كل شئ عن الخرسانة
تعد الخرسانة أو الباطون (Concrete) ثاني مادة بعد الماء، استهلاكا على وجه الأرض! وفي الحقيقة، فانه لا يمكن تخيل العالم من دون خرسانة، لان تطوير التخطيط الحضري العصري، تابع للإفادة من هذه المادة المفضلة. إن سبب استخدام الخرسانة لا يقتصر على تطبيقاتها الواسعة، بل أن مادة الكومبوزيت هذه تملك خصائص فريدة من نوعها. لكن ما هي الخرسانة على وجه التحديد، ولماذا كان استخدامها منذ القدم وإلى يومنا هذا، ضرورة لا بد منها؟ تابعونا للإجابة على هذه التساؤلات.
تاريخ الخرسانة
لقد كان المعماريون في الشرق الأوسط، ومنذ مطلع العام 1300 قبل الميلاد، على علم باهمية الحجر الجيري. وكانوا يعرفون أن هذه المادة تتحول من خلال ترطيبها بالماء، إلى كتلة صلدة. وخلال هذه الحقبة تقريبا، شرع اليونانيون القدماء باستخدام خليط من الجير والركام لتكوين أعضاء الهياكل.
ويعتبر عام 476 للميلاد، عام الثورة الخرسانية. وبدء من قبة البانثيون وصولا إلى جسر بونت دو غارد، فان الكثير من أبرز معالم الجذب السياحي، شُيدت بالخرسانة. وقد تراجع استخدام الخرسانة بشكل ملحوظ بعد سقوط الإمبراطورية الرومانية، وفي القرن الثامن عشر، تم تداولها مجددا. وحصل ذلك بسبب تحديثين مهمين، أولهما مبادرة جون اسماتون الذي اكتشف العديد من تكنيكات صنع الإسمنت في روما القديمة، والثاني أسلوب إنتاج الجير الهيدروليكي.
قبة البانثيون في روما ، إيطاليا
وكان لاختراع الإسمنت البورتلاندي عام 1824، دورًا في تغيير العالم! وبعدها وفي ظل اختراع الخرسانة المسلحة، تزايدت استخدامات وتطبيقات هذه المادة. ويُعد استخدام الخرسانة اليوم، جزء لا يتجزأ من صناعة الإنماء والصناعات التابعة لها.
الخرسانة ما هي؟
إن الخرسانة هي مادة مركبة تتكون من ثلاثة عناصر هامة هي الإسمنت والركام والماء. ويتم تكوينها عن طريق خلط تلك المواد على بعضها بنسب معينة، بحيث تكون نسب المكونات المعروفة بـ “مشروع الخلط” على علاقة مباشرة بمقاومة المنتج النهائي وقوته وجودته.
إن صيغة مكونات الخرسانة هي كالتالي:
الخرسانة= المادة الرابطة+الركام الناعم والخشن+الماء+المواد المضافة (اختياري)
وعرفنا الان أن المكونات الثلاثة الرئيسية في صنع الخرسانة هي الإسمنت والماء والركام. ونتطرق تاليا إلى مزيد من التفاصيل حول دور كل منها:
- الإسمنت: الإسمنت هو أهم مكونات الخرسانة. وعند اختلاط الإسمنت بالماء تتكون مادة لاحمة تأخذ قوتها تدريجيا وتتصلب إذ تقوم هذه المادة اللاحمة بتغليف حبيبات الركام الصغير والكبير وتربطها ببعضها مكونة الخرسانة.
- الماء: يكتسي الماء أهمية بالنسبة للخلطة الخرسانيّة. وهو ضروري جداً لخلط المكوّنات معاً، وللحصول على عجينةٍ إسمنتيةٍ مناسبة للعمل، وهو أساس التّفاعل الكيميائي الذي يحصل بين مكوّناتها، فتمتصه حبيبات الإسمنت والحصمة، ويمدُّ الخرسانة باللّيونة ويجعلها قابلةً للتّشكيل والصّب. ويُضاف الماء بنسبٍ معيّنة.
- الركام: يساعد الركام على تحسين خواص الخرسانة. ويشتمل الركام على الركام الكبير (البحص) والركام الصغير (الرمل). إن خصائص الرمل إن كان مستدير الطرف أو حاد الطرف، يؤثر تأثيرا مباشرا على المقاومة النهائية لانضغاط الخرسانة.
صورة ملموسة
كيف تُصنع الخرسانة؟
إن الخرسانة هي مادة ضرورية ومفيدة للغاية في أي عمليات بناء وتشييد. وعندما يتم خلط جميع المكونات بنسبِ محددة معًا، يبدأ الإسمنت والماء، بتفاعل التميؤ ليتحول المنتج النهائي إلى كتلة صلدة.
