تصميم الخلطات الخرسانية عالية المقاومة

الخلطات الخرسانية عالية المقاومة:

يتأثر تصميم المزيج من الخرسانة عالية المقاومة بخصائص الإسمنت والركام الرملي، ونسبة الماء إلى الإسمنت التي تتمتع بقوة ضغط أعلى من 40 ميجا باسكال. لتحقيق قوة عالية، من الضروري استخدام أقل نسبة ممكنة من الماء والإسمنت والتي تُؤثّر دائمًا على قابلية تشغيل المزيج وتتطلب استخدام تقنيات اهتزاز خاصة للضغط المناسب.

في الحالة الراهنة، يمكن صنع خرسانة مع قوة ضغط مطلوبة لمدة 28 يومًا تصل إلى 70 ميجا باسكال أو أكثر مع تناسب مناسب للمكونات باستخدام تقنيات الاهتزاز العادية لضغط خليط الخرسانة. تصميم الخلطة الخرسانية هو إجراء لاختيار المكونات المناسبة للخرسانة ونسبها النسبية بهدف تحضير الخرسانة ذات الحد الأدنى من القوة المحددة والعملية المطلوبة والمتانة على النحو الاقتصادي (القيمة الهندسية) قدر الإمكان.

تصميم الخرسانة عالية المقاومة تُصبح تحديات من حيث اختيار النسب الصحيحة لمكونات الخرسانة التقليدية (الإسمنت والرمل والركام) والإضافات الضرورية للمزيج الكيميائي (واحد أو أكثر) والخلط المعدني أيضاً (واحد أو أكثر). إنَّ الخرسانة عالية المقاومة مُجدية مع أحدث جيل من اختلاط الماء عالي المدى والمضافات المعدنية عالية التفاعل مثل أبخرة السيليكا وماتاكاولين وما إلى ذلك.

تطبيقات الخرسانة عالية المقاومة هي بناء مرتفع (عادة فوق 30 طابقاً)، جعلت الخرسانة عالية المقاومة مثل هذه المشاريع مُجدية بسبب تعزيز القدرة على حمل الأحمال، كما سمحت أيضًا بتقليل أحجام الأعمدة والحزم. تؤدي الأحمال الميتة المنخفضة إلى تقليل الأحمال المرتبطة بتصميم الأساس بالإضافة إلى ذلك، يزداد المستخدم النهائي إذا استفاد اقتصاديًا نظرًا لأن مساحة الأرضية القابلة للتأجير تزداد مع انخفاض المساحة التي تشغلها الأعمدة. ويقدر أنه بالنسبة للهيكل المكون من 50 طابقًا مع أعمدة بقطر 1.2 متر باستخدام خرسانة كسر 30 يمكن أن يُقلّل أقطار الأعمدة بنسبة 33% تقريبًا باستخدام خرسانة كسر 60.

تم إجراء العديد من الدراسات لتحديد السلوكيات الميكانيكية والهيكلية لتصميم الخرسانة عالية المقاومة مع ذلك، فإنَّ البحث المُتعلّق بعملية التطوير التفصيلية لمخاليط الخرسانة عالية المقاومة هذه نظرًا للعوامل المختلفة، على سبيل المثال قابلية العمل وخصائص القوة والجدوى الاقتصادية والصديق للبيئة وما إلى ذلك لا يزال محدودًا للغاية. علاوة على ذلك، نظرًا لأن الخصائص الميكانيكية لتصميم الخرسانة عالية المقاومة حساسة للغاية للعوامل المختلفة، مثل المكونات ونسبة الماء إلى الإسمنت وأنظمة الخلط والمعالجة، فإنَّ تصميم الخلط الأمثل يوفر بثبات قوة ضغط عالية جدًا تبلغ 70 ميجا باسكال فما فوق.

من خلال النظر في متغيرات الاختبار الشاملة والعوامل المُؤثّرة. وفقًا لذلك، تم اعتبار العوامل المُؤثّرة المختلفة أيّ نوع وكمية الركام ونسبة الماء إلى الإسمنت والاختلاط الكيميائي وعملية الخلط لتطوير مزيج مُحسَّن للخرسانة عالية المقاومة مع قوة ضغط تبلغ 70 ميجا باسكال فأكثر، وخصائص الدمج الذاتي، من خلال الاختبارات التجريبية المكثفة، تم اقتراح خليط عالي المقاومة قابل للتدفق الأمثل ومناسب لناطحات السحاب.

