیر سیمان را کاهش دهد. پوشش سنگدانه با ترکیبات سیلیکونی به ویژگی‌های چسبندگی سنگدانه آسیب نمی‌رساند و آنرا غیر قابل جذب میکند.

بتن سبک که نسبتاً متخلخل است در صورت استفاده به عنوان بتن مسلح ممکن است آرماتورها را در معرض خوردگی فلزی بیشتری قرار دهد. آرماتورها باید با استفاده از ترکیبات ضد خوردگی به عنوان افزودنی در طرح اختلاط پوشانده شوند یا باید سطح بتن با ترکیباتی اندود شود تا از نفوذ هوا و آب به داخل آن جلوگیری بعمل آید. به عبارتی باید مقاوم سازی شود. بعضی از سنگدانه‌ها مانند سیندر Cinder (پوکه صنعتی) که سولفور بیشتری دارند منجر به خوردگی آرماتورها می‌شوند. در چنین مواردی افزودنی‌های جلوگیری کننده از خوردگی بسیار با اهمیت هستند.

کاربردهای بتن سبک

عمده‌ترین و اصلی‌ترین کاربردها:

1. ساخت بلوکهای سبک سقفی
2. ساخت بلوکهای سبک دیواری
3. بتن برای کف سازی
4. بتن شیب بندی

مواد اولیه تولید بتن های سبک

در تولید این بتن‌ها از پوکه یا مواد صنعتی یا معدنی با چگالی پایین، بعنوان سنگدانه و یا پرکننده سبک استفاده میشود. از این رو به بتن با سنگدانه‌های سبک معروف است.

در کنار بتن با سنگدانه‌های سبک، تولیدات کارخانجاتی مانند سیپورکس و یا هبلکس و امثال آن نیز به شکل بلوک‌ها و پانل‌های بتن سبک، بر پایه بتن اسفنجی یا هوادار ساخته می‌شوند.

اکنون استفاده از بتن سبک در دال سقف ساختمان‌های بلند مرتبه، عرشه پلها و دیگر موارد مشابه کاربرد فراوانی یافته است. طبقه بندی بتن‌های سبک عموماً به دو شکل کلی صورت می گیرد.

1. طبقه بندی بر اساس زمینه‌های کاربرد آن
2. طبقه بندی بر اساس روش دستیابی به سبکی

جرم حجمی در بتن سبک معیار اصلی شناسائی آن است. از این رو اکثر استانداردها و آئین نامه‌ها، حد بالای جرم حجمی خشک آنها را حدود ۱۹۰۰ الی ۲۰۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب و حد پایین جرم حجمی بتن سبک را ۳۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب قید نموده اند.

تقسیم بندی بتن سبک بر اساس زمینه های کاربرد آن

راهنمای بتن سبکدانه انجمن بتن آمریکا ACI در تقسیم بندی بر اساس زمینه های کاربرد، آن را به شکل زیر دسته بندی نموده است:

بتن های سبک سازه ای

بتن سبک در آینده یکی از مهمترین مصالح ساخت و ساز خواهد شد. بتنی که سبک است و به اندازه کافی برای استفاده در کنار آرماتورهای فولادی مقاومت دارد. همچنین نسبت به بتن معمولی اقتصادی‌تر است. این بتن میتواند کاملاً از سنگدانه های سبک و یا از ترکیب سنگدانه های سبک و معمولی ساخته شود. به دلایل عملی، روش متداول این است که از ترکیب ماسه معمولی (به عنوان ریزدانه) و از سنگدانه سبک با حداکثر اندازه سنگ دانه (۱۹mm) استفاده شود.

 جرم مخصوص بتن سبک بین ۱۴۰۰ تا ۱۹۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب و حداقل مقاومت فشاری تعریف شده آن معادل ۱۷ نیوتن بر میلیمتر مربع است. در بعضی حالات امکان افزایش مقاومت تا ۶۰ نیوتن بر میلیمتر مربع نیز وجود دارد. در مناطق زلزله خیز آئین نامه‌ها، حداقل مقاومت فشاری بتن سبک را به ۲۸ نیوتن بر میلیمتر مربع، محدود می‌کنند.

عموما از سنگدانه‌هایی استفاده می‌شود که حصول مقاومتی بیش از ۱۷ نیوتن بر میلی متر مربع و جرم مخصوصی کمتر از ۱۹۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب را امکان پذیر سازند.

سنگدانه هایی که برای ساخت این نوع بتن ها مورد استفاده قرار می گیرد

سنگدانه هایی که (طبق استاندارد 330 ASTM – C) برای ساخت بتن‌های سبک سازه ای مورد استفاده هستند، عبارتند از:

1. شیل، رس و اسلیت منبسط شده در فرایند کوره دوار
2. سرباره های منبسط شده
3. پوکه های معدنی
4. پوکه های صنعتی
5. خاکستر بادی تفته

تأمین مقاومت فشاری معادل ۲۷ نیوتن بر میلیمتر مربع و بیشتر با بعضی از این سنگدانه‌ها امکان پذیر است. شرایط سایر سنگدانه‌ها نیز بگونه‌ای است که مقاومت فشاری مقرر شده برای آن معتدل ۱۷ نیوتن بر میلی متر مربع خواهد بود. مقاومت آنها، تابعی از جرم مخصوص آنها است. باید توجه داشت که جرم مخصوص بتن، متأثر از جرم مخصوص سنگدانه مصرفی است. بگونه‌ای که استفاده از مصالح سبک‌تر، موجب کاهش وزن مخصوص بتن خواهد شد. ولی استفاده از مصالح سنگین تر، لزوماً موجب افزایش مقاومت بتن ساخته شده، نخواهد شد.

