تعرف على الخرسانة ومكوناتها بشكل مفصل

في عالم الهندسة المدنية، تتفتح أمامنا أبواب إبداع لا حدود لها، وفي قلب هذا الإبداع تتلألأ الخرسانة كنجمة لامعة في سماء الإنشاءات. إنها ليست مجرد خليط من المواد، بل هي اللغة التي تتحدث بها المنشآت، لذا مما لاشك فيه ان الخرسانة هي أهم بُنيان على المهندس المدني إدراكه والتعمق في معرفته وعلمه ومن هنا نأتي لك بهذا المقال من موقع الهندسة ليكُن دليلك في فهم البُنيان الخرساني.

الخرسانة العادية والخرسانة المسلحة

كلمة الخرسانة Concrete لغوياً تعني “صلب ومتماسك” وعلمياً تعني “حجر بناء صناعي Artificial Building Stone” ويتم إطلاق كلمة خرسانة على أي بنيان مركب من ركام aggregate ومادة رابطة Blinder .

تعريف الخرسانة

يمكن تعريف الخرسانة على انها خليط من الرمل وكسر الأحجار أو اي نوع آخر من الركام  aggregate يتماسك مع بعضه بواسطة عجينه من الأسمنت والماء وسنتعرف فيما يلي عن سبب وجود الماء في الخرسانة وأحياناً يضاف إلى ذلك الخليط إضافات – Admixture لتغير بعض الخصائص في الخليط مثل التحمليلية -Durability أو التشغيلية – Workability أو وقت الشك – Time of Harding .

مميزات الخرسانة

1. لا تحتاج إلى صيانه عالية بعكس المنشآت المعدنية مما يقلل من تكلفة التشغيل.
2. رخيصة واقتصادية نسبياً حيث يشكل الرمل وكسر الأحجار والماء 85% من مكونات الخرسانة.
3. مادة تقليدية تعودنا على استخدامها من سنين طويله بالتالي سلوكها اصبح واضح ومعروف
4. ذات مقاومة انضغاط عالية بالنسبة لتكلفتها مقارنة بالمواد الأخرى .
5. مقاومة جيدة للحريق .
6. ذات مقاومة ممتازة للماء حيث هي الأفضل في المنشآت المائية .
7. يمكن صبها وتشكيلها بأشكال مختلفه .
8. عمرها الإفتراضي كبير نسبياً.
9. لا تتأثر بالآشعه فوق البنفسجية
10. تُعد كمادة تحمي حديد التسليح من الصدأ
11. لايصيبها العفن
12. يمكن انتاج أنواع عديده منها :
    – الخرسانة الخفيفية – lightweight concrete
    – الخرسانة ذاتية الدمك –  self compacting concrete
    – والخرسانة الكتلية – Mass Concrete
    – الخرسانة عالية المقاومة – High strength concrete
    – الخرسانة سابقة الإجهاد – prestressed concrete

عيوب الخرسانة

1. مادة قصفة غير مطيلة ويظهر ذلك في ضعف مقاومتها للشد والقص .
2. مادة غير  متجانسة Non-homogenous بمعنى خواصها ليست ثابتها في كل نقطة .
3. تعاني من الشروخ الشعرية التي يسببها انكماش الجفاف .
4. وجود فراغات بها يسمح بمرور الغازات والسوائل من خلالها .
5. ذات مقاومة منخفضه بالنسبة لوزنها .
6. يجب ان تظل الشدة في الموقع حتى تتصلد الخرسانة وفي العادة تكون الشدة ضات تكلفة عالية .
7. لا يمكن فك المنشآت الخرسانية ونقلها على عكس المنشآت المعدنية .
8. صعوبة إجراء التعديل بعد التنفيذ على عكس .
9. صعوبة إنشاء توسيعات مستقبلية .
10. العمالة في الإلب غير مدربة مما يؤدي لضعف عملية ضبط الجودة .
11. في حالة عدم وجود مياه للمعالجه المبكره سنحتاج إلى مواد كيميائية وتكون تكلفتها عاليه جداً .
12. ثقل وزن المنشأ يضعف من مقاومة الخرسانة للزلازل والإهتزاز بعكس المنشآت المعدنية .

