มีสิ่งก่อสร้างในปัจจุบันเป็นจำนวนมากที่ทำขึ้นด้วยส่วนผสมของซีเมนต์ หิน ทราย และน้ำ เราเรียกส่วนผสมนี้ว่า คอนกรีต คอนกรีตเป็นวัสดุก่อสร้างที่มีปริมาณการใช้งานเพิ่มขึ้นทุกที ทั้งนี้เพราะไม้ซึ่งเป็นวัสดุก่อสร้างที่เคยใช้มาแต่เดิมหายากขึ้นราคาแพง ไม่ทนทาน รับน้ำหนักได้น้อยไม่เหมาะสำหรับการก่อสร้างอาคารหรือสิ่งก่อสร้างใหญ่ๆ และคอนกรีตสามารถหล่อเป็นรูปร่างต่างๆ ตามต้องการได้  จึงสะดวกต่องานก่อสร้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งอาคารหลายๆ ชั้น สะพาน โรงงาน ท่อระบายน้ำเขื่อนกั้นน้ำ เป็นต้น คอนกรีตจะแข็งแรงมากขึ้นถ้าใส่เหล็กไว้ภายใน เราเรียกคอนกรีตชนิดนี้ว่า "คอนกรีตเสริมเหล็ก" (reinforced concrete)

    ในสมัยโบราณเมื่อยังไม่มีการค้นพบซีเมนต์วัสดุก่อสร้างที่ใช้กับงานก่อสร้างใหญ่ๆ เป็นส่วนผสมของปูนขาว ทราย และน้ำ อาจมีวัสดุอื่นผสม เช่น น้ำอ้อย เป็นต้น เพื่อให้ปูนขาวและทรายยึดตัวกันดี ขึ้น เราเรียกส่วนผสมนี้ว่า "ปูนสอ" (mortar) ในทางปฏิบัติคนสมัยก่อนมักจะเรียกปูนสอว่า ซีเมนต์ คำว่าซีเมนต์มาจากภาษาละติน ซึ่งแปลว่า "ตัด" โดยใช้เรียกหินปูนที่ตัดเป็นชิ้นๆ เพื่อจะนำมาเผาเป็นปูนขาวแต่ซีเมนต์ในปัจจุบันหมายถึงตัวประสานวัสดุสองชนิดหรือหลายๆ ชนิดให้ติดแน่น ในกรณีของคอนกรีตหรือคอนกรีตเสริมเหล็ก ซีเมนต์เป็นตัวทำให้ทรายหิน และเหล็ก ยึดติดกันแน่นเมื่อแห้งและแข็งตัวดีแล้ว

ซีเมนต์

     ซีเมนต์ตามความหมายของการใช้งานทางวิศวกรรม แบ่งออกเป็น ๒ ชนิด คือ บิทูมินัส (bitu-minous) และนอนบิทูมินัส (nonbituminous) บิทูมินัสซีเมนต์ ได้แก่ มะตอย (asphalts) และน้ำมันยาง (tars)  เราใช้มะตอยหรือน้ำมันยางเป็นตัวประสานหินหรือกรวดในการทำผิวถนน นอกจากนี้ ยังใช้บิทูมินัสซีเมนต์ผสมกับหิน ทราย ราดทำผิวถนน และเรียกส่วนผสมนี้ว่า แอสฟัลต์คอนกรีต (asphalt concrete)

     นอนบิทูมินัสซีเมนต์ ได้แก่ อะลูมินาซีเมนต์ (alumina cement) และปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ (portland cement)มีลักษณะเป็นผงสีเทาอ่อน ต้องผสมน้ำปริมาณมากพอสมควร แล้วทิ้งไว้ให้แห้งจึงจะแข็งตัว เรามักจะนิยมเรียกซีเมนต์ชนิดนี้ว่า ไฮดรอลิกซีเมนต์ (hydrau-lic cement) ทั้งนี้ เพราะต้องใช้น้ำผสมและแข็งตัวในน้ำได้ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์เป็นซีเมนต์ที่ใช้ในการก่อสร้างมากที่สุด 

การผลิตปอร์ตแลนด์ซีเมนต์

     โดยทั่วๆ ไป กรรมวิธีการผลิตมีอยู่ ๒ แบบคือ แบบผสมเหลว (wet process)  และแบบผสมแห้ง (dry process)