إن عملية صنع الخرسانة تبدأ بمشروع الاختلاط. لكن يجب إبداء المزيد من الاهتمام بهذه المرحلة! إن الخليط الذي لا يملك عجينة إسمنتية كافية لملء الفراغات بين الركام، يخفض المقاومة الانضغاطية للخرسانة. وعلى العكس، فان الخليط الذي يحتوي على كمية كبيرة من العجينة الإسمنتية، يزيد من إحتمالات تشققات المنتج النهائي.
وفي الحقيقة إن العجينة الإسمنتية يجب أن تغطي الركام بالكامل وألا تستحدث أي فراغات. ومن جهة أخرى، فان نسبة هبوط الخرسانة، لا يجب أن تكون عالية جدا، لكي تصبح العجينة رخوة، وتوجه الركام نحو الأسفل. وفي هذه المرحلة، تبدأ عملية تصنيع الخرسانة من خلال تحديد نسبة الماء إلى الإسمنت والنسبة المئوية لكل من أجزاء الركام.
وبصورة عامة، فان العوامل المؤثرة على مشروع اختلاط الخرسانة هي كالآتي:
- الهبوط
- مقاومة الانضغاط
- الركام
- نوع الإسمنت
- نسبة الماء إلى الإسمنت
ويبدأ المنتج بالتصلب من خلال تفاعل كيميائي يعرف بـ التميؤ. وعندما يتم خلط المنتج النهائي بصورة صحيحة في الخلاطة، يبدأ وقت صب الخرسانة في القوالب. ويساعد هزّ الخليط بعد الصب، على تقليل فقاعات الهواء وتكوين خليط متجانس.
أهمية تطبيقات الخرسانة
أينما وجدت هياكل ومبانٍ، يوجد الإسمنت أيضا. ومن الأهمية بمكان استخدام الخرسانة في عمليات البناء والتشييد العصرية، لان الهياكل والمباني تكتسب مقاومتها ومتانتها من هذه المادة المركبة. فضلا عن أنها مادة زهيدة الثمن وقابلة للقولبة بأشكال مختلفة.
ويتم إنتاج الخرسانة من المواد الطبيعية. لذلك، فانها مواكبة للبيئة ويمكن إعادة تدويرها. ويمكن تفتيت الخرسانة المعاد تدويرها واستخدامها كركام جاف لتحضير منتجات جديدة. وطالما كانت عمليات البناء والتشييد قائمة على قدم وساق في العالم، فسيكون الطلب مستمرًا على الخرسانة.
مزایا الخرسانة
- أكثر اقتصادية من الفولاذ
- القوة العالية للضغط
- تكلفة صيانة الخرسانة تقريبا لا شئ
- قد تستخدم كمادة مضادة للصوت
- متينة وتتزايد مقاومتها وقوتها على مرّ الزمن
- متعددة التطبيقات والاستخدامات
- تعمل كمادة مضادة للماء
- يمكن التحكم بها بسهولة ويتم صبها في القوالب بالأشكال المنشودة
- مكونات الخرسانة هي في المتناول دائما
- يتمتع سطحها بخاصية مقاومة التآكل
- ليست عرضة لغزو النمل والأرَض
- صامدة بنسبة عالية للنار
- قابلة للضخ والاستفادة منها في الأماكن والمواقع الصعبة
- لا ينمو عليها الفُطار العفني وغير قابلة للتحلل والتفتت
مساوئ الخرسانة
- ضعف مقاومة الشدّ فيها (ويمكن معالجة هذا الضعف بوضع الفولاذ وحديد التسليح الذي يقاوم الشدّ)
- إعداد توصيلات انكماشية للحد من الإنكماش والتقلص
- تزيد من وزن الهيكل مما يعرضه للزحف
- يستغرق الخرسانة وقتًا للوصول إلى قوتها الكاملة
- تدنى المطيلية فيها
- مشروع الخلط صعب وبحاجة إلى تخصص وخبرة هندسية
- يجب استخدام الإسمنت الخاص للبيئات القلوية والمتكبرتة، لان الإسمنت العادي يتلاشى بسهولة
تطبيقات الخرسانة:
- الهياكل والبنايات الحضرية المألوفة
- الطُرُق
- الجسور
- الأرصفة
- مواقف السيارات
- الأنفاق
- استخدامات معمارية وتزيينية
- طبقة رصف الشوارع
- مسيل الماء والأخاديد ومجاري الصرف الصحي
- السدود
- الهياكل البحرية
أنواع الخرسانة
- الخرسانة العادية
- الخرسانة خفيفة الوزن
- الخرسانة البوليمرية
- الخرسانة المسلحة
- الخرسانة سابقة الإجهاد
- الخرسانة مُسبقة الصب
- الخرسانة الزجاجية
- الخرسانة ذاتية الدمج
- الخرسانة المُنْفِذة
- الخرسانة الليفية
- الخرسانة الذكية
- الخرسانة المضخوخة
- الخرسانة الفراغية
- الخرسانة الإسفنجية
- وأنواع أخرى من الخرسانة
قابلية التشغيل أو العمل للخرسانة
قابلية تشغيل الخرسانة مصطلح يصف كيف يمكن بسهولة خلط الخرسانة ووضعها وصبها وتوحيدها وإنهائها من دون تدني الجودة. قابلية العمل ترتبط بمحتوى الماء والركام (توزيع الشكل والمقاس) وكمية الإسمنت ويمكن تعديلها من خلال إضافة المواد الكيمائية المضافة مثل مخففات الاحتكاك.
