خصائص الخرسانة

يتميز الخرسانة بمقاومة ضغط عالية نسبيًا (مقاومة للكسر عند الضغط)، ولكن بمقاومة شد أقل بكثير (مقاومة للكسر عند الشد). تُضبط مقاومة الضغط عادةً بنسبة الماء إلى الإسمنت عند صب الخرسانة، بينما تُزاد مقاومة الشد بإضافة مواد، كالفولاذ عادةً، لإنتاج الخرسانة المسلحة. بعبارة أخرى، تتكون الخرسانة من الرمل (وهو ركام ناعم)، والحصى (وهو ركام خشن)، والإسمنت (وهو مادة رابطة)، والماء (وهو مادة مضافة).

يتمتع الخرسانة بمقاومة ضغط عالية نسبيًا ، لكن مقاومتها للشد أقل بكثير . ونتيجة لذلك، وبدون تعويض، ستنهار الخرسانة دائمًا تقريبًا تحت تأثير إجهادات الشد حتى عند تعرضها للضغط. ويترتب على ذلك عمليًا ضرورة تسليح العناصر الخرسانية المعرضة لإجهادات الشد بمواد قوية في الشد (غالبًا الفولاذ). وتكون مرونة الخرسانة ثابتة نسبيًا عند مستويات الإجهاد المنخفضة، لكنها تبدأ بالتناقص عند مستويات الإجهاد العالية مع تطور تشققات المادة الأساسية. تتميز الخرسانة بمعامل تمدد حراري منخفض جدًا ، ومع مرور الوقت تنكمش. وستتشقق جميع المنشآت الخرسانية إلى حد ما، نتيجة للانكماش والشد. وتكون الخرسانة المعرضة لقوى طويلة الأمد عرضة للزحف . وتختلف كثافة الخرسانة، لكنها تبلغ حوالي 2400 كيلوغرام لكل متر مكعب (150 رطل/ قدم مكعب) . ^{[ 1 ]}  

الخرسانة المسلحة هي أكثر أنواع الخرسانة شيوعًا. غالبًا ما يكون التسليح عبارة عن قضبان فولاذية (شبكية، حلزونية، قضبان، وغيرها). تتوفر ألياف إنشائية من مواد مختلفة. يمكن أيضًا إجهاد الخرسانة مسبقًا (لتقليل إجهاد الشد ) باستخدام كابلات فولاذية داخلية (أوتار)، مما يسمح بإنشاء عوارض أو بلاطات ذات امتداد أطول مما هو عملي باستخدام الخرسانة المسلحة وحدها. يمكن أن يكون فحص المنشآت الخرسانية القائمة غير مُتلف إذا تم إجراؤه باستخدام معدات مثل مطرقة شميدت ، والتي تُستخدم أحيانًا لتقدير قوة الخرسانة النسبية في الموقع.

تتأثر قوة الخرسانة القصوى بنسبة الماء إلى المواد الرابطة (w/cm) ، ومكونات التصميم، وطرق الخلط والصب والمعالجة المُستخدمة. وبافتراض تساوي جميع العوامل، فإن الخرسانة ذات نسبة الماء إلى المواد الرابطة المنخفضة تكون أقوى من تلك ذات النسبة الأعلى. ^{[ 2 ]} ويمكن أن تؤثر الكمية الإجمالية للمواد الرابطة ( الأسمنت البورتلاندي ، أسمنت الخبث ، البوزولان ) على القوة، واحتياج الماء، والانكماش، ومقاومة التآكل، والكثافة. جميع أنواع الخرسانة معرضة للتشقق بغض النظر عن كفاية مقاومتها للضغط. في الواقع، قد تتشقق الخلطات ذات المحتوى العالي من الأسمنت البورتلاندي بسهولة أكبر بسبب زيادة معدل التفاعل مع الماء. عندما تتحول الخرسانة من حالتها اللدنة إلى الحالة الصلبة، فإنها تنكمش. قد تظهر تشققات الانكماش اللدن بعد الصب مباشرة، ولكن إذا كان معدل التبخر مرتفعًا، فقد تظهر أثناء عمليات التشطيب، على سبيل المثال في الطقس الحار أو في يوم عاصف.