مكونات خلطات الخرسانة العالية المقاومة:

1- الإسمنت:

لتصنيع خليط 70 ميجا باسكال تم تحسين نوع الإسمنت لأول مرة، يتم تلخيص التركيبات الكيميائية والمعدنية للإسمنت البورتلاندي العادي من النوع الأول وإسمنت عالي المقاومة المنتج خصيصًا ونظرًا لأنه يتم الحصول على الإسمنت من المواد الأرضية، أيّ الحجر الجيري فإنَّه يتكون من العديد من التركيبات الكيميائية. وبالتالي، تم تقليل كمية ألومينات ثلاثي الكالسيوم لتوليد خرسانة أكثر صلابة وكثافة بنسبة محتوى رطوبة أقل.

تم تخفيض كمية ألومينات ثلاثي الكالسيوم للأسمنت عالي المقاومة بنسبة 2 % مقارنة بكمية الإسمنت العادي. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل نعومة (بلين) من 3300 إلى 3100 سم 2 لكل جم لتقليل مساحة السطح المحددة وتحسين عامل التعبئة أثناء تصنيع أسمنت عالي المقاومة. لتقليل مُحتوى الجِبس القابل للذوبان، أيّ إنتاج الجبس النصف هيدراتي انخفضت درجة حرارة تدفق مصنع إنتاج الأسمنت من 105 درجة مئوية إلى 90 درجة مئوية.

لتحسين الترطيب طويل الأمد والبُنى المجهرية المكثّفة، تم تقليل كمية النخبة من ألومينات ثلاثي الكالسيوم بينما تم زيادة كمية ثاني كبريتيد الكربون. تعمل ألومينات ثلاثي الكالسيوم على زيادة اللزوجة والسيولة في الخرسانة التقليدية. ومع ذلك، في حالة خليط الخرسانة عالية المقاومة فإنَّ زيادة كمية المسحوق بسبب إضافة خبث الفرن العالي وإضافة الملدن الفائق تُؤدي إلى زيادة اللزوجة والسيولة. وبالتالي، تم تخفيض كمية ألومينات ثلاثي الكالسيوم ومن ناحية أخرى، تم زيادة كمية ثاني كبريتيد الكربون لأنها تدعم إنتاج هيدرات سيليكات الكالسيوم وتعزز الخصائص طويلة المدى.

تقوم كلنكر الإسمنت بتغيير معدن ألومينات ثلاثي الكالسيوم اعتمادًا على درجة حرارة البلاستيك. بشكل عام ألومينات ثلاثي الكالسيوم المُولّدة عند درجة حرارة عالية لديها قوة أعلى على المدى الطويل من تلك المُولّدة عند درجة حرارة أقل. لذلك، تم إنتاج الكلنكر لإسمنت عالي المقاومة في درجة حرارة عالية وتم تبريده بسرعة، تم استخدام مجهر استقطابي لتحديد حجم وشكل الكلنكر حيث يرتبط حجم ألومينات ثلاثي الكالسيوم في الكلنكر بمعدل زيادة درجة الحرارة ومع انخفاض حجم ألومينات ثلاثي الكالسيوم يرتفع مُعدّل زيادة درجة الحرارة.

2- مواد إسمنتية تكميلية:

يعمل خبث الفرن وهو ضروري لإنتاج الخرسانة عالية المقاومة، على تحسين القوة ويُقلّل من لزوجة الإسمنت وتتكوّن من غاز ثنائي أكسيد السيليكون المُكثّف الناتج عن إنتاج معدن الحديد والسليكون المعدني المستخدم كمزيل للأكسدة. الجسيمات مُستديرة ويبلغ متوسط ​​حجمها 0.2-0.5 ميكرومتر ومساحة سطح محددة 200000 سم مربع لكل جم، يمكن تصنيفها على أنها فائقة الدقة.

• تأثير الحشو الصغير: الجسيمات بمتوسط ​​حجم 0.2 ميكرومتر تملأ الفجوات بين جزيئات الماء والأسمنت في الخرسانة الطازجة. في الخرسانة الصلبة، يُحسّن خبث الفرن القوة والمتانة عن طريق ملء الفراغات الناتجة عن الهيدرات.
  
• التفاعل البُوزولاني: تفاعل البُوزولاني هو تفاعل كيميائي بين مكونات السيليكا وهيدروكسيد الكالسيوم الذي ينتج هيدرات سيليكات الكالسيوم. يبلُغ معدل التفاعل حوالي 40% بعد 3 أيام و 60% بعد 28 يومًا عندما يتم استبدال 10% بخبث الفرن.
  
• مصفوفة مكثفة: يتم تقليل المسام الدقيقة عند إضافة خبث الفرن. تحتوي هيدرات سيليكات الكالسيوم المنتجة على نسبة (أكسيد الكالسيوم/ ثنائي أكسيد السيليكون) مُنخفضة تبلغ حوالي 1.2 إلى 1.4 ممّا يساهم في تطوير القوة عن طريق جعل بنية المصفوفة كثيفة.
  