     แบบผสมเหลว วัตถุดิบคือดินขาวหรือปูนมาร์ล (marl or calcium cabonate) ดินเหนียว (clay) และดินดำผสมวัตถุดิบทั้งสามชนิดกับน้ำในบ่อตีดิน (wash mill) กวนให้เข้ากันเรียกว่า น้ำดิน (slushy) แล้วกรองเอาก้อนหินก้อนดินออก น้ำดินที่ละลายเข้ากันดีแล้วนำไปเผาในหม้อเผาแบบหมุน ความร้อนในหม้อเผาประมาณ ๒,๕๐๐-๓,๐๐๐ องศาเซลเซียส จะทำให้น้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำดินระเหยกลายเป็นเม็ดปูนซีเมนต์ (clinker) จากนั้นก็นำเม็ดปูนไปบด เติมยิปซัม (gypsum) ลงไปเล็กน้อย เพื่อชะลอการแข็งตัวของซีเมนต์ขณะใช้งาน หลังจากนั้นจะลำเลียงไปเก็บไว้ในยุ้งเก็บซีเมนต์ผง (cementsilo) เพื่อรอการบรรจุลงถุงต่อไป
     แบบผสมแห้ง วิธีนี้ใช้วัตถุดิบสำคัญ ๒ ชนิด คือ หินปูน (limestone) และดินดาน (shale) มาผสมกันให้ถูกส่วน แล้วนำไปบดให้เป็นผงละเอียดตามต้องการ ต่อไปจึงนำไปเก็บไว้ในยุ้งเก็บ เพื่อรอส่งไปเผาให้สุกเช่นเดียว กับแบบผสมเหลวในเตาเผาแบบหมุน และบดเป็นผงซีเมนต์อีกครั้ง แบบผสมแห้งเป็นวิธีที่ไม่ต้องการใช้น้ำเข้าผสม และวัตถุดิบที่ใช้ก็ต้องอยู่ในลักษณะแห้งด้วย

     ปัจจุบันนี้นิยมใช้แบบผสมแห้งแทนแบบผสมเหลวซึ่งส่วนใหญ่เลิกใช้แล้ว
     ซีเมนต์เมื่อผสมกับน้ำจะเกิดความร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า ความร้อนที่เกิดจากสารประกอบที่มีน้ำอยู่ด้วย (heat of hydration) ปอร์ตแลนด์ซีเมนต์ แบ่งเป็น ๕ ชนิดด้วยกันคือ
          ๑. ชนิดธรรมดา ใช้งานก่อสร้างทั่วไป เช่น ทำผิวถนน สะพาน ท่อระบายน้ำ เป็นต้น ซีเมนต์ชนิดนี้มีข้อเสียคือ ไม่ทนต่อสารที่เป็นด่าง ในโครงสร้างหรืออาคารที่มีสารเป็นด่างอยู่ เช่น โรงงานอุตสาหกรรมเคมี เป็นต้น จะไม่นิยมใช้ซีเมนต์ชนิดนี้
          ๒. ชนิดให้ความร้อนและทนด่างได้ปานกลางซีเมนต์ชนิดนี้เมื่อผสมกับน้ำจะคายความร้อนออกต่ำกว่าชนิดธรรมดา และมีความต้านทานต่อสารที่เป็นด่างได้บ้าง เหมาะสำหรับงานก่อสร้างตอม่อขนาดใหญ่ในบริเวณที่มีอากาศร้อนจัด
          ๓. ชนิดเกิดแรงสูงเร็ว ซีเมนต์ชนิดนี้เกิดแรงสูงเร็วในระยะแรก เหมาะสำหรับงานที่ต้องการถอดไม้แบบเร็ว และต้องการประหยัดซีเมนต์ ซีเมนต์ ชนิดนี้มีเนื้อละเอียดมากกว่าชนิดอื่นๆ แต่อาจทำให้เกิดรอยร้าวบนผิวคอนกรีตได้ง่าย
          ๔. ชนิดคายความร้อนต่ำ ซีเมนต์ชนิดนี้มีอัตราการคายความร้อนต่ำมาก เหมาะสำหรับงานก่อสร้างใหญ่ๆ โดยเฉพาะการสร้างเขื่อน
          ๕. ชนิดมีความต้านทานต่อสารที่เป็นด่าง ซีเมนต์ ชนิดนี้ใช้สำหรับอาคารที่ต้องสัมผัสกับสารที่เป็นด่างอย่างแรง โดยปกติซีเมนต์ชนิดนี้จะแข็งตัวช้ากว่าธรรมดา