في الخلطات الخرسانية عالية المقاومة (أكثر من 70 ميجا باسكال)، قد تُشكل مقاومة التكسير للركام عاملاً مُحدداً لمقاومة الضغط القصوى. أما في الخرسانة قليلة المحتوى (ذات نسبة عالية من الماء إلى الإسمنت)، فلا تُعد مقاومة التكسير للركام ذات أهمية كبيرة. وتُشكل قوى الضغط في الغالب القوى الداخلية في الأشكال الإنشائية الشائعة، كالأقواس والقباب والأعمدة والجدران ، بينما تتعرض الأرضيات والأرصفة لقوى الشد. وتُستخدم مقاومة الضغط على نطاق واسع في تحديد متطلبات المواصفات ومراقبة جودة الخرسانة. ويعرف المهندسون متطلبات الشد (الانحناء) المستهدفة، ويُعبرون عنها بدلالة مقاومة الضغط.

ذكر موقع Wired.com في 13 أبريل 2007 أن فريقًا من جامعة طهران ، مشاركًا في مسابقة برعاية المعهد الأمريكي للخرسانة ، قدّم عدة قوالب خرسانية ذات مقاومة ضغط عالية بشكل غير عادي، تتراوح بين 340 و410 ميجا باسكال (49000 و59000 رطل لكل بوصة مربعة) بعد 28 يومًا. ^{[ 3 ]} ويبدو أن هذه القوالب مصنوعة من ركام من ألياف فولاذية وكوارتز ، وهو معدن ذو مقاومة ضغط تبلغ 1100 ميجا باسكال، وهي أعلى بكثير من الركام عالي المقاومة التقليدي مثل الجرانيت ( 100-140 ميجا باسكال أو 15000-20000 رطل لكل بوصة مربعة). ويمكن أن تكون الخرسانة المسحوقة التفاعلية، والمعروفة أيضًا بالخرسانة فائقة الأداء، أقوى من ذلك، حيث تصل مقاومتها إلى 800 ميجا باسكال (116000 رطل لكل بوصة مربعة). ^{[ 4 ]} تُصنع هذه الخرسانة عن طريق إزالة الركام الكبير تمامًا، والتحكم الدقيق في حجم الركام الناعم لضمان أفضل تماسك ممكن، وإضافة ألياف فولاذية (تُنتج أحيانًا عن طريق طحن الصوف الفولاذي) إلى المادة الأساسية. كما يمكن استخدام غبار السيليكا كركام ناعم في الخرسانة المسحوقة التفاعلية.    

معامل مرونة الخرسانة هو دالة لمعامل مرونة الركام ومصفوفة الأسمنت ونسبهما. يكون معامل مرونة الخرسانة ثابتًا نسبيًا عند مستويات الإجهاد المنخفضة، ولكنه يبدأ بالتناقص عند مستويات الإجهاد العالية مع تطور تشققات المصفوفة. قد يتراوح معامل مرونة العجينة المتصلبة بين 10 و30 جيجا باسكال، بينما يتراوح معامل مرونة الركام بين 45 و85 جيجا باسكال. أما معامل مرونة الخرسانة المركبة فيتراوح بين 30 و50 جيجا باسكال.

يسمح المعهد الأمريكي للخرسانة بحساب معامل المرونة باستخدام المعادلة التالية: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle E_{c}=33w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}}$ ( psi )

أين

${\displaystyle w_{c}=}$وزن الخرسانة (بالرطل لكل قدم مكعب) ومكان${\displaystyle 90{\frac {\textrm {lb}}{{\textrm {ft}}^{3}}}\leq w_{c}\leq 155{\frac {\textrm {lb}}{{\textrm {ft}}^{3}}}}$

${\displaystyle f'_{c}=}$مقاومة الخرسانة للضغط بعد 28 يومًا (psi)

هذه المعادلة تجريبية بالكامل وليست مبنية على نظرية. لاحظ أن قيمة E _{_c} المحسوبة بوحدة رطل/بوصة مربعة (psi). بالنسبة للخرسانة العادية (المعرفة بأنها خرسانة ذات كثافة ماء ( w _{_c)} تبلغ 150  رطل/قدم ^³، مع طرح 5  رطل/قدم< sup> ³ </sup> للصلب) ، يُسمح بأخذ قيمة E _{_c كما يلي:}${\displaystyle 57000{\sqrt {f'_{c}}}}$.

