الخرسانة المشبعة بالبوليمر

ما هي الخرسانة المشبعة بالبوليمر؟

تُظهر الخرسانة المشبعة بالبوليمر الأكثر استخدامًا، بولي ميثيل ميثاكريلات والبوليسترين، ليونة قليلة. غالبًا ما تكون القوة النهائية أعلى بثلاث إلى أربع مرات من قوة الخرسانة العادية، لكن الفشل يأتي دون سابق إنذار بطريقة هشة وشبه متفجرة. تشير هذه المقالة إلى تحقيق مصمم لدراسة ليونة وخواص الخرسانة المشبعة بالبوليمربحيث يمكن أن يحدث بعض إنتاج البلاستيك قبل وبعد الوصول إلى الحمل النهائي.

تم تحضير الخرسانة البوليمرية المصنوعة من راتنجات الايبوكسي والرماد المتطاير والركام الناعم والخشن المسحوق لتقييم تأثير جرعة الرماد المتطاير والراتنج على خصائصها. تمت دراسة الكثافة والبنية المجهرية وقوة الانضغاط وقوة الانثناء وقوة الشد الانقسام لتوليفات مختلفة تم تحديدها بناءً على مفهوم تصميم التجارب. تؤكد النتائج التجريبية إمكانية استخدام الرماد المتطاير لإنتاج الخرسانة البوليمرية بتكلفة منخفضة محتملة ودون المساس بسلامتها الهيكلية. يُعَد استخدام الرماد المتطاير كمادة حشو في الخرسانة البوليمرية واعدة للغاية لأنه يحسن الخصائص الفيزيائية للمادة وخاصة قوتها الانضغاطية والانثناء.

الخرسانة المشبعة بالبوليمر عبارة عن مادة مركّبة يتم فيها ربط الركام معًا في مصفوفة باستخدام مادة رابطة بوليمر. لا تحتوي المواد المركّبة على طور أسمنت، على الرغم من أنه يمكن استخدام الأسمنت البورتلاندي كمجمع أو حشو. تمتلك مركّبات البوليمر الخرسانية مزيجًا فريدًا من الخصائص التي تعتمد على الصيغة. وتشمل هذه المعالجة السريعة في درجات الحرارة المحيطة من -18 إلى +40 درجة مئوية (0 إلى 104 درجة فهرنهايت). قوة شد عالية وانثناء وضغط. التصاق جيد لمعظم الأسطح ومتانة جيدة على المدى الطويل فيما يتعلّق بدورات التجميد والذوبان. نفاذية منخفضة للماء والمحاليل العدوانية ومقاومة كيميائية جيدة وخفيفة الوزن.

أظهر الاستقصاء أنه يمكن تعديل الخرسانة المشبعة بالبوليمر لإعطاء مادة ذات قوة عالية وقليل ليونة أو مادة ذات قوة أقل إلى حد ما وليونة كبيرة. وبالتالي يمكن تصميم خصائص المواد المحتملة وفقًا لمتطلّبات الخدمة الهيكلية الخاصة. تتكون الخرسانة المشبعة بالبوليمر من بوليمرات أو إيبوكسيات تستخدم لنقل بعض الخصائص الخاصة للخرسانة. سيتم مناقشة التطبيقات المختلفة للبوليمرات في الخرسانة وخصائصها.

أسباب استخدم البوليمرات في الخرسانة:

1. تعمل البوليمرات على تحسين قوة ومتانة الخرسانة المتصلّدة.
   
2. يتم زيادة المقاومة الكيميائية وعدم نفاذية الخرسانة الصلبة.
   
3. يمكن تعديل خصائص التدفّق للخرسانة الطازجة بناءً على المواصفات المطلوبة.
   
4. يمكن تحسين خصائص الترابط بين الخرسانة القديمة والجديدة.
   

بعض البوليمرات المستخدمة بشكل شائع هي:

1. اليوريثان: ينتج اليوريثان عن طريق تفاعل الأيزوسيانات مع البوليولات.
   
2. أكريليك: هذه هي استرات أحماض الأكريليك والميثاكريليك.
   
3. الايبوكسي: هو نوع من الألياف الاصطناعية.
   
4. الإسبي آر أو راتنجات الستايرين بوتادين: وهي مطاط صناعي في المحلول.
   
5. الفينيل.
   

تطبيقات البوليمرات المختلفة في الخرسانة:

تختلف الطرق المختلفة التي يتم بها إدخال البوليمر في الخرسانة (الخرسانة المتصلّبة) على نطاق واسع بناءً على الهدف التجاري. يمكن استخدام البوليمرات في الخرسانة بطرق مختلفة. وهم:

1. إشباع الخرسانة بِالبوليمر.
   
