ما هي آلية عمل عامل التمدد في الخرسانة؟

في هندسة البناء، يعد حدوث الشقوق الخرسانية وتسرب المياه أمرًا شائعًا، ويمكن أن تؤثر الشقوق الهيكلية على الشكل الجمالي أو، في الحالات الشديدة، على سلامة المبنى. بسبب عوامل مثل زيادة استخدام الأسمنت، ومتطلبات القوة العالية، وظروف البناء، وعدم كفاية المعالجة، فإن تكوين الشقوق في الهياكل الخرسانية أمر لا مفر منه. حاليًا، النهج الوحيد الممكن في الهندسة هو التحكم في الشقوق ضمن حدود غير ضارة.

أسباب تشقق الخرسانة

هناك أسباب مختلفة لتكسير الخرسانة في مشاريع البناء، بما في ذلك التصميم الهيكلي، ومعالجة البناء، والمواد الخام. السبب الرئيسي للشقوق هو إجهاد الشد الناتج عندما تتعرض الخرسانة للتحميل والتشوه والخلط أثناء عملية التصلب. تحدث التشققات عندما يتجاوز إجهاد الشد الداخلي قوة الشد النهائية للخرسانة. ومن بين هذه التشققات غير الهيكلية الناتجة عن التشوه تمثل 80٪، وغالبية هذه التشققات غير الهيكلية ناتجة عن انكماش الخرسانة (مثل الانكماش الذاتي، والانكماش البلاستيكي، والانكماش الجاف، والانكماش الحراري، وما إلى ذلك).

لا توجد مواصفات فنية تفصيلية للتحكم في الشقوق غير الإنشائية، وتشمل الأساليب الشائعة المستخدمة في الهندسة تصميم فواصل التمدد أو استخدام "طريقة القفز على المستودع" أثناء البناء. ومع ذلك، فإن هذا النهج يطيل فترة البناء ويزيد من تكاليف التنظيف. لقد أثبتت التطبيقات الهندسية واسعة النطاق أن الطريقة الأكثر فعالية هي استخدام الخرسانة المعوضة للانكماش للتحكم في الشقوق.

آلية وتطبيق العوامل التوسعية

عوامل تمدد الخرسانة هي مواد مضافة تؤدي عند إضافتها إلى الخرسانة إلى تمدد حجمها، مما يعوض انكماش الخرسانة. يتم تصنيف العوامل الموسعة بناءً على مكوناتها الموسعة، مثل سلفوألومينات الكالسيوم، المعتمد على CaO، المعتمد على MgO، وأكسيد سلفوألومينات الكالسيوم والكالسيوم، والأنواع المركبة من الكالسيوم والمغنيسيوم. نظرًا للمكونات التوسعية المختلفة، يختلف أداء التوسع أيضًا. تشمل الآليات المقبولة على نطاق واسع للعوامل التوسعية نظرية النمو البلوري، ونظرية تورم امتصاص الماء، ونظرية التوسع الحجمي في الطور الصلب.

2.1 عوامل توسعية تعتمد على سلفوألومينات الكالسيوم

يتم تحقيق تأثير التمدد للعوامل التوسعية القائمة على سلفوألومينات الكالسيوم في المقام الأول من خلال تكوين إترينجيت الكالسيوم (C3A-3CaSO4-32H2O) أثناء الترطيب. تشير الدراسات الحالية إلى أن التأثير المشترك لضغط النمو البلوري وقوة انتفاخ امتصاص الماء للإترينجيت هو السبب الأساسي للتمدد، مع كون تورم امتصاص الماء هو العامل المهيمن. بناءً على هذه النظرية، يتطلب تفاعل تميه الإترينجيت كمية كبيرة من الماء، مما يحد من استخدامه في الخرسانة عالية القوة ذات نسب الماء إلى الأسمنت المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب الخرسانة التي تحتوي على عوامل توسعية قائمة على سلفو ألومينات الكالسيوم رقابة صارمة على المعالجة. إن المعالجة غير الصحيحة لا تفشل في تعويض الانكماش فحسب، بل تزيد أيضًا من خطر التشقق. علاوة على ذلك، يمكن أن يتحلل إترينجيت الكالسيوم في البيئات الرطبة والحارة، مما يؤثر على القوة والمتانة. ولذلك، ينبغي إيلاء اهتمام خاص لدرجة الحرارة البيئية عند استخدام العوامل التوسعية القائمة على سلفوالومينات الكالسيوم في الهندسة.