يُعدّ دليل تصميم عامل الحمل والمقاومة الصادر عن الجمعية الأمريكية لمسؤولي الطرق السريعة والنقل (AASHTO) ، أو ما يُعرف اختصارًا بـ "LRFD"، المرجعَ الذي يستخدمه مهندسو الجسور الإنشائية. ومن خلال القسم 5.4.2.4 من دليل LRFD، يتم تحديد قيمة E _{c كما يلي:}

${\displaystyle E_{c}=33000K_{1}w_{c}^{1.5}{\sqrt {f'_{c}}}}$( ksi )

أين

${\displaystyle K_{1}=}$معامل تصحيح المصدر الإجمالي (يُعتبر 1.0 ما لم يُحدد خلاف ذلك)

${\displaystyle w_{c}=}$وزن الخرسانة (كيلو باوند لكل قدم مكعب)، حيث${\displaystyle 0.090{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {ft}}^{3}}}\leq w_{c}\leq 0.155{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {ft}}^{3}}}}$ و ${\displaystyle f_{y}\leq 15.0{\frac {\textrm {kip}}{{\textrm {in}}^{2}}}}$

${\displaystyle f'_{c}=}$قوة الضغط المحددة للخرسانة بعد 28 يومًا (ksi)

بالنسبة للخرسانة ذات الوزن العادي ( w _c = 0.145 كيلوبوند لكل قدم مكعب)، يمكن اعتبار E _{c على النحو التالي:}

${\displaystyle E_{c}=1820{\sqrt {f'_{c}}}}$( ksi )

مع مرور الوقت، يستمر الخرسانة في الانكماش نتيجةً للتفاعلات الكيميائية المستمرة داخلها، على الرغم من أن معدل الانكماش يتناقص بسرعة نسبية ويستمر في الانخفاض مع مرور الوقت (عمليًا، يُعتبر أن الخرسانة لا تنكمش أكثر من ذلك بسبب التفاعل الكيميائي بعد 30 عامًا). ويتطلب الانكماش والتمدد النسبيان للخرسانة والطوب مراعاة دقيقة عند التقاء هذين النوعين من البناء.

ستتعرض جميع المنشآت الخرسانية للتشقق بدرجات متفاوتة. وقد استخدم روبرت مايلارت ، أحد رواد تصميم الخرسانة المسلحة، هذه التقنية في عدد من الجسور المقوسة. كان جسره الأول بسيطًا، معتمدًا على كمية كبيرة من الخرسانة. ثم أدرك أن جزءًا كبيرًا من الخرسانة كان متشققًا بشدة، ولا يمكن أن يكون جزءًا من الهيكل تحت تأثير أحمال الضغط، ومع ذلك فقد كان الهيكل يعمل بكفاءة. في تصاميمه اللاحقة، أزال ببساطة المناطق المتشققة، تاركًا أقواسًا خرسانية رشيقة وجميلة. ويُعد جسر سالجيناتوبيل مثالًا على ذلك.

تتشقق الخرسانة نتيجةً للإجهاد الشدّي الناجم عن الانكماش أو الإجهادات التي تحدث أثناء التصلب أو الاستخدام. وتُستخدم وسائل مختلفة للتغلب على هذه المشكلة. تستخدم الخرسانة المسلحة بالألياف أليافًا دقيقة موزعة في جميع أنحاء الخلطة، أو عناصر معدنية أو غيرها من عناصر التسليح الأكبر حجمًا ، للحد من حجم الشقوق وامتدادها. في العديد من المنشآت الكبيرة، تُوضع فواصل أو شقوق منشار مخفية في الخرسانة أثناء تصلبها، بحيث تظهر الشقوق الحتمية في أماكن يسهل التحكم بها بعيدًا عن الأنظار. تُعد خزانات المياه والطرق السريعة أمثلة على المنشآت التي تتطلب التحكم في الشقوق.

الزحف هو حركة أو تشوه دائم للمادة بهدف تخفيف الإجهادات داخلها. الخرسانة المعرضة لقوى طويلة الأمد تكون عرضة للزحف، بينما لا تُسبب القوى قصيرة الأمد (مثل الرياح أو الزلازل) الزحف. قد يُقلل الزحف أحيانًا من التشققات في الهياكل أو العناصر الخرسانية، ولكن يجب التحكم فيه. يُساهم مقدار التسليح الأساسي والثانوي في الهياكل الخرسانية في تقليل الانكماش والزحف والتشققات.

يحتفظ الخرسانة الإسمنتية البورتلاندية بالماء. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، تسمح بعض أنواع الخرسانة (مثل الخرسانة المسامية ) بمرور الماء، مما يجعلها بدائل مثالية للطرق الإسمنتية ، حيث لا تحتاج إلى تركيب مصارف مياه الأمطار . ^{[ 8 ]}

