الـخرسانة
الخَرَسَانَة هي مادة تتكون من الاسمنت والرمل والماء مع إضافة (الحصو او لاحجار المكسرة او المطحونة)تعد الخرسانة من أهم مواد البناء في العصر الحديث خصوصا مع تسليحها بالحديد لتكون خرسانة مسلحة.
الخرسانة هي مخلوط من مواد اولية مكونة من الرمل (والحصو او كسر الحجر ) والأسمنت مع إضافة الماء اليهما. وعند خلطهم جيدا تتم عملية تماسك بينهم تسمى زمن الشك Setting time.
و للخرسانة خصائص كثيرة تمتاز بها عن المواد الأخرى، فهي تأخذ شكل صلد ومتين مع الزمن تدريجيا وتبدأ بالشك الابتدائى Initial setting وتنتهى بالشك النهائى Final setting. كذلك فهي شديدة المقاومة للضغط Compression ولكنها في نفس الوقت ضعيفة جدا في مقاومتها للشد Tension لذلك فالخرسانة العادية (غير المسلحة) لا تستخدم ابدا في الأماكن التي تحدث فيهاإجهادات الشد (مثل الكمرات beams).
للتغلب على هذه المشكلة، يوضع الحديد وهو مقاوم ممتاز لقوى الشد وقوى الضغط وفي حين ان أسياخ الحديد الطويلة يمكن ان تتحمل قوى الشد كلها فإن الخرسانة لا تتحمل قوى الضغط كلها إذا كانت قطاعاتها نحيفة Slinder فيحدث نتيجة لهذا انبعاج الخرسانة Buckling.
لذلك، نجد ان مركبا خليطا من الخرسانة والحديد يعطى مادة مثالية لمقاومة الإجهادات المختلفة المؤثرة عليها ،. وهذا المركب هو ما يعرف باسم الخرسانة المسلحة Reinforced concrete.
ملاحظة: يعتبر الرومان هم أول من استعمل الخرسانة العادية Plain Concrete في التاريخ من حوالي الفى عام وقد استعملت في معظم مبانيهم لسهولة تشكيلها وإمكان تفيذها بعمالة مدربة تدريبا بسيطا
أنواع الخرسانة
- خرسانة : وقد تسمى بيتون وهي خليط من الحصو (الطبيعي أو كسر الحجر الصلب) مع الرمل النظيف والخالي من الشوائب والبودره الناعمه جدا مع الأسمنت بنسب متعارف عليها فنيا.
- خرسانة عادية : تستعمل وتصب عادة لملء الفراغات ولتثبيت التربه تحت أو حول منشئآت مسلحه بالحديد. ولا تشيد عليها احمال
- خرسانة مسلحة: هي خرسانه تسمى مسلحه لأنها تصب مع قضبان حديديه لها اشكال خاصه يحددها مهندسون متخصصون بالتصميم لجعل الجسم المصبوب من هذه الخرسانه مع الحديد أكثر قوه وقادر على تحمل اوزان كثيره مثل (الجسور، الأسقف، المباني العاليه...).
- خرسانة بيضاء : مكونة من خلط اسمنت أبيض مع مونة الرمل والحصو .
- خرسانة كسر الطابوق :او تسمى محليا بالكلك وهي شوائب البناء مكونة من خلط كسرالطابوق مع مونة الرمل والأسمنت. وتصب في ممرات البيوت أو للدفن
كما يوجد أنواع أخرى من الخرسانات المسلحه التي لها صفات واستخدامات خاصة مثل :
- الخرسانة المسلحة المصبوبة تحت الماء.
- الخرسانة المسلحة المقاومة للحريق.
- الخرسانة المسلحة المقاومة للإشعاعات الذرية.
- الخرسانة المسلحة للسدود.
- الخرسانة المسلحة ضد القنابل.
- الخرسانة المسلحة المقاومة للزلازل.
- الخرسانة المسلحة الملونة.
والطرق المختلفة لتجهيز منتجات الخرسانة المسلحة يكسبها أسماء أخرى مثل :
- الخرسانة المصبوبة في الموقع (لا يتم تحريك الجسم المصبوب بعد الصب)In-Situ concrete.
- الخرسانة مسبقة الصنع (تصب الاجسام في معامل خاصة وتتصلب هناك ثم تنقل إلى الموقع المطلوب ليتم تركيبها بواسطة وصلات) Pre-Cast concrete products.