• انخفاض اللزوجة: من المحتمل أن تنخفض اللزوجة عند إضافة خبث الفرن وتزداد قابلية تشغيل معجون الإسمنت مع توزيع أفضل لخبث الفرن. هذا يؤدي في النهاية إلى تحسن في سيولة الخرسانة لأن خبث الفرن مع تشتت جيد يمكن أن يصبح أكثر تشتتًا في شكل جزيئات عن طريق القوة الخارجية للخلاط ويمارس تأثير الكرة بسبب الشكل الدائري للجسيمات.
  

يعمل خبث الفرن الذي يتم توزيعه في شكل جزيئات على تحسين تأثير الملء واستبدال الماء بين الجسيمات. هذا يؤدي إلى إنتاج المياه الزائدة ويحسّن السيولة إذا لم يتم خلط الإسمنت وخبث الفرن بشكل جيد، فإنَّ سيولة الخرسانة الطازجة تتدهور ولذلك، تم خلط الإسمنت وخبث الفرن مُسبقًا للتغلّب على هذا العيب.

3- الركام:

لتصنيع الخرسانة عالية المقاومة، يجب أن يُلبّي الركام للخرسانية المتطلبات التالية:
1. قوة أعلى من قوة المصفوفة.
2. جاذبية محددة مماثلة لتلك المصفوفة.
3. متينة في ظل ظروف المناخ والاستخدام.
4. الشكل المناسب وتوزيع حجم الحبوب لتشكيل خرسانة عالية المقاومة مع سيولة وكثافة عالية.
5. غياب المواد التي من المحتمل أن تَتسبب في تدهور خصائص الخرسانة.
6. مقاومة جيدة للحريق.

الركام في الخرسانة عالية المقاومة أكثر أهمية منه في الخرسانة العادية وبالتالي، يجب استخدام الركام الخشن بأحجام أقل من 10 مم وقوة أعلى من المصفوفة في الخرسانة عالية المقاومة. وفقًا لذلك، تم اختيار الركام الخشن مع قوة أعلى من 70 ميجا باسكال وهي قوة الضغط المستهدفة ومقاومة الحريق المضمونة حتى 1200 درجة مئوية لهذه الدراسة. تم إجراء تحقيق إجمالي على مستوى الدولة في كوريا الجنوبية وتم تحليل الخصائص الإجمالية لتحديد المجاميع التي تُلبّي المتطلبات المذكورة أعلاه.

استنادًا إلى قياسات قوة الضغط، تم اختيار ثلاثة أنواع محسنة من الركام الخشن للحرسانة عالية المقاومة وهي الديوريت والصخر الزيتي والصخور الإنديزية مع قوة ضغط تبلغ حوالي 301 و 299 و 336 ميجا باسكال على التوالي وهي أكبر بكثير من 200 ميجا باسكال. لتقييم الخصائص الكلية تم إجراء تحليل مضان للأشعة السينية وردود فعل قلوية واختبارات مقاومة الحريق.

4- تقليل ماء الخلط واستخدام الملدنات:

يتسبب فقد التدفق الكبير بشكل كبير لخليط الخرسانة عالية المقاومة في حدوث مشكلات في مواقع البناء حيث تتطلب نقلًا طويلًا للمواد وخاصةً لضخ ناطحات السحاب. إنَّ المُلدّن المتفوق القائم على الأحماض الكربوكسيلية الذي تم تطويره مؤخرًا جعل من الممكن (انخفاض التدفق وقابلية التدفق المنخفض) وإنتاج خرسانة عالية المقاومة بقوة ضغط تزيد عن 100 ميجا باسكال وبالتالي، تم اعتماد الأحماض الكربوكسيلية في هذه الدراسة لإنتاج خرسانة عالية المقاومة قابلة للتدفق.

برنامج الاختبار للخرسانة عالية المقاومة:

عملية الخلط:

تم استخدام خلاط غير الجاذبية في هذه الدراسة لمزج الموثق الإسمنتي. يدور محوري الخلاط بمعدل سرعة ثابت مدعوم بمحرك سلسلة وعندما يتم دفع المواد الخام لأعلى في غرفة الخلط عن طريق المجاذيف الدوارة، يتم تشكيل حالة عدم الجاذبية مع زيادة الحجم الفعّال حيث يتم إنشاء منطقة بدون وزن لإكمال الخلط.

قياس قوة الضغط:

لتطوير 70 ميجا باسكال من الخرسانة عالية المقاومة يتم النظر في العوامل المُؤثّرة المختلفة خلال العديد من اختبارات الضغط، تم استخدام عينات أسطوانية بقطر 100 مم وارتفاع 200 مم في اختبارات الضغط وفقًا لطريقة الاختبار القياسية لمقاومة الانضغاط لعينات الخرسانة الاسطوانية. تم استخدام آلة اختبار عالمية بسعة 2500 كيلو نيوتن لتوفير قوة ضغط أحادية المحور مع التحكّم في الإزاحة.