في الفصل الأول من كتاب “تكنولوجيا الخرسانة” (Concrete Technology) تمت مناقشة مواضيع مثل الخرسانة وخصائصها، سمات الخرسانة الجيدة، تركيبات المواد المركبة (المركبات)، دور الواجهات ونهج الدراسة في هذا المجال. في نهاية هذا الفصل، تم أيضًا تقديم اقتراح خاص للمهتمين. ابق معنا حتى نهاية هذا المقال!
من المحتمل أن يكون قارئ هذا الكتاب شخصًا مهتمًا باستخدام الخرسانة في المباني، الجسور، الطرق السريعة أو السدود. وجهة نظرنا هي أنه من أجل الاستخدام المرضي لـ الخرسانة، يجب أن يكون كل من المصمم والمنفذ على دراية بـ تكنولوجيا الخرسانة. تكنولوجيا الخرسانة هو عنوان هذا الكتاب وعلينا أن نوضح أسباب هذه الحاجة.
في الوقت الحاضر، يتم استخدام مادتين بناء شائعتين: الخرسانة والفولاذ. هذان الاثنتان غالبًا ما تكونان مكملتين لبعضهما البعض وأحيانًا متنافستين، بحيث يمكن بناء العديد من الهياكل المماثلة باستخدام أي من هاتين المادتين. ومع ذلك، تقوم الجامعات، والمعاهد التقنية، والكليات بتدريس الخرسانة أقل من الفولاذ. هذا الأمر ليس مهمًا في حد ذاته لو لم تكن الحقيقة أن الأفراد العاملين في هذا المجال يحتاجون في الواقع إلى معرفة المزيد عن الخرسانة مقارنة بـ الفولاذ. سيتم إثبات هذا الادعاء الآن.
يتم إنتاج الفولاذ تحت ظروف مراقبة دقيقة، دائمًا في مصنع متقدم جدًا؛ يتم تحديد خصائص كل نوع من الفولاذ في المختبر ويتم وصفها في شهادة المصنع. لذلك، يحتاج مصمم الهيكل الفولاذي فقط إلى تحديد الفولاذ وفقًا للمعايير ذات الصلة، ويجب على المنفذ فقط التأكد من استخدام الفولاذ الصحيح وأن الوصلات بين العناصر المختلفة لـ الفولاذ تم تنفيذها بشكل صحيح.
في موقع بناء الخرسانة، الوضع مختلف تمامًا. صحيح أن جودة الأسمنت يتم ضمانها من قبل المصنع بطريقة مشابهة لـ الفولاذ، وإذا تم اختيار الأسمنت المناسب، نادرًا ما تكون جودته عامل عيب في هيكل خرسانوي. ولكن الأسمنت ليس مادة بناء: الخرسانة هي. الأسمنت بالنسبة لـ الخرسانة مثل الدقيق بالنسبة لكعكة الفواكه، وجودة الكعكة تعتمد على الخباز.
يمكن الحصول على خرسانة ذات جودة محددة من مورد الخرسانة الجاهزة، ولكن حتى في هذه الحالة، يتم شراء المواد الخام فقط. النقل، الصب، وخاصة الكبس، لها تأثير كبير على المنتج النهائي. بالإضافة إلى ذلك، على عكس الفولاذ، فإن اختيار تركيبات الخرسانة عمليًا لا نهائي، وبالتالي لا يمكن أن يتم الاختيار بدون معرفة دقيقة بخصائص وسلوك الخرسانة. لذلك، كفاءة المصمم والمحدد للمواصفات تحدد الخصائص المحتملة لـ الخرسانة، وكفاءة المقاول والمورد تحدد الجودة الفعلية لـ الخرسانة في الهيكل النهائي. لذلك، يجب عليهم أن يكونوا على دراية كاملة بخصائص الخرسانة وعملية تصنيع وصب الخرسانة.
ما هي الخرسانة؟
نظرة عامة على الخرسانة كمادة في هذه المرحلة صعبة لأنه يجب تجنب مناقشة المعرفة المتخصصة التي لم يتم تقديمها بعد، لذلك يجب أن نقتصر على بعض الخصائص الخاصة بـ الخرسانة.
الخرسانة بالمعنى الواسع هي أي منتج أو كتلة مصنوعة باستخدام وسط إسمنتي. عمومًا، هذا الوسط هو نتيجة تفاعل بين الأسمنت الهيدروليكي والماء. ولكن اليوم، حتى هذا التعريف يشمل مجموعة واسعة من المنتجات: يتم تصنيع الخرسانة بأنواع متعددة من الأسمنت واحتوائها على البوزولان، الرماد المتطاير، فحم الأفران، الميكروسيليكا، الإضافات، الركام المعاد تدويره من الخرسانة، البوليمرات، الألياف، وما إلى ذلك؛ ويمكن أن تكون هذه الخرسانات حرارية، معالج بالبخار، أوتوكلاف، تحت ضغط هيدروليكي، مهدودة بالصدمات الاهتزازية، مستخرجة ومرشوشة. هذا الكتاب يقتصر على دراسة التركيب الأقصى للأسمنت، الماء، الركام (الخام والدقيق)، والإضافات.
