في مجال هندسة البناء، يُعتبر الخرسانة مادة بناء تُستخدم على نطاق واسع، وأداؤها مرتبط ارتباطًا مباشرًا بسلامة ومتانة الهيكل البنائي بأكمله. ومع ذلك، في المناطق الباردة أو خلال فترات البناء في الشتاء، غالبًا ما يحدث تلف الخرسانة بسبب الطقس شديد البرودة ، مما يتسبب في العديد من المشكلات في عمليات البناء. إن فهم الأسباب الكامنة وراء تلف الخرسانة بسبب الطقس شديد البرودة وتنفيذ تدابير وقائية فعّالة يُعدان أمرين حيويين لضمان جودة المشاريع الإنشائية.
فهم مخاطر وتأثير أضرار الطقس شديد البرودة على الخرسانة
إن أضرار الطقس شديد البرودة على الخرسانة ليست مجرد مشكلة سطحية. بل يمكن أن تؤثر بشكل عميق على البنية الداخلية وأداء الخرسانة. على المستوى المجهري، يتسبب الضرر الناتج عن الطقس شديد البرودة في تغييرات في بنية المسام داخل الخرسانة. حيث تُدمر المسام، التي كانت موزعة بشكل متساوٍ في الأصل، مما يؤدي إلى تشكيل شقوق وثقوب غير منتظمة. تؤثر هذه التغيرات المجهريّة بشكل مباشر على قوة الخرسانة ومتانتها ومقاومتها للتسرب. ومن منظور ماكروسكوبي، قد تؤدي أضرار الطقس شديد البرودة على الخرسانة إلى تشوه وشقوق في الهيكل البنائي، وقد تصل إلى حد التسبب في أضرار هيكلية، مما يهدد الاستخدام الآمن للمبنى ويتسبب في خسائر اقتصادية ضخمة. لذا فإن البحث والوقاية من أضرار الطقس شديد البرودة على الخرسانة لهما أهمية عملية كبيرة.
تحليل أسباب أضرار الطقس شديد البرودة على الخرسانة
توسُّع الماء المحبوس في الجليد
يلعب الماء دورًا حيويًا ولكنه تحدٍ في نظام تركيب الخرسانة، وهو أحد العوامل الأساسية التي تسبب أضرار الطقس شديد البرودة للخرسانة. يوجد الماء في الخرسانة بشكل رئيسي في شكلين: الماء الحر والماء الممتص. الماء الحر هو الماء الذي يوجد في مسام الخرسانة. يتمتع بحركة قوية وله علاقة ملء بسيطة مع جزيئات الأسمنت المحيطة والحبيبات وما إلى ذلك. أما الماء الممتص فهو جزيئات الماء الممتصة على سطح جزيئات الأسمنت، والتي تكون مقيدة بقوى السطح وتتمتع بحركة ضعيفة نسبيًا.
عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة دون نقطة التجمد (0 درجة مئوية)، سيخضع الماء الحر في الخرسانة لتغير في الخصائص أولاً بسبب حالته النسبية الحرة، متحولًا من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة (الجليد). عندما يتجمد الماء، يتوسع حجمه بحوالي 9%. سيتسبب هذا التغير الكبير في الحجم في توليد ضغط توسع هائل في المساحات الضيقة داخل الخرسانة. من وجهة نظر ميكانيكية، تعتبر الخرسانة مادة هشة ذات قوة شد منخفضة نسبيًا. عندما يتجاوز هذا الضغط التوسعي قوة الشد للخرسانة، يكون كمن يزرع “قنبلة موقوتة” داخل الخرسانة، مما يؤدي إلى تشكل الشقوق داخلها.
مع استمرار انخفاض درجة الحرارة المحيطة، يجد الماء الممتص المستقر نسبيًا صعوبة في تحمل تأثيرات درجات الحرارة المنخفضة، و يمضي تدريجيًا نحو التجمد. إن عملية تكوين الجليد في الماء الممتص تزيد من الضغط الناتج عن التمدد داخل الخرسانة. نظرًا لأن الماء الممتص كان في الأصل مرتبطًا ارتباطًا وثيقًا بسطح جزيئات الأسمنت، فإن تمدده عند التجمد يسبب تأثيرًا ضغطًا أكثر مباشرة وشدة على الهيكل المحيط من الحجر الأسمنت، مما يؤدي إلى استمرار تمدد الشقوق الموجودة وتزايد عرضها وطولها تدريجيًا، مما يضر بشكل خطير بسلامة الهيكل الداخلي للخرسانة.