إن زيادة محتوى الماء أو إضافة المواد الكيميائية المضافية تؤدي إلى زيادة فاعلية الخرسانة. فالماء الزائد يؤدي إلى زيادة النزف أو تفكك الركام (عندما يبدأ الإسمنت والركام بالانفصال)، وتتدنى جودة الخرسانة. وأي تركيبة من عوامل مختلفة قد تسفر عن خليط يصبح متصلبا أكثر من اللازم ويفتقد الى الميوعة الملائمة. وبالتالي فان إتمام عملية صب الخرسانة ستمر بصعوبة.
ويمكن قياس اتساق واستقامة الخرسانة من خلال اختبار هبوط الخرسانة. ولقياس الهبوط، يتم ملء مخروط بارتفاع 30 سنتميترا. ويوضع المخروط بقاعدة عريضة على سطح مستوٍ وغير ماص. ومن ثم يملأ بثلاث طبقات بأحجام متساوية حتى تصبح الطبقات موحدة.
وعندما يتم رفع المخروط بدقة، فان المواد المحصورة بداخله تشهد هبوطا محددا بسبب الجاذبية. والنموذج الجاف نسبيًا، يهبط بمقدار ضئيل جدا، ويحظى بقيمة الهبوط بنسبة إنش إلى إنشين (25 أو 50 ملميتمر) من قدم (305 مليمتمرات) واحد. والنموذج الخرساني الرطب نسبيًا، قد يهبط حتى ثمانية إنشات.
ويمكن قياس قابلية الخرسانة للتشغيل بالإفادة من اختبار الجدول الوارد في اللوائح والأنظمة الوطنية للبناء. ويمكن زيادة الهبوط من خلال إضافة مواد كيميائية مضافة مثل المنعمات أو مخففات الاحتكاك من دون تغير نسبة الماء والإسمنت. وبعض المواد المضافة الاخرى لا سيما المواد المضافة لامتصاص الهواء، يمكن أن تزيد هبوط الخليط.
إنضاج الخرسانة بالترطيب
يجب إنضاج الخرسانة بالترطيب من أجل الحصول على المقاومة والمتانة المرجوتين. وأثناء هذه العملية، تحصل تفاعلات الإماهة وتسمح بتشكيل هيدرات سيليكات الكالسيوم (C-S-H). ويتحصل أكثر من 90 بالمائة من المقاومة النهائية للخليط خلال أربعة أسابيع عادة والـ 10 بالمائة المتبقة تحصل على مدى السنين أو حتى عقود من الزمن.
إن تحول هيدروكسيد الكالسيوم في الخرسانة إلى كربونات الكالسيوم على إثر امتصاص CO2 على مدى عدة عقود، يزيد من قوة الخرسانة ويؤدي إلى مقاومتها للأضرار. ومع ذلك، فان تفاعلات الكربنة هذه، تخفض PH محلول مسامات الإسمنت ويمكن أن تؤدي إلى تآكل قضبان التسليح.
إن التميؤ وتصلد الخرسانة مهمان خلال الأيام الثلاثة الأولى. إن الجفاف السريع وتناقص الحجم غير الطبيعي بسبب عوامل مثل التبخير أثناء الصب، قد يؤدي إلى زيادة الشدّ في وقت لم تحصل الخرسانة بعد على المقاومة الكافية وبالتالي تشهد تشققات ومزيد من الانكماش.
