چرا در بتن از آهن و فولاد استفاده می‌شود؟

استفاده آهن در بتن، فایده دوطرفه برای هر دوی این متریال دارد. در واقع، این دو محصول نقش مکمل را برای یکدیگر بازی کرده و نتیجه ترکیب این دو، محصولی بسیار پرکاربرد و پرقابلیت است. از یک طرف مقاومت کششی بتن با وجود آهن افزایش می‌یابد.

از طرف دیگر، آهن با وجود بتن نفوذناپذیری که دورش را پر کرده است، در مقابل عوامل ایجاد خوردگی مقاوم خواهد شد. البته جزئیات مهم و جالب بیشتری درباره دلیل استفاده از آهن در بتن وجود دارد که در ادامه این مقاله مهدفولاد بیان خواهیم کرد.

چرا آهن و بتن با یکدیگر سازگاری دارند؟

شاید اولین باری که از آهن در بافت بتن استفاده شد، این هماهنگی به‌صورت اتفاقی پیش آمد. با این وجود با شناخت مزایایی که این دو متریال در کنار یکدیگر دارند، روزبه‌روز استفاده از ترکیب این دو گسترش پیدا کرد. آهن و بتن به دلایل زیر با یکدیگر سازگاری دارند:

• ضریب انبساط حرارتی میلگرد فولادی برابر با 0/0000012 و ضریب انبساط حرارتی بتن برابر با 0/00001 در ازای هر درجه سانتی‌گراد است. بنابراین می‌توان گفت آهن و بتن یک وجه مشترک بسیار مهم با یکدیگر دارند و آن، یکسان‌بودن ضریب انبساط حرارتی آن‌ها است.
• بتن معمولی ماده‌ای است متشکل از سنگ‌دانه و ملات، که البته این سنگ‌دانه خود از ترکیب ماسه و شن تهیه می‌شود. ملات هم در ترکیبات خود دارای آب و سیمان است. با اینکه این ترکیب مقاومت فشاری قابل قبولی دارد، اما مقاومت کششی بتن بسیار کم است. در واقع، یک نقطه ضعف بزرگ بتن، آسیب‌پذیری آن در برابر نیروهای کششی است. این آسیب‌پذیری به ترک‌خوردن و شکستگی بتن در اثر اعمال نیروهای کششی منجر می‌شود؛ اینجاست که نقش آهن مشخص می‌شود.
• میلگرد یک میله فولاد کربنی است. آهن به‌عنوان ماده‌ای که در برابر نیروهای کششی مقاوم است، بتن را تقویت می‌کند؛ یعنی نقطه ضعف بتن از طریق وجود آهن برطرف می‌شود. از طرفی آهن خود یک نقطه ضعف دارد و آن احتمال ایجاد خوردگی در شرایط آب‌و‌هوایی مختلف است. در نتیجه بتنی که دورتادور آهن را می‌پوشاند، از احتمال بروز خوردگی و زنگ‌زدگی آهن به‌شدت می‌کاهد.
• بتن و فولاد از چسبندگی خوبی برخوردار هستند که می‌‌توانند در زمان اعمال فشار بار، به‌صورت مشترک عمل کنند؛ این یعنی هر دوی این متریال در کنار هم یک بافت منسجم و یکنواخت را تشکیل داده که به‌صورت یک واحد عمل می‌کنند.

اولین بار چه موقع از آهن در بتن استفاده شد؟

اولین بار در سال 1848 میلادی بود که از آهن در بتن استفاده شد. در این زمان شخصی به‌نام لمبوت (Lambot) یک قایق پارویی ساخت که با قایق‌های پارویی آن زمان یک تفاوت مهم داشت.

این قایق پارویی با استفاده از شبکه‌های مربع و مستطیل‌شکل آهنی مسلح شده بود و این اولین باری بود که مزیت استفاده آهن در بتن شناخته شد. از آن پس، روزبه‌روز قابلیت‌های این ترکیب بیشتر شناخته شد و به کارایی این دو در کنار یکدیگر افزوده شد.

