1. الإنتاج التقليدي
تبدأ الخرسانة الحديثة بالرمل والحصى بأحجام مختلفة، والتي يتم خلطها بوجود الماء مع مادة الربط الكبيرة الأسمنت البورتلاندي، والتي تربط جميع الركام معًا لتشكل مادة تشبه الحجر. تم اختراع الأسمنت البورتلاندي على يد جوزيف أسبوتين في عام 1824؛ يتم تصنيعه عن طريق تسخين وطحن معادن الحجر الجيري والطين وإضافة كمية صغيرة من الجبس. لاحقًا، اقترحه ابنه ويليام أسبوتين في أربعينيات القرن التاسع عشر. تعتبر الخرسانة العادية، المصنوعة من الأسمنت البورتلاندي والركام، بشكل عام الجيل الأول من الخرسانة.
ومع ذلك، يرتبط هذا النوع من الخرسانة بنقص قوة الشد والليونة، مما يؤدي إلى فشل هياكل العوارض والبلاطات. مما أدى إلى ظهور خرسانة الجيل الثاني، حيث اعتبر حديد التسليح هو الحل لهذه المشاكل. كان جوزيف مونييه وفرانسوا كونيه أول رواد تقوية الخرسانة في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. لقد منحوا العديد من براءات الاختراع لتعزيز أنواع مختلفة من الهياكل. منذ ذلك الوقت فصاعدًا، كان مزيج الفولاذ والخرسانة هو مادة البناء الأساسية طوال القرنين التاسع عشر والعشرين. زيادة في قوة الضغط للخرسانة خلال القرن العشرين. تراوحت قوة الضغط في النصف الأول من هذا القرن من 20 إلى 40 ميجا باسكال.
بعد منتصف-20القرن، ظهر التحدي المتمثل في زيادة القوة اللازمة لتحمل الأحمال الأكبر للهياكل الأكثر تقدمًا. خلال هذه العقود، تجاوزت قوة الضغط 40 ميجا باسكال. يتم تحقيق ذلك من خلال الاختيار الدقيق للركام، حيث أن الركام الضعيف قد لا يكون قويًا بما يكفي لتحمل الأحمال الثقيلة، ومن خلال تقليل نسبة الماء إلى المادة الرابطة. هذه النسبة تتناسب عكسيا مع قوة الضغط. إن اختراع الخلطات التي تقلل الماء يقلل من محتوى الماء، مما يسمح للمهندسين بزيادة القوة دون التأثير على قابلية التشغيل.
2. الجيل الجديد من الخرسانة الحديثة
(1) المبادئ والتعاريف
على الرغم من التحسينات السابقة، لا تزال هناك حاجة إلى:
(أ) الخرسانة ذات القوة الأعلى؛
(ب) منع أيونات الكلوريد وغيرها من المواد الضارة من اختراق المحلول الخرساني، مما قد يؤدي إلى تآكل القضبان الحديدية وضعف متانة الخرسانة؛
(ج) مواد بديلة يمكن أن تحل محل الأسمنت البورتلاندي للحد من انبعاثات أول أكسيد الكربون 2 المنبعثة في الغلاف الجوي أثناء إنتاج الأسمنت.
لذلك، تم تطوير الخرسانة فائقة الأداء أو UHPC كتقنية خرسانة جديدة يمكنها تلبية المعايير المطلوبة. وقد تم تطويره على أساس أن تخفيض نسبة الماء إلى الأسمنت وحده لا يكفي لتحقيق الأداء المطلوب. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى مواد حشو محسنة للجسيمات الدقيقة ومتناهية الصغر؛ يجب التحكم بعناية في توزيع الحجم وكذلك الشكل والجودة التركيبية لهذه الجسيمات.
الاختلافات في أنظمة الحشو بين UHPC والخرسانة التقليدية. تم تحسين كثافة مصفوفة UHPC بشكل أكبر. وهذا يتطلب إزالة الركام الخشن وتوزيع الجزيئات متناهية الصغر على مستوى البنية المجهرية لملء الفراغات بين الجزيئات الأكبر حجمًا. من المؤكد أن التحسينات في أنظمة الحشو UHPC ستزيد من قوة الخرسانة UHPC، مما يعزز المتانة والأداء العام.
في الواقع، UHPC هو شكل جديد من الخرسانة وهو مادة بناء مركبة جديدة. يتم تحقيق قوة الضغط والليونة العالية من خلال تحسين تعبئة الجزيئات الدقيقة وفائقة الدقة وإضافة ألياف الفولاذ. على وجه الخصوص، سيؤدي هذا التحسين إلى توزيع جميع الجسيمات بشكل موحد على نطاق مجهري لتعبئة المساحة المحاطة بجزيئات أكبر. وبالتالي، يتم الحصول على مصفوفة كثيفة ذات نفاذية منخفضة لتزويد الخرسانة بخصائص ممتازة.