تعريف الخرسانة المسلحة

ومثل أي مادة صخرية أو قصفه تعد الخرسانة قوية جداً في الضغط وضعيفة جداً في الشد لذلك كان لابد من  تدعيم هذه الخرسانة بمادة أخرى تحسن من نقاط ضعفها واشهر المواد التي تم استخدامها لتسليح الخرسانة هو حديد التسليح Steel Reinforcement الذي أثبت كفاءة عالية جداً في تدعيم الحرسانة وسنتعرف فيما يلي عن سبب توافق الحديد مع الخرسانة .

إذاً يمكن تعريف الخرسانة المسلحة على أن هي دمج كلا من الخرسانة وحديد التسليح بهدف تحسين ضعف الخرسانة في الشد، ومن هنا علينا التنويه ان حديد التسليح له وظائف اخرى منها مقاومة الضغط فنجده مثلاً يتم استخدامه في الأعمدة وفي مواضع أخرى وهذا ما سنتطرق إليه بالشرح في الفقرات القادمة.

قد يهمك : كتاب فلسفة التصميم الإنشائي للمنشآت الخرسانية

لماذا نضع الحديد في الخرسانة ؟

1. لمقاومة الشد في الخرسانة .
2. لمقاومة اجهادات الشد الناتجه عن قوة القص في الكمرات .
3. ولمقاومة قوة الإنضغاط عند الرغبة في تقليص ابعاد القطاع .
4. لمقاومة العزوم في الأعمدة الطويلة، حيق يكون العمود معرض لقوة انحناء بالإضافه للقوة المحورية.
5. أيضاً لمقاومة العزوم التي نهملها في الأعمدة القصيرة نتيجة لامركزية الأحمال .
6. لزيادة الممطولية – Ductility .

التوافق بين الحديد والخرسانة

يعمل كلا من الحديد والخرسانة معاً بشكل متناغم في منشآت الخرسانة المسلحة فمزايا كل مادة تعوض عيوب المادة الاخرى فنجد على سبيل المثال:

1. الخرسانة ضعيفة في الشد بينما مقاومة الشد هي اكبر مزايا التسليح اذ ان مقاومة الشد في التسليح تساوي 100 مره مقاومة الشد في الخرسانة .
2.  تترابط كلا المادتين معاً بشكل جيد جداً وذلك نتيجة التماسك الكيميائي بين المادتين مما يجعلهم يعملا معاً كوحدة واحدة في مقاومة القوى .
3. واسياخ التسليح تتعرض للصدأ لكن الخرسانة المحيطة بها تمدها بالحماية الكافية .
4. مقاومة الحديد للحريق ضعيفة جداً فعندما تصل درجة حرارة الحديد إلى 600 º فان قدرة تحملة تقل إلى النصف وعند وصول درجة الحرارة إلى 1200 فإن الحديد ينصهر مع العلم بأن درجة الحرارة في المباني اثناء الحريق تصل إلى 1000 وقد يدوم الحريق إلى ساعات ولكن وجود الخرسانة حول حديد التسليح يحقق مقاومة عالية للحرائق .
5. الخرسانة والتسليح يعملان معاً بشكل جيد عند تغير درجات الحرارة لأن معامل التمدد الحراري لكلا المادتين قريب جداً من الآخر فنجد أن معامل التمدد الحراري للصلب ( 1.2×10^-5 ) لكل درجة مئوية بينما يتراوح معامل التمدد الحراري للخرسانة كقيمة متوسطة ( 1.1×10^-5 )

اعتبارات استخدام حديد التسليح

• لايجب استخدام حديد عالي المقاومة – High Tensile Steel مع الخرسانة منخفضة المقاومة – Low Characteristic Strength  وذلك للأسباب التالية :- يؤدي استخدام حديد عالي المقاومة لإجهادات عالية في الحديد وبالتالي سيكون الإنفعال كبير مما سيؤدي لزيادة عرض الشروخ .- ضعف مقاومة الخرسانة يؤدي الى ان يكون الترابط بين الحديد والخرسانة ضعيف وبالتالي سيؤدي لزيادة الشروخ واتساع عرضها .