بیشترین مقاومت برای بتن با استفاده از شیل، رس و اسلیت منبسط شده در فرایند کوره دوار بدست می‌آید. در ساخت و تولید این سنگدانه‌های مخصوص، مصالح خام مورد استفاده، باید خاصیت انبساط و شیشه‌ای شدن (اصطلاحاً همجوش شدن) در اثر حرارت ذوب را داشته باشند.

کارایی

باید توجه ویژه‌ای به جنبه کارایی بتن سازه‌ای سبک مبذول گردد. در صورت اسلامپ زیاد و انجام ویبره بیش از حد، ملات پایین رفته و سنگدانه‌ها تمایل به شناور شدن پیدا میکنند. این پدیده برعکس چیزی است که در بتن معمولی رخ میدهد. برای جلوگیری از این مشکل معمولاً حداکثر اسلامپ را به ۱۰۰mm محدود میکنند.

در بتن سبک حرکت رطوبت بیشتر از بتن با وزن معمولی است. بتن هنگام مرطوب شدن، آب بیشتری را جذب میکند و هنگام خشک شدن بیشتر منقبض میشود. مقدار بزرگتر انقباض ناشی از خشک شدگی به همراه مقاومت کششی کمتر، باعث میشود که بتن با سنگدانه سبک دچار ترک‌های انقباضی بیشتری گردد. اما از طرف دیگر خاصیت اتساع بیشتر و مدول الاستیسیته پایین‌تر، به کاهش ترک‌های کششی کمک می‌کند.
از آنجا که بتن سبک درصد هوای زیادی دارد، بطور طبیعی مصالح بهتری برای جذب صدا و عایق گرمایی خواهد بود. ضریب انبساط گرمایی آن، بطور کلی بسیار پایین تر از بتن معمولی است. بتن با سنگدانه سبک، ویژگی ضد حریق بیشتری نسبت به بتن معمولی از خود نشان میدهد. بویژه بتن سبک ساخته شده از روباره یا سنگ پا و یا پاره آجر (به عنوان سنگدانه) خاصیت ضد حریق خوبی دارد.

فرایند اختلاط بتن سبک سازه ای

فرایند اختلاط برای بتن‌های سبک با سنگدانه های مختلف ممکن است متفاوت باشد. روش کلی برای بتن سازه ای سبک این است که سنگدانه‌ها را با حدود ۲/۳ آب اختلاط به مدت حدوداً یک دقیقه قبل از افزودن سیمان و آب اختلاط مخلوط می‌شود. مخلوط کردن تا رسیدن به همگنی مورد لزوم ادامه مییابد. معمولاً ۲ دقیقه و یا بیشتر از آن برای دستیابی به مخلوطی همگن مورد نیاز است.

بتن های سبک نیمه سازه ای

این نوع بتن از لحاظ وزن مخصوص و مقاومت فشاری در محدوده متوسطی قرار دارد. مقاومت فشاری آنها بین ۷ الی ۱۷ نیوتن بر میلیمتر مربع و جرم مخصوص آنها ۸۰۰ الی ۱۲۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.

این بتن‌ها با سنگدانه‌های تولید شده از روش‌های آهکی شدن، محصولات منبسط شده ای نظیر سرباره های منبسط شده، خاکستر بادی، شیل و اسلیت یا سنگدانه های تولیدی از مصالح طبیعی، مانند پوکه سنگ آذرین، سنگ های آذرین متخلخل یا توف، ساخته می‌شوند.

با اصلاح ترکیبات تشکیل دهنده بتن‌های سبک، میتوان بتن‌های نیمه سازه‌ای را با سنگدانه‌هایی نظیر پرلیت و همچنین، الیاف پلی استایرن و کف‌های اسفنجی انجام داد. کاربرد مواد افزودنی نظیر تسریع کننده ها و روان کننده ها (مواد کاهش دهنده آب)، میتواند در تغییر مقاومت بتن‌های ساخته شده با مصالح مذکور مؤثر باشد.

بتن سبک غیر سازه ای

این بتن‌ها به عنوان پرکننده و عایق بندی حرارتی و جداکننده‌های سبک، تیغه‌های جداساز و عایق های صوتی در کف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دارای جرم مخصوصی کمتر از ۸۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب بوده و با وجود جرم مخصوص کم، مقاومت فشاری آن میتواند تا ۷ نیوتن بر میلیمتر مربع باشد. مزیت عمده این نوع بتن عبارتست از کاهش هزینه لازم برای تهویه فضاها (گرمائی یا سرمائی) و کاهش انتقال صوت بین طبقات و فضاهای ساختمان.