- الخرسانة مسبقة الإجهاد(تصب ويتم شدها بأسلاك قويه جدا - يتم قطع هذه الاسلاك بعد تصلب الخرسانة لتصبح الخرسانة قادره على حمل احمال كبيره جدا مثل الجسور الطويله جدا Pre-Stressed concrete.
خلط الخرسانة
قبل خلط مواد الخرسانة يجب التأكد من نظافة الرمل ولذلك يجب تنظيفهم من أي مواد عضوية عالقة بها وذلك بهزهم في المنخل Sieve وغسلهم بالماء قبل استعمالهم لأن وجود نسب كبيرة من الطين أو المواد العضوية أو الأملاح أو الفوسفاتات في الخرسانة يسبب تأكل وصدى الحديد الموجود فيها ويضعف من قوتها. و يتم خلط المواد الأولية للخرسانة عموما بطريقتين رئيسيتين :
الخلط اليدوي
بعد تنظيف الرمل والحصو ، تخزن المواد في مكان مناسب بالموقع بعيدا عن الرطوبة، يتم خلط الخرسانة يدويا بطريقة استعمال (الكرك او المسحاة) وذلك لخلط كميات قليلة من الخرسانة.
اما الخلط اليدوى الشائع الاستعمال للكميات الكبيرة من الخرسانة فيتم بوضع حجم عدد 2 سطل Batch box من الحصو يضاف عليهم سطل من الرمل والمقدار المطلوب من اكياس الأسمنت ثم تخلط هذه المواد جيدا بدون ماء اولا ثلاث مرات وبعدما يصبح لون المخلوط متجانسا يضاف الماء تدريجيا بالقدر المطلوب للخلط، ويستمر التقليب والخلط ثلاث مرات حتى يتجانس لون الاسمنت .
الخلط الميكانيكي
خلط ميكانيكي للخرسانة في بإحدي مواقع العمل
تخلط الخرسانة ميكانيكيا بالنسب المطلوبة في خلاطات ذات سعة مناسبة مع تناسب حجمها بمعدل النقل والصب للعملية وتستعمل الخلاطات في موقع العمل ويتناسب عدد الخلاطات مع نوع وطبيعة العمل ومع كميات الخرسانة المطلوبة.
و قد تجهز الخرسانة اوتوماتيكيا في محطات خاصة تعرف باسم محطات تجهيز الخرسانة Ready Mix ومنها تنقل إلى موقع العمل عن طريق عربات مجهزة Concrete mix trucks وتتم طريقة الخلط في محطات تجهيز الخرسانة بطريقتين :
طريقة الخلط المركزى
تخلط وتجهز الخرسانة في هذه الطريقة في محطة تجهيز الخرسانة ويكون مكانها غالبا قريب موقع المشروع وتتم العملية كالأتى :
ينظف الحصو والرمل بالمياه حتى يصبحا مشبعين بالمياء ونقل إلى أماكنهم الخاصة القريبة من خزان الأسمنت السائب وخزان المياه وبعد قياس مواد الرمل والحصو والأسمنت يصب المخلوط في خلاط مركزى ويخلط بدون ماء أولا عدة مرات ثم يضاف عليه الماء بنسبة معينة وعادة تحدد نسبة الماء / الأسمنت Water / Cement ratio على حسب نوع الخرسانة المطلوبة
فتجهيز خرسانة بلاطة الأرضيات مثلا تكون نسبة الماء للأسمنت 0.7 (لعدم الحاجة إلى مقاومة عالية من الخرسانة فبلتالى تزيد نسبة المياه)
تجهيز خرسانة الأسقف والأعمدة والكمرات فتكون نسبة المياه للأسمنت فيها حوالي 0.5 (للحاجة إلى مقاومة عالية، فوجب تقليل نسبة المياه لتزيد المقاومة).
تنقل الخرسانة إلى الموقع عن طريق عربات مجهزة لذلك ويجب ان يكون الزمن من المحطة إلى موقع العمل عن 45 دقيقة وهي المدة الكافية لتكوين الشك الابتدائى للخرسانة.لكن في الاجواء الحارة يجب أن يقل المشوار عن 45 دقيقة وذلك لأن سرعة الشك تتناسب طرديا مع درجه الحرارة، فبزيادة درجة الحرارة يقل زمن اللازم لحدوث الشك. ومن العيوب أيضا انه في حالة الطرق الغير ممهدة يحدث ما يمسى بال الانفصال الحبيبي وهو انفصال مواد الخرسانه عن بعضها، مما يؤدي ال ضعف مقاومتها بعد الشك. ويجب أن تقلب الخرسانة ببطء داخل اسطوانة العربة الناقلة أثناء النقل لمنع انفصال مواد الخرسانة أو تماسكها.