الفرق بين المنشآت الخرسانية والمنشآت المعدنية

عند البدء في تحديد نوع المنشأ فاننا نوجه أنفسنا بسؤال محير هل الأفضل استخدام منشأ معدني ام منشأ خرساني ؟

في الحقيقة لاتوجد إجابة بسيطة على مثل هكذا سؤال حيث ان كلا المادتين تمتلك مزايا رائعة تمكنا من استعمالها بتجاح في أنواع عديدة من المنشآت لكن من الطريف ان نجد المتعصبين للمنشآت الخرسانية يهاجمون المنشآت المعدنية ويتهمونها بأنها تصدأ والمتعصبين للمنشآت المعدنية يهاجمون المنشآت الخرسانية ويتهمونها بأنها عند تعرضها لإجهادات زائدة فانها سرعان ماتنهار وتعود لحالتها ( زلط – رمل ). ولكن ان دل هذا على شيئ فهو ضعف موقف الطرفين لأن السبب الحقيقي للتعصب هو عدم الإلمام الكامل بالتصميم .

اختيار مادة المنشأ تعتمد على عدة عوامل منها :

• ارتفاع وبحر المنشأ
• توافر المادة
• حالة التأسيس
• كود البناء المحلي
• الإعتبارات المعمارية
• عنصر الوقت

لذا نجد ان حالة التأسيس غالباً ما تؤثر في اختيار المادة المستخدمة فإذا كانت التربة ضعيفة نحتاج إلى منشأ خفيف كما ان الكود المستخدم في المنطقة قد يرجح مادة على الأخرى فعلى سبيل المثال نجد أن الأكواد الخاصه بالبلدان الشائع فيها الحرائق تفضل الخرسانة المسلحة في جميع أنواع المنشآت عن الحديد لذا الأمر ليس إلا عوامل نأخذها في الإعتبار ومنها يتم اتخاذ القرار .

قد تجد ذلك مفيداً: سوق العمل في مجال الهندسة المدنية

مكونات الخرسانة في البناء

تتكون الخرسانة من مادتين أساسيتان هما عجينة الأسمنت – Cement Paste والركام – Aggregate والقليل من الفراغات والشكل التالي يوضح نسب مكونات الخرسانة :

تعريف الأسمنت

كلمة Cement لغوياً تعني لصق او ربط لذلك يجب ان لا نقول cement فقط وانما يجب ان نعرف الأسمنت ونقول Portland cement  حيث ان المواد الأسمنتيه او اللاصقة كثيرة مثل الجبس والايبوكسي وغيره من المواد .

من المهم معرفة ان الأسمنت لايذوب في الماء ولكنه يتفاعل كيميائياً مع الماء ليكون مركبات اخرى تكون المادة الرابطة Blinder  ويسمى هذا التفاعل Hydration وقد نقلت كلمة Hydration الى العربية بوصفها اماهه وذلك التعريب غير دقيق لأن اماهة تعني بلل الشيئ وذلك لايعبر عن التفاعل بين الأسمنت والماء .

مكونات الأسمنت

يتكون الأسمنت من العديد من الأكاسيد وعند تفاعله مع الماء او مايعرف بعملية الإماهة تنتج اربعة مركبات رئيسية هي:

1. سيليكيات ثنائي الكالسيوم (C2S) بنسبة 25%
2. سيليكيات ثلاثي الكالسيوم (C3S) بنسبة (25-45)%
3. الومينات ثلاثي الكالسيوم (C3A) بنسبة (8-12)%
4. الومينات حديد رباعي الكالسيوم (C4AF) بالنسبة للمتبقية

أولاً : المركبان سليلكيات ثنائي الكالسيوم وسيليكات ثلاثي الكالسيوم مسؤلان عن الربط والمقاومة ويمثلان 75% من مكونات الأسمنت اي ان أساس الأسمنت هو عنصري الكالسيوم والسليكا .

ثانياً: المركبان الومينات ثلاثي الكالسيوم والومينات حديد رباعي الكالسيوم يعتبرا شوائب في الأسمنت ويمثلا 25 % من الأسمنت .

ثالثاً: المركبان الومينات الكالسيوم وسيليكات ثلاثي الكالسيوم مسؤلان عن الحرارة الإبتداية والمقاومة المبكرة حيث انهم أول مركبات تتفاعل .