2.2 عوامل توسعية تعتمد على أكسيد الكالسيوم

تتضمن آلية التمدد للعوامل التوسعية المعتمدة على أكسيد الكالسيوم ترطيب أكسيد الكالسيوم (CaO) لتكوين هيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH)2). تعمل هذه العملية على زيادة حجم الطور الصلب، كما يؤدي التراكم المحلي لمنتجات الترطيب إلى توسيع حجم المسام، مما يؤدي إلى توسيع حجم المعجون. بالمقارنة مع عوامل التمدد القائمة على سلفوألومينات الكالسيوم، تتطلب عوامل التمدد القائمة على أكسيد الكالسيوم كمية أقل من الماء، ولها كفاءة تمدد أعلى، وأكثر فعالية من حيث التكلفة، مما يجعلها مستخدمة على نطاق أوسع. ومع ذلك، يتفاعل CaO طاردًا للحرارة مع الماء، وهو ما يضر بالتحكم في درجة حرارة الشقوق في الخرسانة. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي معدل الترطيب السريع لـ CaO إلى استهلاك تمدد كبير في المرحلة البلاستيكية للخرسانة، مما يجعله غير فعال لتعويض الانكماش في المرحلة اللاحقة. يعتبر CaO ​​أيضًا حساسًا للرطوبة البيئية، مما يتطلب تعبئة دقيقة لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يقلل من فعاليته التوسعية. علاوة على ذلك، فإن Ca(OH)2 قابل للذوبان تحت ضغوط مياه معينة، لذا يلزم الحذر عند استخدام عوامل التمدد المعتمدة على أكسيد الكالسيوم في مشاريع البناء تحت الماء.

2.3 عوامل توسعية تعتمد على أكسيد المغنيسيوم

يحدث تأثير التمدد للعوامل التوسعية القائمة على أكسيد المغنسيوم من خلال ترطيب أكسيد المغنسيوم (MgO) لتكوين هيدروكسيد المغنسيوم (Mg(OH)2)، مع تغير الحجم الناتج عن قوة انتفاخ امتصاص الماء البالغة Mg(OH)2 في المراحل المبكرة من الماء وضغط النمو البلوري لـ Mg(OH)2 في المراحل اللاحقة. أظهرت الدراسات المكثفة والتطبيقات الهندسية أن عوامل التمدد القائمة على أكسيد المغنيسيوم تظهر تمددًا متأخرًا ودورة تمدد طويلة، والتي يمكن أن تعوض بشكل فعال الانكماش في درجة الحرارة أثناء الانكماش في التبريد والتجفيف. خواصها الميكانيكية مستقرة، وتتطلب كمية أقل من الماء لترطيبها. تتمتع عوامل التمدد المعتمدة على أكسيد المغنيسيوم أيضًا بمزايا منتجات الترطيب المستقرة وخصائص التمدد القابلة للتعديل، مما يجعلها قابلة للتطبيق على نطاق واسع في المشاريع الخرسانية واسعة النطاق مثل السدود. من الناحية العملية، يجب أخذ عوامل مثل درجة قوة الخرسانة والأبعاد الهيكلية وبيئة البناء في الاعتبار عند اختيار عوامل مقاومة للتشققات الخرسانية عالية الأداء أو عوامل تمدد أكسيد المغنيسيوم ذات تفاعلية مختلفة (نوع R، نوع M، نوع S) تعويض انكماش الخرسانة، وبالتالي تحقيق التحكم الكامل في التشققات وتبسيط إجراءات التحكم في درجة الحرارة. ومع ذلك، يجب الانتباه إلى جرعة عوامل التمدد المعتمدة على أكسيد المغنيسيوم، حيث أن الكميات المفرطة قد تسبب تمددًا مفرطًا، مما يؤدي إلى ضعف استقرار الحجم.

2.4 مصدر التوسع المزدوج وكلاء توسعية

تشتمل العوامل التوسعية ذات مصدر التمدد المزدوج الشائعة في السوق على العوامل التوسعية المعتمدة على سلفو ألومينات الكالسيوم وأكسيد الكالسيوم (مثل HCSA وCSA وFQY وما إلى ذلك) والعوامل التوسعية المركبة من الكالسيوم والمغنيسيوم.

عوامل توسعية تعتمد على سلفوألومينات الكالسيوم وأكسيد الكالسيوم: مصادر تمدد هذه العوامل هي الإترينجيت و Ca(OH)2. عند استخدام هذه العوامل في الخرسانة، يعوض Ca(OH)2 الانكماش المبكر، بينما يعوض الإترينجيت الانكماش في المراحل اللاحقة. يحدث التمدد من هذه المصادر في مراحل مختلفة، مما يحقق تأثير تعويض الانكماش الفعال. بالمقارنة مع عوامل مصدر التمدد الفردي، تتمتع عوامل التمدد المعتمدة على سلفو ألومينات الكالسيوم وأكسيد الكالسيوم بمزايا التوسع الأكبر، وانخفاض الطلب على المياه، وفترة توسع مستقرة مبكرة. يتم استخدامها على نطاق واسع في مشاريع مثل الهياكل الخرسانية ذاتية العزل والبناء السلس للهياكل الطويلة جدًا.

عوامل توسعية لمركب الكالسيوم والمغنيسيوم: يتم تصنيع هذه العوامل عن طريق الجمع بين أكسيد المغنيسيوم المحترق قليلاً وأكسيد الكالسيوم، مع مصادر التمدد من Ca(OH)2 وMg(OH)2. يتم ضبط معدل التمدد لهذه العوامل المركبة من خلال معدل الترطيب الأسرع لأكسيد الكالسيوم ومعدل الترطيب الأبطأ لأكسيد المغنيسيوم. يسمح هذا التعديل بالتعويض المرحلي والدورة الكاملة لانكماش الخرسانة. علاوة على ذلك، تتغلب العوامل الموسعة المركبة من الكالسيوم والمغنيسيوم على حساسية درجة الحرارة للعوامل الموسعة المعتمدة على أكسيد الكالسيوم، مما يجعلها مناسبة للمشاريع ذات متطلبات التحكم في درجة الحرارة الأقل صرامة.