هذا يثير سؤالًا فوريًا: ما هي العلاقة بين مكونات هذا التركيب؟ هناك ثلاث احتمالات. الأولى، يمكن اعتبار الوسط الإسمنتي، أي منتجات هدرجة الأسمنت، كمادة بناء رئيسية، ويلعب الركام دور المذيبات الرخيصة أو الأرخص. الثانية، يمكن رؤية الركام الخشن كنوع من المواد الصخرية الصغيرة التي ترتبط بواسطة الملاط، وهو مزيج من الأسمنت الهيدرادي والدقيق. الاحتمال الثالث هو أنه كتقريب أولي، تتكون الخرسانة من طورين: عجينة الأسمنت الهيدرادي والركام، وبالتالي تتأثر خصائص الخرسانة بخصائص هذين الطورين وكذلك بوجود واجهات بينهما.
كل من وجهتي النظر الثانية والثالثة لهما مزايا ويمكن أن تفسرا سلوك الخرسانة. يجب تجاهل وجهة النظر الأولى، التي تفترض أن عجينة الأسمنت مخففة بالركام. افترض أنك تستطيع شراء الأسمنت أرخص من الركام – هل يجب استخدام مزيج من الأسمنت والماء فقط كمادة بناء؟ الجواب هو بلا شك لا، لأن “التغيرات الحجمية” لعجينة الأسمنت الهيدرادي كبيرة جدًا: انكماش عجينة الأسمنت النقي تقريبًا يعادل عشرة أضعاف انكماش الخرسانة التي تحتوي على 250 كجم من الأسمنت لكل متر مكعب. تقريبًا ينطبق الشيء نفسه على الانزلاق. بالإضافة إلى ذلك، الحرارة التي يتم توليدها بواسطة كمية كبيرة من الأسمنت الهيدرادي، خاصة في الأجواء الحارة، قد تؤدي إلى التشققات. يمكن أيضًا ملاحظة أن معظم الركام أقل عرضة لـ الهجوم الكيميائي مقارنة بعجينة الأسمنت، حتى لو كانت العجينة نفسها مقاومة نسبيًا. لذلك، بغض النظر عن التكلفة، فإن استخدام الركام في الخرسانة مفيد.
الخرسانة الجيدة
جيدة تعني أن لها تأثيرًا إيجابيًا ويمكننا، في الواقع يجب علينا، أن نسأل: ما هي الخرسانة الجيدة؟ من الأسهل أن نشير أولاً إلى أن الخرسانة السيئة للأسف هي واحدة من مواد البناء الشائعة جدًا. الخرسانة السيئة تعني مادة ذات قوام سائلاً، تتصلب إلى كتلة عسلية مغطاة، غير متجانسة وضعيفة تُصنع ببساطة عن طريق خلط الأسمنت، الركام والماء. بشكل مدهش، تكون تركيبات الخرسانة الجيدة هي نفسها تمامًا مثل الخرسانة السيئة، والفرق يكمن فقط في “المعرفة الفنية”.
بهذه “المعرفة الفنية”، يمكننا صنع الخرسانة الجيدة وهناك معياران عامان يمكن تعريفها بناءً عليهما: يجب أن تكون مرضية في الحالة المتصلبة وكذلك في الحالة الطازجة أثناء النقل وصب القالب. عمومًا، المتطلبات في الحالة الطازجة هي أن يكون قوام الخليط بحيث يمكن كبس الخرسانة باستخدام المعدات المتوفرة في الموقع، وأيضًا أن يكون الخليط متماسكًا بما يكفي ليتم نقله وصبه باستخدام المعدات المتوفرة دون انفصال. من الواضح أن هذه المتطلبات ليست مطلقة ولكنها تعتمد على ما إذا كان النقل يتم بواسطة جرار ذو تفريغ منخفض أو بواسطة شاحنة مسطحة، حيث أن الحالة الثانية، بالطبع، ليست طريقة جيدة.