UHPC له تعريفات مختلفة. ويعرّف بعض الباحثين المصطلح من حيث مكوناته الرئيسية. على سبيل المثال، فرزاد وآخرون. تعريف UHPC على أنها مادة قائمة على الأسمنت مع توزيع معزز لمكونات الجسيمات، ونسبة الماء إلى المواد الأسمنتية أقل من 0.2، وجزء كبير من تكوين الألياف الداخلية. قام ميشرا وسينغ بتعريف UHPC على أنه نوع خاص من الخرسانة يتكون من مضافات تفاعلية دقيقة الحبيبات (مثل دخان السيليكا والكوارتز الناعم)، والألياف، والملدنات الفائقة مع وجود محتوى رابط أكبر ونسبة رابط منخفضة من الماء إلى الهند. يعرّف إيمي وشفيق هذا المصطلح على أنه خليط من أسمنت السيليكا المقوى بالألياف، ومخفض للماء بدرجة كبيرة، مع نسبة منخفضة جدًا من الماء إلى الأسمنت (W/C)، ويتميز بوجود رمل كوارتز ناعم جدًا يبلغ قطره 0.15 إلى 0.60 ملم، بينما ليس الركام العادي. أحمد وآخرون. (2{{20}}16) عرّف UHPC بأنه يستخدم محتويات عالية من الأسمنت وأبخرة السيليكا (0.1-1 أم) والملدن الفائق مع رمل الكوارتز الناعم جدًا (0.{{21) }}.60 مم)، مسحوق الكوارتز (أقل من 10 ميكرومتر)، وخليط يتم إنتاجه بدون ألياف مجمعة خشنة. نعمت الله وآخرون. تعريف UHPC على أنه مركب قائم على الأسمنت يتكون من مواد دقيقة ذات منحنيات تصنيف محسنة، وألياف ميكروستيل منفصلة عالية القوة، ونسبة منخفضة جدًا من الماء إلى الأسمنت تقل عن 0.25. يعرّف باحثون آخرون UHPC بناءً على خصائصه الميكانيكية والمتانة الفائقة. على سبيل المثال، أرورا وآخرون. تعريف UHPC على أنها مادة ذات بنية مجهرية متعددة المقاييس مصممة لقوة ضغط عالية جدًا، وقوة انثناء وشد عالية، وليونة عالية. لي، J. وآخرون. حدد المصطلح على أنه مادة مركبة مبتكرة يمكن أن تكون مرشحًا محتملاً للهياكل الخرسانية المعرضة للبيئات المسببة للتآكل.
بناءً على التعريف أعلاه، يمكننا اقتراح تعريف يجمع بين المكونات الرئيسية والخصائص المتفوقة للـ UHPC بالإضافة إلى التكنولوجيا الأساسية وراء إنتاج UHPC. وبالتالي فإن UHPC هو جيل جديد من مواد البناء القائمة على الأسمنت التي تتمتع بقوة ضغط عالية جدًا، وليونة عالية، واستدامة، استنادًا إلى: التحسين الدقيق للركام الناعم والفائق الدقة (غبار ورمل السيليكا)، وإضافة عوامل تقليل المياه. تستخدم لتقليل نسبة الماء إلى الأسمنت، وتستخدم ألياف الفولاذ عالية القوة للتسليح.
(2) مكونات فائقة التباين
تتكون الخرسانة UHPC عالية القوة والليونة والمستدامة من الرمل الناعم وأبخرة السيليكا والماء والمواد المضافة التي تقلل الماء والألياف الفولاذية.
① الركام الناعم
يعد الركام الدقيق مادة مكونة مهمة لقوة UHPC وقابلية معالجتها. يحافظ على ثبات الخرسانة بسبب قدرتها على تحمل أحمال أكبر. بسبب خموله، فإنه يقاوم أيضًا العوامل الجوية. حجم جسيماته هو الأكبر بين مصفوفات UHPC، ويتراوح من 150 ميكرومتر إلى 600 ميكرومتر. يمكن أن يكون رمل السيليكا أو رمل الكوارتز أو الرمل الطبيعي.
رمل السيليكا مكلف بالنسبة لـ UHPC. من ناحية أخرى، فإن رمل الكوارتز متوفر، لكن سحقه من الركام الخشن أو الصخور الطبيعية يستغرق وقتًا. في المقابل، يمكن استخدام الرمل الطبيعي بسهولة وفعالية كركام ناعم لـ UHPC. على سبيل المثال، تتمتع المنطقة الشرقية من المملكة العربية السعودية بكثبان رملية ناعمة.