أثر تفاعل ترطيب الأسمنت
يُعد تفاعل ترطيب الأسمنت عمليةً رئيسيةً يتحول فيها الخرسانة من مزيج بلاستيكي إلى مادة صلبة ذات قوة واستقرار معينين. هذه العملية هي في جوهرها تفاعلٌ طاردٌ للحرارة. تحت ظروف درجة حرارة المحيط العادية، بعد تلامس جزيئات الأسمنت مع الماء، تحدث سلسلة من التفاعلات الكيميائية المعقدة بسرعة، مما يُنتج مجموعة متنوعة من نواتج الترطيب مثل هيدروكسيد الكالسيوم وهيدرات سيليكات الكالسيوم. تتداخل هذه النواتج وتندمج مع بعضها البعض، مُشكّلةً تدريجياً حجرًا إسمنتيًا ذا قوة وبنية معينة، مما يؤدي إلى تصلب الخرسانة تدريجياً واكتسابها للقوة.
ومع ذلك، عندما تنخفض درجة حرارة المحيط إلى درجة حرارة منخفضة، خاصةً دون 0°م، فإن تفاعل ترطيب الأسمنت يتعرض للبطئ الشديد. وذلك لأن تفاعل ترطيب الأسمنت يتطلب ظروف درجة حرارة معينة لتوفير الطاقة اللازمة للتفاعل. تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى تقليل نشاط جزيئات الأسمنت وتبطئ من حركة جزيئات الماء، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في معدل التفاعلات الكيميائية بين الأسمنت والماء. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون 0°م، يتوقف تفاعل ترطيب الأسمنت تقريباً. في هذه المرحلة، يتكون داخل الخرسانة كمية ضئيلة جداً من نواتج الترطيب، ويصبح نمو قوة الخرسانة بطيئًا للغاية، أو قد يتوقف تمامًا.
في هذه الحالة، تكون البنية الداخلية للخرسانة بعيدة عن الاكتمال، إذ إن هيكلها الميكيروسكوبي الداخلي واسع نسبيًا، وتكون مساميتها مرتفعة نسبيًا، وتفتقر إلى الكثافة والقوة الكافيتين لمقاومة آثار ضغط التجمد. في هذا الوقت، تكون الخرسانة كـ “بذرة” غير ناضجة، مما يجعلها عرضة جدًا لأضرار التجمد وأكثر عرضة للتلف، مما يؤدي إلى ظاهرة تلف الخرسانة بسبب التجمد.
نسبة خلط الخرسانة الغير منطقية
إن نسبة خلط الخرسانة العلمية والمعقولة تشبه المخطط الأساسي للبناء، حيث تحدد بشكل مباشر الخصائص المختلفة للخرسانة، وخاصة مقاومتها للطقس شديد البروده. ومن بين العوامل العديدة التي تؤثر على مقاومة الخرسانة للطقس شديد البروده، تُعتبر نسبة الماء إلى الأسمنت مؤشراً رئيسياً للتحكم. تشير نسبة الماء إلى الأسمنت إلى نسبة كمية الماء المستخدمة إلى كمية الأسمنت المستخدمة في الخرسانة، وهي تؤثر بشكل مباشر على كمية الماء الحر في الخرسانة.
عندما تكون نسبة الماء في الأسمنت مرتفعة جداً، فهذا يعني أنه قد تم خلط كمية زائدة من الماء في الخرسانة. هذه الكمية الزائدة من الماء الحر هي أكثر عرضة للوصول إلى نقطة التجمد والتجمد في درجات الحرارة المنخفضة. ستؤدي التمدد في الحجم بعد التجمد إلى توليد ضغط أكبر من ضغط انتفاخ الطقس شديد البرودة داخل الخرسانة، مما يزيد بشكل كبير من احتمال حدوث أضرار انتفاخ الطقس شديد البرودة في الخرسانة. بالاضافة الي، ستؤدي الكمية الزائدة من الماء أيضاً إلى إنتاج الخرسانة لفراغات أكبر خلال عملية التصلب، مما يقلل من كثافة الخرسانة ويضعف مقاومتها الطقس شديد البرودة بشكل أكبر.
بالإضافة إلى نسبة الماء في الأسمنت، فإن جودة وتدرج الخليط لهما تأثير كبير أيضًا على مقاومة الخرسانة الطقس شديد البرودة. يشكل الخليط الهيكل العظمي للخرسانة، وتؤثر جودته وتدرجه بشكل مباشر على كثافة الخرسانة وقوتها. إذا احتوت الخلطة على كمية كبيرة من الطين، فإن جزيئات الطين ستملأ الفراغات بين مجاميع الخلطة، مما يقلل من الترابط بين الحلطة ومعجون الأسمنت، ويزيد أيضًا من مسامية الخرسانة، مما يوفر مزيدًا من المساحة لتجمع الماء وتجميده. عندما تكون توزيع أحجام جزيئات الخلطة غير جيد، لا يمكن للحليط تشكيل هيكل تعبئة مضغوط، مما يؤدي إلى مزيد من الفراغات داخل الخرسانة ويجعل الخرسانة أكثر عرضة للتلف بسبب الطقس شديد البرودة.