في حالة التصلب، المتطلب المعتاد هو مقاومة ضغط مرضية. نحن نحدد المقاومة دائمًا لأنها سهلة القياس، على الرغم من أن “الرقم” الناتج من الاختبار ليس بالضرورة معيارًا للمقاومة الذاتية لـ الخرسانة في الهيكل بل يعكس فقط جودتها. لذلك، المقاومة هي وسيلة سهلة للتحقق من التوافق مع المواصفات وترتيب الالتزامات التعاقدية. ومع ذلك، هناك أسباب أخرى للانتباه إلى مقاومة الضغط، وهي أن العديد من خصائص الخرسانة مرتبطة بمقاومة الضغط لها. وتشمل هذه: الكثافة، النفاذية، المتانة، المقاومة للتآكل، المقاومة للصدمات، المقاومة الشد، المقاومة للكبريتات وبعضها الآخر، ولكن ليس الانكماش ولا اللزوجة. نحن لا نقول إن هذه الخصائص هي دالة واحدة وفريدة من نوعها لمقاومة الضغط، ونحن على علم بمسألة ما إذا كانت المتانة مضمونة بشكل أفضل بتحديد المقاومة، نسبة الماء إلى الأسمنت أو محتوى الأسمنت. لكن النقطة هي أن الخرسانة ذات المقاومة الأعلى عمومًا لها خصائص أفضل. الدراسة الأكثر تفصيلاً لكل هذه الأمور هي بالطبع موضوع تكنولوجيا الخرسانة.
المواد المركبة (الكومبوزيت)
لقد أشرنا إلى الخرسانة كمادة ثنائية الطور والآن يجب علينا التعمق في هذا الموضوع، مع إشارة خاصة إلى معامل المرونة للمادة المركبة. عمومًا، يمكن أن تحتوي المادة المركبة المكونة من طورين على شكلين أساسيين مختلفين. الحالة الأولى هي المادة المركبة الصلبة المثالية التي تحتوي على مصفوفة مستمرة من الطور المرن بمعامل مرونة مرتفع وحقائب مغروسة بمعامل أقل. النوع الثاني هو هيكل المادة المركبة اللينة المثالية التي تتكون من جزيئات مرنة بمعامل مرونة مرتفع في مصفوفة مستمرة بمعامل أقل.
يمكن أن يكون الفرق بين هذين الحالتين كبيرًا في حساب معامل المرونة للمركب. في حالة المادة المركبة الصلبة، يُفترض أن الإجهاد في كل مقطع ثابت، بينما تكون الإجهادات في الأطوار متناسبة مع معاملات المرونة الخاصة بها. يتم عرض هذه الحالة على الجانب الأيسر من الشكل 1.1. من ناحية أخرى، بالنسبة لـ المادة المركبة اللينة، يتم حساب معامل المرونة على افتراض أن الإجهاد في كل مقطع ثابت، بينما يكون الانفعال في الأطوار عكسيًا مع معاملات المرونة الخاصة بها؛ يتم عرض هذا في الجانب الأيمن من الشكل 1.1. المعادلات ذات الصلة هي:
حيث أن:
- EE = معامل مرونة المادة المركبة،
- EmE_m = معامل المرونة طور المصفوفة،
- EpE_p = معامل المرونة طور الجسيمات،
- gg = النسبة الحجمية للجسيمات.
لا ينبغي أن نُغرى ببساطة بهذه المعادلات ونصل إلى استنتاج أن الشيء الوحيد الذي نحتاج إلى معرفته هو ما إذا كان معامل مرونة الركام أعلى أم أقل من العجينة. الحقيقة هي أن هذه المعادلات تحدد حدودًا لـ معامل مرونة المركب. مع التوزيع العشوائي للركام في الخرسانة، لا يمكن تحقيق أي من هذه الحدود لأنها لا تلبي متطلبات التوازن والتوافق. لأغراض عملية، يتم تقديم تقريب جيد تقريبًا بواسطة عبارة المادة المركبة اللينة للتركيبات التي تم تصنيعها باستخدام ركام عادي؛ بالنسبة للتركيبات ذات الركام الخفيف، تعتبر عبارة المادة المركبة الصلبة أكثر ملاءمة.
علميًا، يجب أن نتحدث أكثر عن طريقة الطورين، وهي أننا يمكننا تطبيق هذه الطريقة فقط على طور الأسمنت كمرحلة ثانية. يمكن رؤية عجينة الأسمنت كمزيج من حبيبات الأسمنت الصلبة غير المهدرجة في مصفوفة المنتجات الهيدرادية. تشمل المنتجات الهيدرادية بدورها منافذ شعيرية ناعمة في مصفوفة هلام الأسمنت الصلب. يمكن كتابة المعادلات المناسبة بسهولة، ولكن للغرض الحالي، يكفي أن نعلم أن الصلب واللين نسبيان، وليسان مطلقان.
