بتن از سه جز اساسی آب، سنگدانه (ماسه و شن) و سیمان پرتلند تشکیل شده است. سیمان و بتن با یکدیگر تفاوت دارند. در واقع سیمان یکی از مواد تشکیل دهنده ی بتن محصوب می شود.

بتن به خاطر مقاومت کششی پایین، مشکلات خوردگی و توسعه ترک های ریز در مراحل مختلف تولید بر پیکره آن مورد انتقاد هایی نیز می باشد. با این حال برای بهبود عملکرد بتن باید کاربرد هریک از مواد تشکیل دهنده آن مشخص شود که در این میان سیمان نقش بسزایی را در مقاومت فشاری و کششی بتن بازی میکند. محصول فرآیند هیدراسیون سیمان، عمدتاً ترکیبی چون C-S-H است که تعیین کننده خواص مکانیکی سیمان در مقیاس های ریز میباشد. روش های بیشماری برای اصلاح عملکرد این ترکیبات پیشنهاد شده که افزودن نانو مواد از راه هایی است که بسیار مورد توجه قرار گرفته است. محصول فرآیند هیدراسیون سیمان ساختاری کریستالی داشته و از کریستال های توبرمیت و جنیت تشکیل شده است. نسبت کلسیم به سیلیسیوم این خمیر که از میزان 0.7 تا 2.3 متغیر می باشد، توجیحی است برآن که چرا تحقیقات صورت گرفته تاکنون نتوانسته نانوساختار خمیر سیمان و نحوه تأثیر گذاری افزودنی هارا بر این خمیر به درستی توضیح دهد.

انواع بتن

  بتن ها در طی زمان باتوجه به نقاط ضعفشان اصلاح یافته اند که امروزه به دسته بندی زیر تبدیل گشته اند و امکان انتخاب انواع بتن باتوجه به کاربری آن وجود خواهد داشت.

• بتن الیافی: در بتن الیافی از الیاف پلیمری و یا الیاف فلزی استفاده می شود. این الیاف به بتن اضافه می شود تا مقاومت بالاتری در برابر افت ها و ترک های طول بهره وری داشته باشد. این الیاف قابل استفاده در بتن هایی هستند که ضخامت اندک دارند. افزودن الیاف به بتن، کارایی بتن را کاهش داده و باید حین عملیات پرداخت، از کارگران ماهر استفاده شود. بیشترین کاربرد این نوع بتن را می توان در دال ها یافت.
• بتن مسلح با الیاف شیشه: الیاف شیشه به عنوان تقویت کننده­ی مورد استفاده در بتن شناخته می ­شود. کاربرد این الیاف از سال 1950 در شوروی و انگلستان به‌طور همزمان آغاز شد، به دلیل مقاومت کششی بالا، وزن مخصوص کم، جذب آب پایین، مدول الاستیسیته و وزن بالا، این الیاف از پتانسیل بالایی برای استفاده در بتن برخوردار است.
• بتن با کارایی پائین: این نوع بتن نسبت آب به سیمان کمتر از 0.4، و اسلامپ کمتر از 50 میلیمتر دارند. این بتن از نفوذ یون کلرید جلوگیری میکند، ولی نیاز است که به بیشترین تراکم برسد تا این عمل را برآورده سازد. به خاطر نسبت آب به سیمان پائین در این نوع از بتن، مراقبت 7 روزه الزامی می باشد.