2. تعديل الخرسانة بِالبوليمر.
   
3. ضبط الخرسانة بِالبوليمر عن طريق الكمبيوتر.
   
4. البوليمر كطلاء واقي.
   
5. البوليمر كعامل ربط.
   
6. وبعض التطبيقات الأخرى.
   

في حالة الخرسانة المشبعة بالبوليمر، يتم تشريب البوليمرات الأولية أو المونومرات السائلة منخفضة اللزوجة جزئيًا أو كليًا بنظام المسام الخاص بهيكل مركّب الأسمنت المتصلّب. بعد هذا الإجراء، يُسمح للبنية المعالجة بأكملها بالبلمرة. ينتج عن إجراء المعالجة العادي للخرسانة المتصلّدة الحصول على كمية كبيرة من الماء الحر في فراغاتها. تمثّل هذه الفراغات المملوءة بالماء كمية كبيرة من الحجم الإجمالي للمكون.

وتتراوح بين 5% في حالة الخرسانة الكثيفة و 15% في حالة الخرسانة المتدرجة الفجوات. في حالة الخرسانة المشبعة بالبوليمر، يجب ملء هذه الفراغات (المسام المملوءة بالماء) بالبوليمر المختار. ومن ثم فإنّ العامل الرئيسي الذي يؤثر على تحميل المونومر هو: محتوى الرطوبة في الخرسانة المتصلّدة وفراغات الهواء في الخرسانة.

إجراءات تصنيع الخرسانة المشبعة بالبوليمر:

العمليات التي تدخل في عملية التشريب لتطوير الخرسانة المشبعة بالبوليمر هي:

1. يتم توفير خرسانة أسمنتية جيدة التصميم. يجب أن تكون رطبة بشكل كافٍ وأن تكتسب القوة المُثلى.
   
2. تتم إزالة الرطوبة عن طريق تجفيف الخرسانة. يتم التجفيف عن طريق تسخين العنصر الهيكلي إلى درجة حرارة سطح تتراوح من 120 إلى 150 درجة مئوية. يمكن استخدام فرن هوائي لتجفيف العينات الصغيرة. إذا كان للعنصر سطح كبير، فيمكن استخدام بطانية سميكة، على سبيل المثال، بسُمك 10 مم، لمنع أي تدرج حراري. تطبيق آخر معقد هو استخدام سخانات الأشعة تحت الحمراء. للإزالة الكاملة للرطوبة من الخرسانة، يلزم تسخين 6 إلى 8 ساعات.
   
3. بعد الإزالة الكاملة، يتم تبريد سطح الخرسانة إلى مستويات آمنة. يمكن أن تصل درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية. سوف تتجنّب درجة الحرارة هذه القابلية للاشتعال.
   
4. يتم الآن نقل الخرسانة إلى مصاصة فراغ، حيث يتم إزالة الهواء بالكامل داخل الهيكل الخرساني. ستحدد كمية المونومر المشرب وقت ودرجة تطبيق الفراغ.
   
5. يتم غمس الخرسانة بعد الإزالة الكافية للهواء في محلول من مونومر. يتم نقعه لفترة طويلة حتى يتم الحصول على عمق اختراق المونومر المطلوب. يعتمد وقت النقع على لزوجة المونومر وتحضير العينة والخصائص الرئيسية للخرسانة. لتقليل الوقت المستغرق للحصول على الاختراق المطلوب، يُفضّل استخدام الضغط الخارجي مثل الهواء أو غاز النيتروجين. هذا يُسهّل الاختراق السريع.
   
6. بعد الإجراء أعلاه، يتم تغطية السطح بورقة بلاستيكية. هذا يُساعد على منع تبخّر المونومر.
   
7. يتم تنفيذ طريقة البلمرة التحفيزية الحرارية. تتضمن هذه الطريقة البلمرة عن طريق تسخين المونومر المحفز إلى مستوى درجة الحرارة المطلوبة. سيتراوح ذلك من 60 درجة إلى 150 درجة مئوية. يعتمد نطاق درجة الحرارة المختارة على نوع المونومر. يمكن إجراء التسخين تحت الماء أو عن طريق حقن بخار منخفض الضغط، أو عن طريق سخانات الأشعة تحت الحمراء أو في فرن هوائي. يُحلّل التسخين المحفزّ ومن ثم يبدأ تفاعل البلمرة. بمجرد أن يخترق المونومر الخرسانة، يمكن أيضًا بدء البلمرة باستخدام إشعاع التأين مثل أشعة جاما. عندما تتبلمر البوليمرات بالكامل أو عندما تكون متشابكة، فإنّها تعمل كمواد صلبة تشغل الفراغات التي يتم تشريبها فيها.
   