طريقة الخلط أثناء النقل
تخلط مكونات الخرسانة بدون ماء في الخلاطة المركزية كما في طريقة الخلط المركزى إلا انه يتم خلط الخرسانة بالماء في العربة الخلاطة إما أثناء النقل لموقع العمل أو قبل الصب مباشرة، من فوائد هذه الطريقة انها تعطى وقتا أكبر في النقل إلا ان عيبها يتمثل في أن سعة العربة الخلاطة عادة تكون حوالي 3/4 سعة العربة الناقلة للخرسانة الجاهزة وذلك لأن خلط مكونات الخرسانة بالماء يقلل من حجمها، كما يجب أن تكون سرعة تقليب الخرسانة أثناء النقل تتراوح بين 2 - 6 دورة / دقيقة للحفاظ على قوام الخرسانة.
خواص الخرسانة المتصلدة
] مقاومة الضغط
تعد مقاومة الضغط هي أهم خواص الخرسانة المتصلدة على الإطلاق وهي تعبر عن درجة جودتها وصلاحيتها، ومقاومة الضغط هي المقاومة الأم للخرسانة حيث أن معظم الخواص والمقاومات الأخرى مثل الشد والانحناء والقص والتماسك مع حديد التسليح تتحسن وتزيد بزيادة مقاومة الضغط والعكس صحيح. لذلك يجرى اختبار الضغط بغرض التحكم في جودة إنتاج الخرسانة في موقع المشروع كما يستخدم هذا الاختبار في أغراض التصميم الإنشائى لتحديد المقاومة المميزة وإجهاد التشغيل للخرسانة في الضغط الذي يؤخذ كنسبة من المقاومة القصوى للضغط. كما يفيد اختبار الضغط في تحديد صلاحية الحصو والرمل وماء الخلط للتعرف على تأثير الشوائب التي قد توجد بهما على مقاومة الضغط- للخرسانة. والواقع حالياً أن مقاومة الضغط لخرسانة المنشآت التقليدية تتراوح بين250-350 كجم/سم²
أما بالنسبة للمنشآت الخاصة والوحدات سابقة التجهيز فمقاومة الضغط تزيد عن ذلك وتصل إلى 500 كجم/سم²
والوحدات الخرسانية سابقة الإجهاد يجب أن تكون ذات مقاومة للضغط تزيد عن 400كجم/سم² وقد تصل إلى 600 كجم/سم².
مقاومة الشدtension
اختلاف مقاومة الشد باختلاف عمر الخرسانة
تتحمل الخرسانة العادية المتصلدة مقاومة الضغط بدرجة كبيرة ولذلك يجرى تصميم الخرسانة باعتبارها تقاوم إجهادات الضغط أساساً أما بالنسبة لمقاومتها لقوى الشد (سواء المباشر أو غير المباشر) فإنها تعتبر ضعيفة المقاومة للشد إذا ما قورنت بمقاومتها للضغط ومع ذلك إهتم الباحثون بمقاومة الشد في الخرسانة لأن حدوث معظم التشققات والشروخ فيها ناتج عن صغر مقاومتها للشد. ومقاومة الشد في الخرسانة تتراوح ما بين 7 % إلى14 % من مقاومتها للضغط أى بنسبة متوسطة قدرها10 % وتختلف هذه النسبة تبعاً لعمر الخرسانة. كذلك تعتمد هذه النسبة على رتبة الخرسانة.
ويلاحظ أنه كلما زادت مقاومة الخرسانة للضغط كلما قلت الزيادة النسبية لمقاومة الشد إلى أن تصل مقاومة الضغط إلى حوالي 800 كجم/سم² عندها تصل مقاومة الشد إلى أقصى قيمة لها والتي تتراوح من 60 إلى 70 كجم/سم².