• بتن یا ملات منیزیم فسفات(MPC): این بتن با سیمانی متفاوت از سیمان پرتلند کار می کند. این سیمان به سرعت به مقاومت مورد نیاز می رسد و گرمای زیادی تولید می کند. از ویژگی این سیمان می توان به گیرش اولیه 20 دقیقه ایی، و رسیدن به مقاومت 14 مگاپاسکال در زمانی حدود 2 ساعت اشاره کرد. زمانی که این نوع سیمان با سنگدانه مخلوط میگردد، مقاومتی شبیه به بتن های رایج در برابر سایش دارد. ملات منیزیم فسفات در مدت زمان 48 ساعت، به مقاومت 40 مگاپاسکال میرسد و پس از آن تفاوت چندانی در مقاومت آن ایجاد نمی شود. همچنین پیوند خوبی با سیمان برقرار می کند و نفوذ پذیری پائینی دارد ولی تنها باید با سنگدانه های غیر آهکی نظیر سیلیکا، بازالت، گرانیت و سایر سنگدانه های سخت اختلاط یابد. درصورتی که این نوع از بتن بر روی سطح آغشته به کربنات اجرا گردد، با تولید گاز کربن دی اکسید، از قدرت پیوند با سنگدانه ها و سطح بتن زیرین میکاهد و با توجه به گیرش سریع آن، در برابر ضربه شکننده است. به خاطر تولید گرمای زیاد، MPC ها باید در دمای کمتر از 27 درجه سانتیگراد، زمانی که زیر تابش مستقیم آفتاب قرار دارد اجرا گردد؛ به همین خاطر برای شرایط محیطی سرد کاراتر است. از موارد استفاده آن می توان به بزرگراه ها، عرشه پل ها، فرودگاه ها و مناطق صنعتی اشاره کرد.
• بتن با سنگدانه پیش آکنده: از قابلیت های این نوع از بتن، عدم جداشدگی درحین بتن ریزی زیر آب و پر شدن تمامی حفره ها با ملات اشاره کرد. این روش برای بتن ریزی زیر آب و پروژه های تعمیراتی بزرگ که عملیات ترمیم در شرایط محیطی مرطوب واقع شده، مناسب است. باتوجه به این که حباب های هوا در حین اجرای این ملات در بتن ایجاد می شود، استفاده از فوم سیلیکا می تواند این محدودیت را برطرف کند. از موارد استفاده آن می توان به ترمیم مخازن، سدها، تیر، ستون و فنداسیون اشاره کرد.

• بتن زود گیر: برای این نوع بتن عمدتاً از سیمان تیپ 3 استفاده می شود که در مدت زمان 3 ساعت، به مقاومت اولیه 17 مگاپاسکال می رسد. این ویژگی باعث کاربردی بودن این نوع از بتن برای تعمیرات مربوط به پل ها، باند های پرواز و بزرگراه ها می شود و همچنین مدت زمان اجرا و هزینه نگهداری و کنترل ترافیک را کاهش داده و منجربه ارتقای امنیت میگردد. باید توجه داشت که بتن با سیمان تیپ سه برای مناطق گرم و خشک و مناطق با حجم بتن ریزی زیاد مناسب نبوده، زیرا افت آن به شدت افزایش می یابد. ضمناً برخی از سیمان ها با این ویژگی، دارای ترکیبات قلیایی هستند و به همین خاطر نباید در معرض سولفات قرار بگیرند.
• شاتکریت: شاتکریت برای مقاطع با عمق کمتر از 15 سانتیمتر و سطوح گسترده مناسب است. البته باید در نظر داشت که عملکرد شاتکریت بسیار به سطح مهارت کارگران وابسته است.
• بتن با فوم سیلیکا: فوم سیلیکا یک پوزولان کارآمد است که محصول جانبی تولیدات سیلیس و یا فروسیلیس است. افزودن فوق روان کننده ها و سیلیکا فوم به بتن، مقاومت فشاری را افزایش، نفوذپذیری را کاهش و دوام را افزایش میدهد .(ACI 234R)سیلیکا فوم عمدتاً در درصدی حدود 5 تا 15 درصد وزنی سیمان به بتن افزوده میشود و مقاومت فشاری بتن را به 85 تا 105 مگاپاسکال می رساند.  در ابتدا این افزودنی به عنوان عاملی برای مقاومت در برابر حملات شیمیایی به حساب می آمد ولیکن امروزه به عنوان عاملی برای ارتقاء مشخصات مکانیکی و اصلاح خواص سیمان برای گستره عظیمی از کاربرد ها مورد استفاده قرار گرفته است. این افزودنی ترک های انقباض پلاستیک در بتن را افزایش داده و هزینه قابل توجهی را متحمل ساخت بتن میکند امّا این مواد برای ترمیم نواحی خورده شده و سائیده شده سازه های هیدرولیکی بسیار مناسب است و از نفوذ یون کلر به درون بتن جلوگیری میکند. ماله کشی بتن با فوم سیلیکا، به این خاطر که آب سطحی تولید نمیکند، دشوار بوده و همچنین باید از این بتن به مدت حداقل 7 روز در دمای بیش از 4 درجه مراقبت کرد. استاندارد ASTM C 1240 به طور گسترده به مشخصات سیلیکا فوم می پردازد. باتوجه به مشخصات یکسان میکروسیلیس با فوم سیلیکا، درصورت عدم دسترسی به فوم سیلیکا میتوان از میکروسیلیس استفاده نمود که استفاده از آن چه به صورت ژل و چه به صورت پودر امکان پذیر است.