คอนกรีต

     คอนกรีตคือส่วนผสมของซีเมนต์ ทราย และหินหรือซีเมนต์ ทราย และกรวด ตามสัดส่วนแล้วเติมน้ำลงไปเพื่อให้ทำปฏิกิริยากับซีเมนต์ กลายเป็นตัวประสานซึ่งจะยึดทรายกับหินหรือกรวดเข้าด้วยกันเป็นก้อนแข็ง สัดส่วนที่ใช้โดยทั่วๆ ไปคือ
         (๑) ๑:๒:๔ ใช้ผสมทำคอนกรีตสามัญทุกชนิดประกอบด้วยซีเมนต์ ๑ส่วน ทราย ๒ ส่วน และหินหรือกรวด ๔ ส่วน
         (๒) ๑:๑.๕:๓  สำหรับคอนกรีตที่ต้องการรับแรงสูงเป็นพิเศษ เช่น ตอม่อใต้น้ำ
         (๓) ๑:๓:๖  เป็นคอนกรีตหยาบ ใช้เทเหนือเสาเข็มเพื่อรองรับฐานราก สัดส่วนนี้เป็นสัดส่วนโดยน้ำหนัก แต่ในทางปฏิบัติทั่วไปแล้วสะดวกที่จะใช้สัดส่วนโดยปริมาตร

การหล่อและบ่มคอนกรีต

     ในการเทคอนกรีตลงแบบหรือการหล่อคอนกรีต (placing concrete) พื้น เสา คาน  หรือผนัง มักนิยมใช้ไม้หรือเหล็กทำเป็นแบบให้ได้ขนาดและรูปร่างที่ต้องการ ไม้ที่ใช้เป็นไม้ราคาถูก เช่น ไม้กระบากแต่บางทีก็ใช้ไม้อัดทำไม้แบบสำหรับเทคอนกรีตเพราะไม้อัดทำให้ผิวคอนกรีตเรียบร้อยและไม่ต้องฉาบปูนทับหลังจากเทคอนกรีตลงในแบบประมาณ ๕-๗ วัน คอนกรีตจะแข็งตัว และอัตราการเพิ่มกำลังของคอนกรีตจะสูงประมาณร้อยละ ๗๐ ของกำลังคอนกรีตเมื่ออายุ ๑ เดือน หลังจากนั้นอัตราการเพิ่มกำลังของคอนกรีตจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้เราจึงต้องทิ้งคอนกรีตไว้อย่างน้อย ๓๐ วัน จึงจะใช้งานได้ เนื่องจากคอนกรีตรับแรงอัดได้สูง แต่รับแรงดึงหรือแรงดัดได้ต่ำมาก ฉะนั้นโครงสร้างที่ต้องรับแรงดึงและแรงดัด เช่น คาน และพื้น หรือในส่วนที่ยื่นออกไป เช่น กันสาด หลังจากถอดไม้แบบแล้วจะต้องใช้เสาไม้ค้ำไว้อย่างน้อยที่สุด ๒๐ วัน เพื่อให้คอนกรีตแข็งพอที่จะรับแรงได้
     ดังได้กล่าวมาแล้วว่า เมื่อผสมซีเมนต์กับน้ำซีเมนต์จะคายความร้อนให้กับน้ำซึ่งเป็นส่วนผสมของคอนกรีต ถ้าน้ำในคอนกรีตแห้งเร็วเกินไปโดยการซึมหรือระเหย ความร้อนที่คายจากซีเมนต์จะสะสมอยู่ในคอนกรีต ทำให้คอนกรีตแตกหรือร้าวได้ เพื่อไม่ให้คอนกรีตแตกหรือร้าวเนื่องจากน้ำในคอนกรีตแห้งเร็วเกินไป จึงจำเป็นต้องทำให้คอนกรีตชื้นอยู่อย่างน้อย ๑๕ วัน การรักษาความชื้นในคอนกรีตให้คงที่อยู่นี้เราเรียกว่า การบ่มคอนกรีต (curing concrete) ปัจจุบันนี้ การบ่มคอนกรีตมักไม่ค่อยได้ทำกัน เพราะซีเมนต์ที่ใช้ผสมคอนกรีตเป็นซีเมนต์ชนิดคายความร้อนต่ำ