وجود میلگرد در بتن چه مزایایی دارد؟

استفاده از آهن به شکل میلگرد در بتن مزایای زیادی دارد که مهم‌ترین آن عبارتند از:

• هنگامی‌که میلگرد فولادی در بافت بتن معمولی به‌کار گرفته می‌شود، دو ویژگی مهم در محصول نهایی وجود خواهد شد. در واقع، محصول نهایی یا همان بتن آرمه، مجهز به مقاومت کششی فولاد و مقاومت فشاری بتن است. بتن آرمه یا همان بتن مسلح استحکام قابل توجهی داشته و برای به‌کارگیری در هر نوع سازه‌ای مناسب است.
• همه نیروهای کششی در یک عضو بتن مسلح توسط فولاد تحمل می‌شود که این یک مزیت مهم در ساختمان‌سازی به حساب می‌آید.
• قابلیت انعطاف‌پذیری میلگرد فولادی بسیار بالا است. این ویژگی که باعث می‌شود میلگرد فولادی همراه با بتن فرم‌ریزی شود، یک مزیت مهم در ساختمان‌سازی به حساب می‌آید. مقاومت بتن با آهن در برابر تغییرشکل افزایش می‌یابد.
• تغییرات حجمی بتن و فولاد در اثر تغییر درجه حرارت به یک اندازه هستند. بنابراین از آنجایی‌که بتن مقاومت بالایی در برابر فشار دارد، می‌توان از آن برای عضوهای تحت فشار مانند ستون استفاده کرد.
• بالارفتن مقاومت سازه در برابر شرایط آب‌وهوایی نامساعد، رطوبت و همچنین آتش‌سوزی، از جمله مزایای استفاده آهن در بتن است.
• بهبود مقاومت کششی، برشی، پیچشی و خمشی در مقاطع، از دیگر مزایای استفاده از این دو در کنار یکدیگر است.
• یکی از قابلیت‌های مهم بتن مسلح، امکان ساخت پوسته‌های مقاوم نازک است.
• افزایش دوام و ماندگاری بتن و در نتیجه بالا رفتن عمر مفید سازه، هدف نهایی استفاده از این دو در کنار یکدیگر است.

معیارهای انتخاب میلگرد مناسب بتن کدامند؟

از آنجایی‌که میلگرد به‌عنوان تقویتی برای بتن و همچنین کل سازه عمل می‌کند، لازم است از مواردی که مقاومت بالایی دارند، در این کار استفاده شود. البته علاوه‌بر این موضوع، معیارهای دیگری نیز برای انتخاب بهترین میلگرد برای استفاده در بتن وجود دارد؛ نوع کاربری ساختمان، شرایط اقلیمی و تغییرات جوی منطقه، نوع طراحی، میزان بودجه اقتصادی و متریال و سازه‌های به‌کار رفته در ساختمان، از جمله این معیارها است.

با این وجود، به‌طور معمول از میلگردهای استیل سری 200، 300 یا 400 و میلگرد کربن‌استیل برای به‌کارگیری در بتن و احداث سازه‌های مختلف استفاده می‌شود. این نوع میلگردها فشار واردشده به ساختمان که از حوادث طبیعی مانند زلزله ناشی می‌شود را به زمین انتقال داده و از واردشدن خسارت به اسکلت ساختمان پیشگیری می‌کنند.

همچنین میلگردهایی که در بتن به‌کار گرفته می‌شوند، باید عاری از هرگونه زنگ‌زدگی، آلودگی، مواد زائد، قیر، جرم، مواد کندگیرکننده، دوغاب سیمان سخت‌شده، گرد و خاک و… باشند. برخورداری از کرنش کششی بالا، پیوستگی مناسب بتن، سازگاری با درجه حرارت‌های بالا و ماندگاری طولانی در بتن از جمله قابلیت‌های مهم میلگردی است که باید در بتن به‌کار رود.