• ملات یا بتن با پلیمر-سیمان(PCC): افزودن پلیمرهای قابل اختلاط در آب انعطاف پذیری و مقاومت در برابر ضربه را افزایش میدهد و از نفوذ آب و نمک های محلول جلوگیری به عمل می آورد و سبب ارتقاء مقاومت در برابر یخ زدگی میشود. درPCC ها، بیشترین کارایی را پلیمرهایی دارند که به وسیله امولیسیون-پلیمریزاسیون تولید میشوند. برای بتن، استایرین بوتادین و لاتکس اکریلیک بیشترین کاربرد را داشته و لاتکس های شامل پلیمریزاسیون ونیل استات نیز مورد استفاده می باشند. زمانیکه اپوکسی ها در آب معلق شده و با بتن مخلوط می شوند، مقاومت بسیارخوبی در برابر یخ زدگی ایجاد میکنند و به میزان قابل توجهی نفوذپذیری را کاهش و مقاومت شیمیایی را افزایش داده و با توجه به پیوند مناسبشان با بتن، مقاومت خمشی، فشاری و کششی را نیز ارتقاء میدهند(البته نسبت به بتن معمولی از مدول الاستیسیته کمتری برخوردارند.).   افزودن 10 تا 25 درصد وزن سیمان، پلیمر به بتن، خواص بتن را ارتقاء میدهد. همچنین برای امر تعمیرات بتن، نسبت آب به سیمان-پلیمر برای بتن های اصلاح شده با لاتکس باید برابر 0.3 تا 0.4، و برای بتن های اصلاح شده با اپوکسی باید این نسبت چیزی در حدود 0.25 تا 0.35 باشد. زمانی که از لاتکس استفاده میشود باید میزان آب موجود در لاتکس نیز در محاسبه آب بتن در نظر گرفته شود.  نسبت وزنی آب به سیمان-پلیمر در ملات و پوشش ها باید در محدوده 0.25 تا 0.6 باشد و نسبت بالاتر برای مواقعی مورد استفاده است که سنگدانه های ریز برای تخلخل های زیاد داشته باشیم و یا میزان تبخیر آب در منطقه موردنظر بالا باشد.  PCC عملکرد مناسبی را در طی سالیان دراز از خود نشان میدهد و کمترین افت قدرت اتصال را در طی این مدت دارند. بتن تقویت شده با لاتکس(LMC) در امر تعمیرات عرشه پل به طور گسترده مورد استفاده قرارگرفته و تا سالیان دراز به عملکرد خود ادامه میدهد. در مدت 30 دقیقه باید پرداخت و اجرای اینگونه بتن انجام شود و نیاز است تا به مدت دوروز مراقبت از بتن صورت گیرد(بیش از دوروز مراقبت از این نوع بتن توصیه نمیشود). بتن اصلاح شده با استایرن-بوتادین دوام بالایی در برابر رطوبت و محیط های مرطوب دارد ولی در برابر پرتوهای فرابنفش خورشید تغییر رنگ میدهد. درعین حال پلی وینیل استات نباید در محیط های مرطوب مورد استفاده قرار گیرد و زمانی که تغییر رنگ بتن پذیرفته نیست، باید از پلیمرهای اکرلیکی استفاده شود. همچنین امولیسیون اپوکسی ها از لاتکس ها گرانتر هستند و در برابر نور خورشید دوام زیادی ندارند.

   باید توجه داشت که PCC ها باید در دمای 7 تا 30 درجه سانتیگراد اجرا شوند و هرکدام برای خود کاربردی جداگانه دارند. به عنوان مثال اکریلیک لاتکس ها در تعمیر کف ها و استفاده همراه با سیمان سفید مناسب است. لاتکس استایرن-بوتادین برای تعمیرات کف ها، عرشه پل ها و کف پارکینگ ها استفاده می گردد.

   استفاده از بتن های پلیمری به منظور ترمیم، در لایه های سطح بتن با ضخامت 40 تا 100 میلیمتر مورد استفاده قرار میگیرد و ملات برای ضخامت های 20 تا 40 میلیمتر مناسب است. این سیستم حفاظتی باعث بهبود مقاومت عضو آسیب دیده می شود و لایه ای محافظ در برابر عوامل جوی به حساب می آید.

از رایج ترین پلیمرهای مورد استفاده در PCC می توان به موارد زیر اشاره کرد.

1. کوپلیمر استایرین بوتادین (S-B)
2. هموپلیمر اکرلیک استر (PAE)
3. کوپلیمر ونیل استات (VAC)
4. هموپلیمر ونیل استات (PVAC)

   انتخاب این پلیمرها بسته به طول مدت بهره برداری و هزینه است و درمیان موارد ذکر شده،PVAC نباید در محیط های مرطوب استفاده شود(2)(3)(4)(5).