وفي حالة ترطيب الخرسانة طيلة العمليات، يمكن زيادة مقاومتها الأولية. إن توصيل الانضغاط قبل المعالجة إلى الحد الأدنى، يوصل التشققات إلى حدها الادنى. لقد صممت الخرسانة بمقاومة عالية للتميؤ الأسرع، وتترافق غالبا مع زيادة الاستفادة من الإسمنت والذي يؤدي إلى زيادة الانكماش والتشققات.
وتزداد مقاومة الخرسانة حتى ثلاث سنوات. ويتوقف ذلك على العناصر وظروف الاستفادة. إن إضافة الألياف البوليمرية قصيرة الأمد يمكن أن يساهم في تقليص الشدّ الناتج عن الانكماش أثناء إنضاج الخرسانة ويزيد من مقاومة الانضغاط المبكرة والنهائية.
إن الإنضاج الصحيح للخرسانة يؤدي إلى زيادة المقاومة والنفاذية الأقل ويحول دون حصول التشققات في موقع الجفاف المبكر للسطح. كما يجب العناية بالخرسانة للحد من تجمدها أو سخونتها أكثر من اللازم. إن الإنضاج غير الصحيح يمكن أن يسفر عن التقشر وتراجع القوة ومقاومة الاحتكاك الضعيفة والتشققات.
الخرسانة الجاهزة
الخرسانة الجاهزة هي خرسانة صنعت مسبقًا في مصنع خرسانة وفقًا لمقادير ثابتة وتلبية لطلب من الزبون، لتنقل لاحقًا إلى موقع العمل بواسطة شاحنة خلاطة لاستخدامها مباشرة. والفارق الرئيسي بين الخرسانة الجاهزة والخرسانة العادية، هو موقع خلطهما. فالخرسانة الجاهزة يتم خلطها خارج موقع البناء.
مميزات الخرسانة الجاهزة:
- الجودة العالية للخرسانة
- سعر أقل
- التوفير في الوقت
- مواكبة للبيئة
إعادة تدوير الخرسانة
إن تخريب الخرسانة لاستحداث مساحة مناسبة للمباني الجديدة، ينتج كما هائلا من النفايات. إن أكثر الأساليب تداولا للتخلص من هذه النفايات هو طمرها في موقع طمر القمامة، الأمر الذي قد يتسبب بتلويث الجو والمياه. وقد دفع هذا بالمزيد من الدول لإيلاء أهمية أكبر لإعادة تدوير نفايات الخرسانة.
وإعادة التدوير هذه تتم بالافادة من فُتات الهياكل الخرسانية. إن الخرسانة المتفتتة يمكن استخدامها كركام (الرمل والبحص) للطرق وملء الفراغات والجدران الاستنادية وبناء الأرضيات أو كركام خشن يدخل في تكوين الخرسانة الجديدة.
مميزات الخرسانة المعاد تدويرها:
- رفد سلامة البيئة
- خفض التلوث خلال النقل إلى مواقع طمر النفايات
- خفض تكلفة نقل المواد والمخلفات
- التوفير في مساحة طمر القمامة
- العودة إلى دورة البناء والتشييد
- خفض تكلفة إنتاج الركام الخشن
ويمكن استخدام الخرسانة المعاد تدويرها في الجدران كأحجار بناء. كما تستخدم القطع الأصغر كرمل للمشروعات الإنشائية الجديدة. وتستخدم الخرسانة المعاد تدويرها في مجال شق الطرق.
ويمكن تكسير طبقة الرصف الخرسانية في مكانها واستخدامها كطبقة أساسية لتمهيد السطح الخارجي للأسفلت عن طريق عملية تسمى رفع الأنقاض. إن الخرسانة المفتتة يمكن استخدامها كمادة أولية (بدلا عن الرمل) في صنع الخرسانة الجديدة.
كما يمكن الإفادة من الخرسانة المعاد تدويرها بدرجة تصنيف جيدة ومن الناحية الجمالية كأحجار لبناء الباحات والفناءات. ويمكن ملء سلال الشبك المعدنية بالخرسانة المفتتة واستخدامها كجدران ساندة (بدلا من التسييج).
وأخيرًا
إن الخرسانة، مادة تتمتع بمقاومة انضغاطية هائلة للغاية، ويمكن استخدامها في الصناعات المختلفة. وفضلا عن ذلك، فانها منخفضة التكلفة وتُنتج بسهولة في موقع ورشة البناء. وفي الحقيقة، فان هذه المادة المركبة توفر إمكانية البناء السريع وبجودة عالية. وتستخدم الهياكل الخرسانة ذات التصميم والتصنيع العلمي، لسنوات مديدة، وتقاوم الزلازل والعواصف والمخاطر البيئية. وفي الختام يجب القول: “إن الخرسانة ما زالت مادة لا تُصدق!”