کدام انواع میلگرد در بتن به کار می‌روند؟

رایج‌ترین انواع میلگرد که در بتن به‌کار گرفته می‌شود عبارتند از:

میلگرد A1

برای استفاده از این نوع میگرد، نمونه نرم و بدون آج آن به‌کار گرفته می‌شود. این محصول نوعی میلگرد اکتیل و نرم محسوب می‌شود که برای آهنگری و تغییر شکل در انجام عملیات جوشکاری بسیار مناسب است.

تنش گسیختگی این محصول برابر با 3671 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، تنش جاری این میلگرد 2450 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع و همچنین میزان تغییر شکل نسبی پلاستیک برای گسیختگی در این محصول برابر با ۲۵ درصد است.

میلگرد A2

استفاده از این محصول نوع نیمه‌سخت، نیمه‌خشک و به‌صورت آجدار و فنری با آج ساده، در میان میلگردها بسیار رایج است. معمولا برای خاموت‌زنی و عملیات ساختمانی از این محصول استفاده می‌کنند. میلگرد A2 دارای تنش گسیختگی 5100 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، تنش جاری 3467 کیلوگرم در سانتی‌متر مربع و میزان تغییر شکل نسبی پلاستیک در زمان گسیختگی ۱۸ درصد است.

میلگرد A3

این محصول نوع سخت و خشک با آج پیچیده و جناقی شکل است. برای عملیات ساختمانی و صنعتی از این محصول استفاده می‌کنند. با این وجود برای عملیاتی که با تغییر شکل زیاد و زوایای تند همراه است و همچنین برای جوشکاری، از این محصول استفاده نمی‌شود.

تنش گسیختگی این میلگرد برابر با ۶۰۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، تنش جاری آن برابر با ۴۰۰۰ کیلوگرم در سانتی‌متر مربع و میزان تغییر شکل نسبی پلاستیک در زمان گسیختگی در آن برابر با ۱۴ درصد است.

میلگرد A

این محصول از نوع سخت با آج‌های پیچیده ۵۰۰ و ۵۲۰ یا همان آجدار مرکب است. از این محصول با هدف تقویت مقاومت کششی بتن و مقاومت برشی خاموت، جاگذاری دو شبکه متوالی افقی‌شکل با رعایت فاصله معین، حفظ آرماتورهای عمودی در زمان بتن‌ریزی دیواره‌ها و در واقع هر نوع سازه‌ای به‌غیر از دیوارهای برشی و قاب‌های خمشی خاص استفاده می‌شود.

مقاومت کششی این نوع میلگرد برابر با ۵۲۰ مگاپاسکال و میزان تغییر شکل نسبی پلاستیک در زمان گسیختگی در آن حدود ۱۸ درصد است.

نحوه به کارگیری آهن در بتن چگونه است؟

آهن در بتن معمولا به شکل میلگرد و آرماتور به‌کار گرفته می‌شود. به این ترتیب اصول به‌کارگیری آهن در بتن به شرح زیر است:

• میلگردها یا آرماتورها را باید قبل از ریختن در بتن به شکل شبکه چید. در واقع لازم است قبل از اینکه آرماتورها به یکدیگر جوش داده شوند، به‌هم اتصال داده شده یا گره بخورند.
• بتنی که به‌وسیله میلگرد مسلح شده را باید در اعضای سازه‌ها مانند تیرها و ستون‌ها، دیوارها، دال‌های بتنی و پی‌ها به‌کار برد.
• میلگرد در بتن گاهی به‌صورت خاموت به‌کار می‌رود. خاموت در بتن برای جلوگیری از بیرون‌زدگی آرماتورهای طولی تحت فشار و همچنین تعامل نیروهای برشی به‌کار می‌رود. این کاربرد آهن در بتن مانع گسترش ترک‌ها می‌شود.
• میلگرد گاهی به شکل سنجاقی در بتن به‌کار گرفته می‌شود. میلگرد سنجاقی در بتن، مقاومت برشی در خاموت‌ها را افزایش داده و بین میلگردهای طولی و خاموت‌ها اتصال بهتری ایجاد می‌کند.
• یک شکل استفاده از آهن در بتن، رکابی است. این محصول با هدف نگه‌داشتن میلگردهای طولی دال‌ها در یک امتداد، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• میلگرد به شکل ادکا نیز در بتن به‌کار می‌رود. ممان یا لنگرهای منفی در تکیه‌گاه تیرها و نیروهای برشی را تحمل می‌کند.
• یک روش استفاده از میلگرد، در خرک است. خرک با قراردادن دو شبکه متوالی افقی از میلگردها با فاصله‌های مشخص از یکدیگر در بتن تهیه می‌شود.
• یک کاربرد مهم میلگرد در بتن به‌صورت راستا است. این کاربرد باعث افزایش مقاومت کششی بتن می‌شود.