② الأسمنت البورتلاندي
الأسمنت البورتلاندي العادي هو مادة الربط الأساسية وعندما يتم مزجه بالماء، فإنه يرطب ويصبح مادة صلبة تربط جميع الركام في الخرسانة UHPC. يتم إنتاجه بشكل رئيسي من مادتين خام أساسيتين؛ الحجر الجيري والطين. بعد التكسير والطحن، يتم تسخين هذه المواد في فرن لإنتاج كلنكر الأسمنت، والذي يتم طحنه أيضًا لطحن كميات صغيرة من الجبس إلى مسحوق ناعم. وهو تقريبًا ضعف (600-1000 كجم/م) المحتوى المستخدم في الخرسانة العادية، بمتوسط قطر يبلغ 15 ميكرومتر. لذلك، يعتبر ثاني أكبر حجم جسيم بين مصفوفات UHPC. ونظرًا لصغر نسبة الماء، سيتم استخدام الجزء غير المرطب من الأسمنت مع الركام الآخر لتحسين التعبئة والتغليف.
③ مسحوق السيليكون
دخان السيليكا أو ميكروسيليكا عبارة عن مادة نفايات ثانوية من أبخرة الفرن التي تنتج معدن السيليكون وسبائك الفيروسيليكون. يبلغ متوسط قطر الجزيئات المستديرة لمسحوق السيليكا 0.15 ميكرومتر، ومعظم الجزيئات أقل من 1 ميكرومتر. لذلك، فهي أصغر الجسيمات في مصفوفة UHPC، أصغر بـ 100 مرة من جزيئات الأسمنت. ولهذا السبب يعتبر حشوًا ممتازًا لملء الفراغات بين الجزيئات الأكبر حجمًا في مصفوفات UHPC. يؤدي استخدام هذه المادة متناهية الصغر إلى إنشاء مصفوفة كثيفة تعزز الخصائص الميكانيكية والمتانة للخرسانة.
يمكن استخدام دخان السيليكا في مخاليط UHPC في حدود 150-250 كجم/م3 (10-30% من كتلة الأسمنت). العلاقة بين قوة الضغط ومحتوى أبخرة السيليكا في الخرسانة UHPC. يمكن الحصول على خرسانة ذات قوة تصل إلى 81MPa بدون دخان السيليكا. ومع ذلك، من خلال زيادة محتوى أبخرة السيليكا، تزداد قوة الضغط بسرعة. أحد العيوب الرئيسية لهذه المادة هو أنها تتطلب المزيد من الماء بسبب جزيئاتها الدقيقة للغاية، ولكن مع الملدن الفائق، يمكن الحفاظ على نفس محتوى الماء.
④ الماء
الماء مادة مهمة لتصنيع UHPC. المياه الصالحة للشرب مناسبة وتستخدم عادة للخرسانة العادية. يجب أن تكون كمية الماء كافية لإتمام عملية الترطيب والحفاظ على قابلية التشغيل. الحد الأدنى لنسبة الماء إلى الأسمنت (w/c) للخرسانة العادية هو تقريبًا 0.4–0.5، بما في ذلك الماء القابل للتشغيل. وتتناسب كمية الماء عكسيا مع قوة الضغط، أي أنه إذا زاد الماء قلت القوة. الماء الزائد الذي لا يستخدم للترطيب يخلق فراغات في الخليط الخرساني مما يزيد من النفاذية ويقلل من قوة الخرسانة.
في تقنية UHPC، يساعد استخدام المواد المضافة عالية المدى لتقليل المياه في الحفاظ على قابلية المعالجة دون زيادة المياه. ولذلك فإن نسبة w/c ستنخفض إلى المستوى الأمثل في نطاق 0.14–0.22. وينتج عن ذلك زيادة في قوة الضغط ويعزز جميع خصائص الخرسانة الأخرى.
⑤ عامل تقليل الماء ذو نطاق واسع
نظرًا لأن قابلية تشغيل المخاليط الخرسانية تنخفض عند خلطها بمحتوى رطوبة منخفض، فيجب إضافة عوامل تقليل الماء أو عوامل تقليل الماء عالية الكفاءة، مثل البولي كربوكسيلات، إلى الخرسانة UHPC أثناء عملية الخلط لتحسين قابليتها للتشغيل. وفيما يتعلق بتأثير التركيب الكيميائي، فيجب أن يكون في حدود 0.5-2.0%، مثل كورتيال وما إلى ذلك. ولكن، كما كشف العديد من الباحثين، فإن المحتوى الأمثل هو 1.5-2.4.
⑥ الألياف الفولاذية
الخرسانة بدون تسليح تكون عرضة للكسر لأنها هشة بطبيعتها ولا يمكن إيقاف الشقوق. لذلك، يتم استخدام الألياف الفولاذية لتعزيز مصفوفة UHPC لتوفير مقاومة أفضل لتوليد الشقوق، بالإضافة إلى قوة شد أفضل ومقاومة للكسر. تتميز الألياف الفولاذية بشكلها وطولها وقطرها وحجمها واتجاهها وقوتها.