يُحدد المهندسون عادةً مقاومة الضغط المطلوبة للخرسانة، والتي تُقاس عادةً بمقاومة الضغط بعد 28 يومًا، بوحدة ميجاباسكال (MPa) أو رطل لكل بوصة مربعة (psi). ونظرًا لأن 28 يومًا فترة طويلة لتحديد ما إذا كانت المقاومة المطلوبة ستتحقق، فإن قياس مقاومة الضغط بعد 3 أيام و7 أيام يُعدّ مفيدًا للتنبؤ بمقاومة الضغط النهائية للخرسانة بعد 28 يومًا. غالبًا ما تُلاحظ زيادة في المقاومة بنسبة 25% بين 7 و28 يومًا مع الخلطات المصنوعة من أسمنت بورتلاند العادي (OPC) بنسبة 100%، ويمكن تحقيق زيادة في المقاومة تتراوح بين 25% و40% بإضافة مواد بوزولانية مثل الرماد المتطاير، ومواد إسمنتية تكميلية (SCMs) مثل إسمنت الخبث. وتعتمد الزيادة في المقاومة على نوع الخلطة ومكوناتها، واستخدام المعالجة القياسية، وإجراء الاختبارات المناسبة من قِبل فنيين معتمدين، والعناية بالأسطوانات أثناء النقل. ولأسباب عملية فورية، من الضروري اختبار الخصائص الأساسية للخرسانة بدقة في حالتها الطرية واللدنة.

عادةً ما تُؤخذ عينات من الخرسانة أثناء صبّها، وتتطلب بروتوكولات الاختبار معالجة عينات الاختبار في ظروف مخبرية (معالجة قياسية). قد تُعالج عينات إضافية في الموقع (معالجة غير قياسية) لغرض قياس قوة التصلب المبكر، أي إزالة القوالب، وتقييم المعالجة، وما إلى ذلك، ولكن تُعتبر الأسطوانات المعالجة قياسياً معياراً للقبول. تقيس اختبارات الخرسانة خصائصها "اللدنة" (غير المُرطّبة) قبل وأثناء الصب. ولأن هذه الخصائص تؤثر على مقاومة الضغط بعد التصلب ومتانة الخرسانة (مقاومتها للتجمد والذوبان)، تُراقَب خصائص قابلية التشغيل (الهبوط/الانسياب)، ودرجة الحرارة، والكثافة، والعمر لضمان إنتاج وصبّ خرسانة "عالية الجودة". وبحسب موقع المشروع، تُجرى الاختبارات وفقاً لمعايير الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM International) ، أو اللجنة الأوروبية للتوحيد القياسي ، أو الجمعية الكندية للمعايير . ولأن قياس الجودة يجب أن يُمثّل إمكانات مادة الخرسانة المُسلّمة والمصبوبة، فمن الضروري أن يكون فنيو الخرسانة الذين يُجرون اختبارات الخرسانة مُعتمدين للقيام بذلك وفقاً لهذه المعايير. غالباً ما يتم تحديد التصميم الهيكلي وتصميم مواد الخرسانة وخصائصها وفقاً لقوانين التصميم الوطنية/الإقليمية مثل معهد الخرسانة الأمريكي .

تُجرى اختبارات مقاومة الضغط بواسطة فنيين معتمدين باستخدام مكبس هيدروليكي مزود بأجهزة قياس، تتم معايرته سنويًا بأجهزة يمكن تتبعها إلى مختبر مرجع الأسمنت والخرسانة (CCRL) التابع للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في الولايات المتحدة، أو ما يعادله من مختبرات إقليمية دولية. تكون أحجام العينات القياسية 6 بوصات × 12 بوصة أو 4 بوصات × 8 بوصات، مع اختيار بعض المختبرات استخدام عينات مكعبة. تُضغط هذه العينات حتى تفشل. تُجرى اختبارات مقاومة الشد إما عن طريق ثني ثلاث نقاط لعينة شعاعية موشورية أو عن طريق الضغط على طول جوانب عينة أسطوانية قياسية. يجب عدم مساواة هذه الاختبارات التدميرية بالاختبارات غير التدميرية التي تستخدم مطرقة ارتداد أو أنظمة مجسات يدوية، وهي مؤشرات لقياس المقاومة النسبية للطبقات العلوية القليلة من الخرسانة في الموقع. ^{[ 9 ]}

تؤدي درجات الحرارة المرتفعة فوق 300 درجة مئوية (572 درجة فهرنهايت) إلى تدهور الخواص الميكانيكية للخرسانة، بما في ذلك مقاومة الضغط، ومقاومة الكسر، ومقاومة الشد، ومعامل المرونة، وذلك فيما يتعلق بالتأثير الضار على التغيرات الهيكلية. ^{[ 10 ]}  

• الفصل في الخرسانة - تطبيقات فصل الجسيمات في الخرسانة
• زحف وانكماش الخرسانة