هزینه استفاده آهن در بتن چگونه محاسبه می‌شود؟

اهمیت میلگرد در ساختمان‌سازی به‌دلیل استفاده از آن در بافت بتن، بسیار زیاد است. در واقع، قیمت میلگرد در محاسبه هزینه اجرای پروژه‌های ساختمانی، نقش مهمی دارد. بنابراین لازم است که هزینه‌های نام‌برده با دقت بررسی و محاسبه شود. هزینه استفاده از آهن در بتن بر اساس معیارهای زیر محاسبه می‌شود:

• قیمت میلگرد
• نوع میلگرد
• مقدار مورد استفاده میلگرد در بتن
• کاربری ساختمان و سازه
• طرح و نقشه سازه

آیا آرماتور در بتن همان میلگرد است؟

شاید در بازار فولاد برخی از افراد میلگرد را با آرماتور اشتباه بگیرند؛ اما در اصل هرکدام از آن‌ها باهم تفاوت‌هایی دارند. به سازه و اسکلتی که از تغییرشکل‌دادن میلگردها حاصل می‌‌شود، آرماتور می‌‌گویند. در واقع، برای به‌کارگیری میلگردها در بتن، لازم است که آن‌ها را خم کرده و به اشکال مختلف درآورند.

آیا استفاده از آهن در بتن در احداث هر سازه‌ای لازم است؟

اگر بتن با استفاده از میلگرد تقویت نشود، بتن تحت تاثیر نیروهای وارده دچار ترک و  شکستگی خواهد شد. بنابراین با وجود میلگردهای فولادی در بتن مسلح، بار و فشار واردشده به ساختمان بین میلگرد و بتن تقسیم شده و احتمال آسیب به کمترین میزان ممکن می‌رسد؛ یعنی مقاومت بتن با آهن به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.

بنابراین به جرأت می‌توان گفت که استفاده از آهن در بتن و البته در هر سازه‌ای که در بخشی از آن بتن به‌کار می‌رود، ضروری است. از طرفی پی هر ساختمانی را با استفاده از بتن آرمه پی‌ریزی می‌کنند. بنابراین این ترکیب فوق‌العاده تقریبا در هر سازه‌ای کاربرد دارد و مهم نیست که کاربری سازه موردنظر به‌صورت یک ساختمان مسکونی ساده باشد یا یک مجتمع تجاری و صنعتی عظیم!

جمع‌بندی

در پاسخ به سوال چرا در بتن از آهن و فولاد استفاده می‌شود، باید گفت که این دو ماده با یکدیگر سازگارند، چسبندگی قابل قبولی به یکدیگر دارند و یکدیگر را تکمیل می‌کنند. در واقع، آهن نقطه‌ضعف بتن را که آسیب‌پذیری در مقابل نیروی کششی دارد، به‌راحتی برطرف می‌کند.

از طرفی احتمال خوردگی آهن به‌وسیله پوشش بتن کاهش می‌یابد. ترکیب این دو ماده بتن‌آرمه را تشکیل می‌دهد که در پی‌ریزی و ستون سازه‌ها به‌کار گرفته می‌شود. این ترکیب مقاومت سازه در برابر شرایط بد آب‌وهوایی، رطوبت و آتش‌سوزی را افزایش داده و عمر مفید سازه را افزایش می‌دهد.