คอนกรีตเสริมเหล็กและคอนกรีตอัดแรง

     เราทราบกันอยู่แล้วว่าวัตถุเปราะเช่นคอนกรีตหรืออิฐหินนั้นจะสามารถทนต่อแรงกดได้สูง แต่ในขณะเดียวกันไม่สามารถทนต่อแรงดึงหรือแรงดัดได้มากนักจึงใช้เหล็กใส่ไว้ภายในคอนกรีต เหล็กที่ใส่มักเป็นเหล็กเส้น หรือเหล็กรูปพรรณ เมื่อเทคอนกรีตลงไป คอนกรีตที่แห้งแล้วจะยึดติดแน่นกับเหล็ก เรียกว่า คอนกรีตเสริมเหล็ก ฉะนั้น เพื่อให้คอนกรีตมีความคล่องตัวในการใช้งานยิ่งขึ้นจึงได้มีการค้นคว้าคอนกรีตอัดแรง (prestressed concrete) ขึ้น

     คอนกรีตอัดแรงมี ๒ ชนิด ชนิดแรกใช้วิธีดึงเหล็กก่อน (pretensioning method) เช่น การทำเสาไฟฟ้าคอนกรีตอัดแรง จะต้องทำแบบเสาไฟฟ้าเป็นโครงเหล็กวางบนพื้นดินก่อน แล้วร้อยลวดเหล็กไปตามความยาวของแบบ ดึงเหล็กนี้ให้ยึดออกตามรายการที่คำนวณไว้ จากนั้นก็จะเทคอนกรีตลงในแบบ เมื่อคอนกรีตแข็งตัวแล้วปล่อยแรงที่ดึงออก เหล็กเส้นที่เป็นโครงภายในก็จะหดตัวกลับ การหดตัวกลับของเหล็กจะทำให้เสาคอนกรีตนั้นมีแรงอัดอยู่ในตัวเองตลอดเวลา อีกวิธีหนึ่งใช้วิธีดึงเหล็กทีหลัง (post-tensioning method) เช่น คานสะพานคอนกรีตอัดแรงวิธีทำนั้นจะต้องทำแบบคานและวางท่อที่จะสอดเหล็กไว้ตลอดความยาวของคาน เมื่อเทคอนกรีตลงในแบบจนแข็งตัวแล้วก็ร้อยลวดเหล็กตามท่อ ยึดปลายเหล็กข้างหนึ่งกับปลายคานให้แน่น แล้วดึงเหล็กอีกปลายหนึ่งให้ยืดออกตามรายการคำนวณ แล้วใช้ลิ่มยึดปลายเหล็กไว้กับปลายคานอีกข้างหนึ่งเป็นเสร็จการในกรณีนี้ก็จะเป็นการเพิ่มแรงอัดให้กับคานคอนกรีตก่อนที่จะนำคอนกรีตไปใช้งาน เมื่อนำคานคอนกรีตไปทำสะพาน คานนี้จะรับน้ำหนักบรรทุกจร (live load  ทำให้เกิดแรงดึงและแรงดัดขึ้น ซึ่งจะหักล้างกับแรงอัดที่มีอยู่แล้วในคานคอนกรีต ดังนั้นจะไม่เกิดแรงดึงในคานคอนกรีต

     จะเห็นได้ว่า คอนกรีตอัดแรงได้ช่วยให้วิศวกรสามารถใช้คอนกรีตสร้างสะพาน หรือ คานคอนกรีตที่มีช่วงยาวมากๆ ทำเสาไฟฟ้าแรงสูงคอนกรีตแทนเสาไม้ ซึ่งเหมาะสมกับความต้องการของประเทศ

ที่มา:

นายชูศักดิ์ แช่มเกษม

นายสมชาย พวงเพิกศึก

สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ เล่มที่ 2

http://guru.sanook.com/enc_preview.php?id=672&title=%AB%D5%E0%C1%B9%B5%EC%E1%C5%D0%A4%CD%B9%A1%C3%D5%B5

ร่วมแสดงความคิดเห็น