دور الواجهات
خصائص الخرسانة ليست فقط تحت تأثير خصائص الأطوار المكونة ولكن أيضًا تحت تأثير وجود واجهات بينها. لفهم هذا، يجب أن نلاحظ أن حجم الخرسانة الطازجة المضغوط جيدًا هو أكبر قليلاً من حجم الركام المضغوط الذي تحتويه هذه الخرسانة. هذا الاختلاف يعني أن حبيبات الركام ليست في اتصال نقطي ولكنها مفصولة بواسطة طبقة رقيقة من عجينة الأسمنت، أي مغطاة بالعجينة. الاختلاف الحجمي الذي ذكرناه حديثًا يكون عادةً حوالي 3٪ وأحيانًا أكثر.
أحد الاستنتاجات من هذه الملاحظة هو أن الخصائص الميكانيكية لـ الخرسانة، مثل الصلابة، لا يمكن نسبتها إلى خصائص تجمع الركام، بل يجب أن تُعزى إلى خصائص حبيبات الركام الفردية والمصفوفة.
استنتاج آخر هو أن الواجهات تؤثر على معامل مرونة الخرسانة. تم توضيح أهمية الواجهات في الفصل 6 ويظهر شكل في ذلك الفصل (الشكل 6.11) علاقات الإجهاد-الانفعال للركام، عجينة الأسمنت النقية، والخرسانة. لدينا هنا شيء يبدو متناقضًا للوهلة الأولى: الركام وحده يُظهر علاقة إجهاد-انفعال خطية وكذلك عجينة الأسمنت الهيدرادية النقية. ولكن المادة المركبة المكونة من كلاهما، أي الخرسانة، لديها علاقة منحنية. يشرح هذا وجود الواجهات والمنطقة الانتقالية المعروفة باسم منطقة الانتقال في تطوير الشقوق الدقيقة في هذه الواجهات تحت الحمل. تتطور هذه الشقوق الدقيقة تدريجيًا في الواجهات وتشكّل زوايا مختلفة مع الإجهاد المطبق، وبالتالي فإن شدة الإجهاد المحلية وحجم الانفعال يزيدان بشكل مستمر. لذلك، يزيد الانفعال بمعدل أسرع مقارنةً بالإجهاد المطبق وبالتالي يستمر منحنى الإجهاد-الانفعال ويتصرف بشكل شبه بلاستيكي.
نهج دراسة الخرسانة
العرض التمهيدي أمامنا يقدم بالضرورة العديد من المصطلحات والمفاهيم التي قد لا تكون واضحة تمامًا للقارئ. أفضل نهج هو دراسة الفصول التالية ثم العودة إلى هذا الفصل.
ترتيب العرض هو كالتالي: أولاً، مكونات الخرسانة: الأسمنت، الركام العادي والماء الممزوج. ثم، الخرسانة في حالتها الطازجة. الفصل التالي يناقش مقاومة الخرسانة لأنها كما ذكرنا سابقًا، واحدة من أهم خصائص الخرسانة وأحد السمات البارزة في المواصفات.
بعد تحديد كيفية صنع الخرسانة والمتطلبات الأساسية، ننتقل إلى بعض التقنيات: الخلط والمعالجة، استخدام الإضافات لتغيير الخصائص في هذه المرحلة وطرق مواجهة مشاكل الحرارة.
في الفصول التالية، ندرس تطوير المقاومة، خصائص المقاومة بخلاف مقاومة الضغط والشد، والسلوك تحت الإجهاد. ثم ندرس السلوك في البيئة العادية، المتانة وفي فصل منفصل، مقاومة التجميد والتجمد.
بعد دراسة الخصائص المختلفة للخرسانة، ننتقل إلى الاختبارات والتوافق مع المواصفات وفي النهاية تصميم الخليط؛ لأنه يجب أن نتمكن من اختيار الخليط المناسب للعمل المناسب. توسع فصلان معرفتنا إلى مواد أقل شيوعًا: الخرسانة الخفيفة والخرسانات الخاصة. في النهاية، نراجع مزايا وعيوب الخرسانة كمادة بناء هيكلية.
اقتراح خاص
في “موسوعة الخرسانة” لشركة هميار بتن شيركوه، نقوم كل أسبوع بترجمة فصل من كتاب “تكنولوجيا الخرسانة” للمؤلفين آدم م. نيفيل وج. ج. بروكس إلى اللغة الفارسية ونشره. من خلال متابعتنا، يمكنك الاستفادة من محتويات هذا الكتاب القيم وتوسيع معرفتك في مجال تكنولوجيا الخرسانة والهندسة المدنية. للحصول على أحدث الترجمات والمحتويات التعليمية، لا تفوت متابعة موسوعة الخرسانة لشركة هميار بتن شيركوه!