مقاومة الانحناء
عندما تتعرض كمرة خرسانية للإنحناء فإنه يمكن حساب مقاومة الإنحناء (التي تعتبر أيضاً مقياساً لمقاومة الشد غير المباشر) وتسمى معاير الكسر في الإنحناء وتتراوح قيم إجهادات معاير الكسر في الإنحناء بين 12 % - 20 % من مقاومة الضغط. وبالتالى فإن مقاومة الإنحناء تزيد عن مقاومة الشد للخرسانة بنسبة من 60 إلى 100 %. وعموماً تؤخذ مقاومة الشد للخرسانة مساوية ل 60 % من قيمة مقاومة الإنحناء. ومن ذلك يتضح أن مقاومة الإنحناء تزيد عن مقاومة الشد بحوالي 40 %. ويجرى اختبار الإنحناء لتعيين مقاومة الخرسانة المتصلدة للإنحناء ودراسة سلوك الكمرات الخرسانية عند تعرضها لأحمال إنحناء وكذلك شكل الكسر الناتج عن انهيار هذه الكمرات.
مقاومة القص sheer
قوى القص المباشرة هي قوتين متساويتين ومتوازيتين تؤثران على مستويين على مسافة صغيرة جداً من بعضهما. تكون دائما مصحوبة بعزم إنحناء أى بإجهادات شد وضغط لذلك فمن النادر إجراء اختبار مقاومة القص المباشر للخرسانة وخصوصاً أنه في استعمالات الخرسانة نادراً ما تتعرض للقص الخالص وإنما تتعرض للقص المصحوب بإنحناء. ولقد وجد أن مقاومة القص في الخرسانة أكبر من مقاومتها للشد بحوالي 20 إلى 30 % أى أنها حوالي 10 إلى 12 % من مقاومة الضغط.
معالجة الخرسانة
ولكن في جميع الأحوال ما عدا بعض التطبيقات الهامة، يجب أن تتم العناية بصورة متقنة حتى تتم معالجة الخرسانة جيدا، وتحقيق أفضل قوة وصلابة.يتم هذا بعد أن يتم صب الاسمنت. يحتاج الأسمنت إلى الترطيب، التحكم في البيئة المحيطة لاكتساب القوة والتصلب بشكل كامل امر ضرورى. مزيج الاسمنت يتصلب مع مرور الزمن، في البداية يكون سائلا ثم يصبح صلبا وان كان ضعيفا جدا، ويزداد قوة في الأيام والأسابيع التالية. بعد حوالي 3 أسابيع، عادة ما يتم التوصل إلى أكثر من 90 ? من قوته النهائية، على الرغم من أنه قد يلزم عدة عقود من أجل تعزيز هذه القوة. الاماهة والتصلب للخرسانة خلال الأيام الثلاثة الأولى أمر بالغ الأهمية.التجفيف السريع بصورة غير طبيعية والانكماش نتيجة لعوامل مثل التبخر بفعل الرياح عند الصب قد يؤدي إلى زيادة اجهاد الشد في الوقت الذي لم يحصل بعد على قوة كبيرة، مما يؤدى إلى مزيد من التشقق الناجم عن الانكماشات. يمكن زيادة القوة في وقت مبكر بابقائه رطبا لفترة أطول خلال عملية المعالجة. التقليل من الإجهاد قبل المعالجة يقلل من التكسر. تزداد قوة الخرسانة لمدة تصل إلى ثلاث سنوات. ذلك يعتمد على ابعاد المقطع العرضي للمبنى وشروط استغلال الهيكل.. خلال هذه الفترة يجب أن تكون الخرسانة في ظروف ذات درجة حرارة ورطوبة متحكم بها. في الممارسة العملية، يتحقق ذلك عن طريق الرش أو غمر سطح الخرسانة بالماء، مما يوفر الحماية الشاملة من الآثار السيئة للظروف المحيطة. الصور تظهر اثنين من العديد من الطرق لتحقيق ذلك، الغمر والتغليف البلاستيكى(لمنع تبخر المياه). المعالجة بشكل صحيح تؤدي إلى زيادة القوة وانخفاض النفاذية، واتقاء تكسر السطح حين يجف قبل الأوان. ويجب أيضا الحرص على تجنب التجمد أو تسخين الاسمنت (استخدم في سد هوفر أنابيب تحمل المبرد أثناء الإعداد لتجنب إلحاق الضرر بالخرسانة). عدم المعالجة السليمة يمكن ان تؤدي إلى انخفاض قوة الخرسانة، وضعف المقاومة للتآكل والتشقق.