تقنيات البناء غير السليمة
أثناء بناء الخرسانة، كل حلقة من العملية تشبه حلقة في سلسلة. إن التشغيل غير السليم لأي حلقة قد يصبح خطرًا خفيًا يؤدي إلى تلف الخرسانة بسبب الطقس شديد البرودة إن تدابير العزل بعد صب الخرسانة هي خطوة رئيسية لضمان تصلب الخرسانة بشكل صحيح في بيئة درجات الحرارة المنخفضة. إذا لم يتم تغطية الخرسانة وعزلها في الوقت المناسب بعد الصب، فسوف تتبادل الحرارة بسرعة مع البيئة الخارجية الباردة، مما يتسبب في انخفاض حاد في درجة حرارة سطح الخرسانة.
قبل أن يصل الخرسانة إلى قوة معينة، فإن هيكله الداخلي لا يكون مستقرًا بما فيه الكفاية بعد. إذا تعرض لبيئة باردة، فإن الماء الموجود في الخرسانة سيتجمد بسهولة أكبر، مما يؤدي إلى انتفاخ الجليد وإحداث أضرار بسبب الطقس شديد البرودة بالإضافة إلى ذلك، فإن عملية اهتزاز الخرسانة تعتبر حاسمة لضمان كثافة الخرسانة. إذا لم يتم اهتزاز الخرسانة بشكل كثيف، فسوف ينتج عن ذلك وجود فراغات أكثر داخل الخرسانة. ستصبح هذه الفراغات أماكن لتجمع الماء في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة. ومتى ما تجمد الماء، فإن التمدد في الحجم سيضغط على الهيكل المحيط بالخرسانة، مما يتسبب في أضرار الانتفاخ بسبب الطقس شديد البرودة ويقلل من الجودة العامة ومقاومة الخرسانة للطقس شديد البرودة.
تأثير العوامل البيئية
تعتبر العوامل البيئية محفزات خارجية لأضرار الطقس شديد البرودة في الخرسانة، ومن بين هذه العوامل، فإن نطاق ومدة التغيرات في درجة حرارة البيئة لها التأثير الأكثر مباشرة وأهمية على أضرار الطقس شديد البرودة في الخرسانة. عندما تنخفض درجة حرارة البيئة فجأة، فإن الماء داخل الخرسانة لا يمكنه الانتقال إلى المحيط في الوقت المناسب بسبب توصيل الحرارة وتدرج الحرارة، وسيتجمد بسرعة في مكانه. ستولد هذه العملية السريعة للتجمد ضغوطًا كبيرة نتيجة التمدد، لأن الماء يتحول من الحالة السائلة إلى الصلبة في فترة زمنية قصيرة، ولا يوجد مساحة ووقت كافيين لتحرير الضغط الناتج عن التغير الحاد في الحجم، مما يتسبب في تأثير كبير على الهيكل الداخلي.
تُعَدُّ دورات التجمد والذوبان المتكررة عاملاً مهماً في تسريع تدهور الخرسانة. خلال كل دورة تجمد وذوبان، يخضع الماء في الخرسانة لعمليتين: التجمد والذوبان. يمكن أن يتسبب الضغط الناتج عن التمدد الحجمي أثناء التجمد في تكوُّن تشققات دقيقة داخل الخرسانة. وعندما يذوب الماء، يملأ هذه التشققات، وعندما يتجمد مرة أخرى، ستتوسع هذه التشققات أكثر. بعد العديد من دورات التجمد والذوبان، ستتصل هذه التشققات الدقيقة تدريجياً مع بعضها لتشكيل تشققات كبيرة، مما يقلل بشكل كبير من قوة الخرسانة ومتانتها.
بالإضافة إلى ذلك، تؤثر العوامل البيئية مثل رطوبة الهواء وسرعة الرياح على درجة تلف الخرسانة نتيجة التجمد. عندما يكون الهواء رطباً، ستقوم الخرسانة بامتصاص المزيد من الماء من البيئة المحيطة، مما يجعل محتوى الرطوبة في الخرسانة مرتفعاً نسبياً، ويكون من الأرجح أن تتعرض لتلف التجمد عند درجات حرارة منخفضة. عندما تكون سرعة الرياح عالية، فإنها ستسرع من تبخر الماء على سطح الخرسانة وفقدان الحرارة، مما يتسبب في انخفاض سريع في درجة حرارة سطح الخرسانة، مما يقلل من مقاومة سطح الخرسانة للتجمد ويزيد من خطر تلف سطح الخرسانة بسبب التجمد.