بتن‌های سبک غیر سازه‌ای براساس ترکیب اجزای خود، می‌توانند به دو گروه جداگانه تقسیم بندی شوند:

1. بتن های اسفنجی
2. بتن با سنگدانه های سبک

بتن های اسفنجی

بتن اسفنجی با افزودن هوا و یا گاز به دوغاب ساخته شده از سیمان پرتلند و یا آهک و فیلرهای سیلیکونی ریز خرد شده به عمل آمده، که وقتی مخلوط سخت میشود یک ساختار یکنواخت سلولی بوجود می آید. این ماده با اینکه بتن اسفنجی نام دارد ولی در واقع بتن نبوده، مخلوطی از آب، سیمان و مواد ریز خرد شده میباشد. بتن اسفنجی همچنین به بتن گازی و بتن سلولی نیز مشهور است.

تولید بتن اسفنجی

راه های زیادی برای تولید بتن اسفنجی مانند سیپورکس ها وجود دارد:

• با تولید گاز توسط واکنش های شیمیایی در حجم بتن هنگام وضعیت مایع یا پلاستیک
• با استفاده از فلزات پودری مانند پودر آلومینیوم با دوغاب سیمان که برای واکنش با هیدروکسید کلسیم حین فرایند هیدراسیون ساخته شده و مقدار زیادی گاز هیدروژن تولید می کند. این گاز هیدروژن وقتی در مخلوط دوغاب سیمان باشد، سازه ای سلولی شکل می سازد.

فلز روی بصورت پودر ممکن است به جای آلومینیوم پودری استفاده شود. هیدروژن پراکسید هم به جای پودر فلزی استفاده می شود. گرچه این روش در حال حاضر بطور گسترده استفاده نمی گردد. در روش دوم فوم پایدار دوغاب سیمان و ماسه خرد شده مخلوط می شوند و بدین ترتیب پس از گیرش و سخت شدن ساختاری سلولی را ایجاد میکنند. برخی از عوامل تولید کف به منظور دستیابی به بتن اسفنجی نیز در مخلوط استفاده می شوند.

برای ساخت بتن اسفنجی روش تولید گاز با پودر آلومینیوم یکی از روشهایی است که بطور گسترده در مقیاس بزرگ در کارخانه ها مورد استفاده قرار میگیرد. بطوریکه در آنجا تمام فرایند مکانیزه است و محصول در معرض عمل آوری با بخار پرفشار دراتوکلاو تولید میشود و به بتن هوادار اتو کلاو شده A . A . C مشهور است. روش استفاده از فوم عمل آوری شده با دوغاب سیمان محدود به تولیدات در مقیاس کوچک است. اما مزیت آن این است که هر وزن مخصوصی که در کارگاه مورد نیاز باشد، قابل ساخت است.

ویژگی های بتن اسفنجی

استفاده از بتن اسفنجی نه تنها به خاطر وزن مخصوص پایین آن، بلکه به دلیل ویژگیهای دیگر آن خصوصاً عایق بودن گرمایی در ساختمان های نوین استفاده میشود. بتن اسفنجی با محدوده وزن مخصوص بین ۳۰۰ تا ۸۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب به منظور کاربردهای عایقی استفاده می‌شوند. در حالیکه رده‌های متوسط وزن مخصوص، برای تولید بلوک‌های ساختمانی و یا دیوارهای باربر و رده های وزن مخصوص بالاتر برای استفاده در تولید عضوهای پیش ساخته، سازه‌ای در ترکیب با آرماتورها کاربرد دارند.

بتن با سنگدانه های سبک

بتن‌های دانه سبک با استفاده از پرلیت یا ورمیکولیت منبسط شده و یا الیاف‌های منبسط شده پلی استر، ساخته می‌شوند. جرم مخصوص خشک این مخلوط بین ۲۴۰ تا ۹۶۰ کیلوگرم بر مترمکعب می‌باشد.

با اضافه کردن ریزدانه‌های با وزن معمولی به مخلوط بتن سبک، خواص خزشی آن بهبود می‌یابد. استفاده از ماسه با وزن معمولی، موجب افزایش وزن بتن و مقاومت آن خواهد شد. لیکن به منظور حصول خواص مناسب عایق بندی حرارتی و ضریب انتقال حرارت پایین، حداکثر جرم مخصوص به ۸۰۰ کیلوگرم در متر مکعب محدود می‌گردد.

هنگام ساخت و استفاده از بتن سبک غیرسازه‌ای، معمولاً علاقمند هستیم با کاهش وزن، خصوصیات حرارتی را افزایش دهیم. ولی باید توجه داشت، که با کاهش هر چه بیشتر وزن مخصوص بتن، مقاومت آن نیز کاهش می‌یابد. بهینه سازی پارامترهای فوق الذکر هنگامی که الزامات مقاومتی ویژه‌ای وجود دارد، در ساخت بتن سبک غیر سازه ای مهم و ضروری است.