رابعاً: المركب ثنائي سيليكات الكالسيوم مسئول عن المقاومة النهائية

خامساً: المركب الومينات ثلاثي الكالسيوم مسئول عن مقاومة الخرسانة للكبريتات حيث انه يتفاعل معها وبالتالي كلما زادت نسبة ذلك المركب كلما ذاد تفاعله مع الكبريتات، لذلك يجب تقليل النسبة الومينات ثلاثي الكالسيوم في الأسمنت المقاوم للكبريتات .

أنواع الأسمنت

• أسمنت طبيعي : ويكون في المناطق البركانية مثل إيطاليا واليونان .
• اسمنت صناعي: ويتم صناعته من :
  1- الطفلة Clay : ونحصل منه على السيلكا .
  2- الحجر الجيري Lime stone: ونحصل منه على الكالسيوم .

أنواع الأسمنت وفقاً لهيئة المواد الأمريكية ASTM

من المهم الإشارة لأن الأسمنت ينقسم إلى أسمنت طبيعي ويكون في المناطق البركانية مثل إيطاليا واليونان والقسم الآخر وهو أسمنت صناعي ويتم صناعته من الطفله والحجر الجيري، لوكن وفقاً لتقسيم هيئة اختبار المواد الأمريكية أنواع الأسمنت هي :

اسمنت بورتلاندي عادي ( ordinary Portland cement )

يستخدم في الظروف الطبيعية مع المنشآت التي لايتطلب انشائها متطلبات خاصة او لاتتعرص لأي مهاجة كيميائية ( كلوريدات او كبريتات ) ويعد ذلك النوع من الأسمنت الأكثر شيوعاً واستخداماً حيث يشكل نحو اكثر من 90% من استخدام الأسمنت.

أسمنت بورتلاندي متوسط ( Moderate sulphate resisting cement )

هو اسمنت متوسط بين اسمنت بورتلاندي عادي واسمنت اسمنت  وبرتلاندي مقاوم للكبريتات وذلك بالنسبة للحراره ومقاومة الكبريتات اي تكون فيه نسبة (C3A) متوسطة حيث ذلك المركب هو المسئول عن الحرارة الإبتدائية والتفاعل مع الكبريتات ويستخدم هذا النوع من الأسمنت في الحالات التالية :

1. عند التعرض لمهاجمة متوسطة للكبريتات
2. عند التعرض لمهاجمة مزدوجه من الكلوريدات والكبريتات في حالة عدم وجود اسمنت خبث .

اسمنت بورتلاندي سريع التصلد ( Rapid Hardening cement or hygh early strength  )

هو اسمنت ذو نعومة عالية تكون فيه نسب مركب سيليكات ثلاثي الكالسيوم ( C3S )عالية ( عمليا هو اسمنت بورتلاندي عادي تم طحنه مره إضافية ) لذلك تكون مقاومته المبكرة عالية وكذلك حرارته عاليه جداً اثناء التفاعل لذلك لايستخدم هذا النوع في الحالات التالية :

1. الخرسانة الكتلية Mass Concrete
2. والقطاعات ذات السمك الكبير الأكبر من 0.5 متر
3. الأجواء الباردة حتى لايكون هناك فروق كبيره في درجة الحرارة

ويستخدم هذا النوع في الحالات التالية :

1. عندما نريد فك الشدة مبكراً وذلك للإنشاء السريع .
2. في الخرسانة سابقة الصب في المصانع حييث تتوافر المعالجة المناسبة .

يشاهد الزوار أيضاً: ماهي أعمال الجسات للتربة وطرق تنفيذها في الموقع

اسمنت بورتلاندي منخفض الحرارة ( Low Heat Cement )

هو اسمنت تقل فيه نسسبة كلا من المركبان الومينات ثلاثي الكالسيوم (C3A) وسيليكات ثلاثي الكالسيوم (C3S) وهم المسئولان عن الحراره الإبتدائية والمقاومة المبكرة لذلك تنخفض حرارة التفاعل الإبتدائية وبه كذلك تنخفض المقاومة المبكرة وتتحسن مقاومتة للكبريتات لإنخفاض مركب (C3A) وفي المقابل تزداد نسبة مركب سيليكات ثنائي الكالسيوم ( C2S) المسئول عن المقاومة النهائية لذلك يتم استخدام هذا النوع في المنشآت الكتلية وخاصة منشآت الري .