8. ثم يتم السماح للهيكل الخرساني بالتبريد. لا يمكن تنفيذ الإجراء بالكامل من 1 إلى 8 إلّا في مصنع مسبق الصب. تُستخدم المونومرات مثل الأكريلات والستايرين وكلوريد الفينيل وما إلى ذلك بشكل شائع للتشريب في الخرسانة. المونومر الآخر المستخدم على نطاق واسع هو ميثيل ميثاكريلات.
   

خصائص الخرسانة المشبعة بالبوليمر:

1. تكتسب الخرسانة البوليمرية قوة ضغط مكعب أكثر من 100 نيوتن لكل مم 2. هذه القوة بغض النظر عن قوة الخرسانة التقليدية.
   
2. قوة الانحناء للخرسانة المشبعة بالبوليمر تكون عادة حوالي 15 نيوتن لكل مم 2. هذا أعلى بقليل من الخرسانة العادية عالية القوة المصنوعة من المكونات العادية.
   
3. معامل المرونة يقع في النطاق من 30 إلى 60 نيوتن لكل مم 2. هذه القيمة مماثلة للقيمة التي يتم الحصول عليها من الخرسانة عالية القوة (أي حوالي 45 نيوتن لكل مم 2).
   
4. الخرسانة المشبعة بالبوليمر تمتلك مشاكل زحف وانكماش أقل نتيجة لعدد أقل من المسام.
   
5. الخرسانة المشبعة بالبوليمر مقاومة للغاية لهجوم الأحماض، هجوم الكبريتات وهجوم الكلوريد بالمقارنة مع الخرسانة العادية.
   

تطبيقات الخرسانة المشبعة بالبوليمر:

فيما يلي شرح لتطبيقات الخرسانة المشبعة بالبوليمر في مناطق مختلفة من البناء:

1. التشريب السطحي لأرضيات الجسر: يُسمح لأسطح الجسر بالخضوع لعملية التشريب لتجنب تسرب الرطوبة والمواد الكيميائية وأيونات الكلوريد. يمكن حماية أسطح الجسر التي تم إنشاؤها في المناطق ذات المياه المالحة العالية والتعرّض للرطوبة بهذه الطريقة.
   
2. إصلاح الهياكل: يمكن تحسين الهياكل المتضررة بطريقة التشريب بالبوليمر. يمكن زيادة فترة حياة الهياكل التي لا يمكن إعادة بنائها بهذه الطريقة. وبالتالي تُساعد هذه الطريقة في ترميم الآثار الحجرية والحفاظ عليها.
   
3. تطبيقات تحت الماء والبحرية: تُساعد قدرة تشريب البوليمر في تحسين الخصائص الهيكلية، ومقاومة امتصاص الماء، وخصائص عدم نفاذية الهيكل الخرساني. هذا يجعلها تستخدم على نطاق واسع في البناء تحت الماء والهياكل البحرية. تستخدم الهياكل التي يتم إنشاؤها في محطات تحلية المياه وهياكل قاع البحر هذه الطريقة في البناء الخرساني. لقد لوحظ أن التشريب الجزئي للقواعد الخرسانية في مياه البحر يقلل من تآكل حديد التسليح بمقدار 24 مرة.
   
4. التطبيق في هياكل الري: تبين أن استخدام الأساليب التقليدية في إصلاح وإعادة تأهيل السدود والهياكل الهيدروليكية الهامة الأخرى غير فعال وغير كامل. وجد فيما بعد أنها تسبب خسارة كبيرة في الفوائد التي يتم الحصول عليها من الري وتوليد الطاقة والتحكّم في الفيضانات وما إلى ذلك. لكن طريقة التشريب تعمل بشكل أفضل. تتم إزالة الخرسانة من المنطقة المتضررة بشدة وتصحيحها وتجفيفها. يتم معالجة هذه المنطقة لاحقًا عن طريق تشريب البوليمر.
   
5. الأعضاء الإنشائية: تتمتع الخرسانة المشربة بالبوليمر بإمكانيات كبيرة كمواد إنشائية. كما أظهرت الموافقة المُسبقة عن علم تحسينات ملحوظة على الخرسانة التقليدية. الشقوق والفراغات الداخلية هي العامل الأساسي وراء جميع القضايا في الهيكل الخرساني التقليدي. نظرًا لأن تشريب البوليمر يوقف السبب الجذري، فمن الأفضل استخدامه في الأعضاء الهيكلية.