قد يكون هذا النوع غير متوفر عالمياً حيث ينتج في مصنعين فقط واحد في اوروبا والآخر في أمريكا ولكن إذ لم يتوافر ذلك النوع من الأسمنت يتم استخدام اسمنت بورتلاندي متوسط وان لم يكن متوفر نستخدم اسمنت بورتلاندي مع استخدام مادة بيزولامية مثل السليكا فيوم .

اسمنت بورتلاندي مقاوم للكبريتات ( Sulphate Resisting Cement )

هو اسمنت تقل فيه نسب المركب الومينات ثلاثي الكالسيوم (C3A) عن نسبة معينة حددتها المواصفات الأمريكية بنسبة 5% من وزن الأسمنت وحددتها المواصفات البريطانية والمصرية بنسبة 3.5% وذلك لتحسين مقاومة الخرسانة للكبريتات حيث ان مركب (C3A) هو الذي يتفاعل مع الكبريتات الخارجية مما يؤدي لخفض المقاومة المبكرة لذلك يجب علينا مراعاة التالي:

1. يجب زيادة مدة فك الشدة عن المدة المعتادة عند استخدام اسمنت بورتلاندي عادي .
2. عند استخدام اضافات مؤجلة للشك يجب الإلتزام بالجرعه المقررة حسب المواصفات ولا لن تشك او تتصلد الخرسانة .

وعادة مايتم استخدام هذا النوع في حالة وجود مهاجمة بالكبريتات .

أنواع اخرى من الأسمنت :

توجد انواع اخرى من الأسمنت ولكن هذه الأنواع استخدامها قليل جداً مقارنة بباقي انواع الأسمنت واهم هذه الأنواع :

• أسمنت الخبث Slag Cement

هو اسمنت يستخدم في صناعته خبث الحديد الناتج من صناعة الصلب حيث يحتوي تقريباً على نفس الأكاسيد التي تكون الأسمنت ويوجد منه أنواع عديدة اهم انواعه هو الأسمنت العالي المقاومة لتحمل الكبريتات حيث يتميز ذلك بتحمله العالي للكبريتات ومقاومتته المبكرة ولكن للأسف استخداماته قليله وغير متوافر في الأسواق .

• الأسمنت الأبيض

هو اسمنت تقل  فيه نسبة أكسيد الحديد مادة Ferrate  في مركب الومينات حديد رباعي الكالسيوم إلى اقل من 0.5% حيث ان المعلوم ان مادة اكسيد الحديد هي المسئوله عن اللون الرمادي للأسمنت لذا يتم استخدام هذا النوع في الأعمال المعمارية وأعمال الديكور .

الركام

يمثل الركام حوالي من 75-80 % من مكونات الخرسانة وينقسم الركام الى نوعين رئيسين هما :

1. ركام كبير Course Aggregate : وهو عبارة عن زلط وكسر أحجار وله اشتراطات عديدة ولكن مايهمنا منها هو تامقاس الإعتباري للركام الأكبر .
2. ركام ناعم Fine Aggregate : وهو عبارة عن رمل حجمه أقل من 5 mmوالا اعتبر ركام كبير .

من أهم خواص الركام ان لايتفاعل مع الأسمنت ولا الماء ولا الحديد ويكون نظيف أيضاً

المقاس الإعتباري الأكبر للركام

ينص الكود المصري على انه يجب الا يتعدى المقاس الحبيبي الأكبر للركام الكبير (D) خمس البعد الأصغر بين جانبي شدة القطاع الخرساني او ثلث سمك البلاطة الخرسانةي او ثلثي المسافة الخالصة بين اسياخ التسليح وان لايزيد بأي حال من الأحوال عن 38mm .

وهكذا نكون قد وصلنا إلى نهاية مقالنا التي تناولنا فيها أهم المعلومات التي عليك فهمها وادراكها جيداً عن الخرسانة، انت مهندس إذاً لابد عليك من فهم المواد التي تعمل بها جيداً لتتمكن من حل المشاكل والتحديات التي ستواجهك بها مستقبلاً، والآن يُسعدنا دعوتكم لمتابعتنا على وسائل التواصل الإجتماعي من خلال النقر على الزر الأحمر :

تابعونا من هنا