الخرسانة المسلحة.. شيدت المباني وأسست المدن منذ "الرومان" وإلى يومنا هذا

يعتبر الرومان هم أول من استعمل الخرسانة العادية Plain Concrete في التاريخ من حوالي الفى عام وقد استعملت في معظم مبانيهم لسهولة تشكيلها وإمكان تفيذها بعمالة مدربة تدريبا بسيطا. والخَرَسَانَة هي مادة تتكون من الاسمنت والرمل والماء مع إضافة نوع من الركام، مثل السن أو الزلط. كذلك، الخرسانة من أهم مواد البناء في العصر الحديث خصوصا مع تدعيمها بالحديد لتصبح خرسانة مسلحة.
وللخرسانة خصائص كثيرة تمتاز بها عن المواد الأخرى، فهي تأخذ شكل صلد ومتين مع الزمن تدريجيا وتبدأ بالشك الابتدائى Initial setting وتنتهى بالشك النهائى Final setting. كذلك فهي شديدة المقاومة للضغط Compression ولكنها في نفس الوقت ضعيفة جدا في مقاومتها للشد Tension لذلك فالخرسانة العادية (غير المسلحة) لا تستخدم ابدا في الأماكن التي تحدث فيها إجهادات الشد (مثل الكمرات beams).
للتغلب على هذه المشكلة، يوضع الحديد وهو مقاوم ممتاز لقوى الشد وقوى الضغط وفي حين ان أسياخ الحديد الطويلة يمكن ان تتحمل قوى الشد كلها فإن الخرسانة لا تتحمل قوى الضغط كلها إذا كانت قطاعاتها نحيفة Slinder فيحدث نتيجة لهذا انبعاج الخرسانة Buckling. لذلك، نجد ان مركبا خليطا من الخرسانة والحديد يعطى مادة مثالية لمقاومة الإجهادات المختلفة المؤثرة عليها، وهذا المركب هو ما يعرف باسم الخرسانة المسلحة Reinforced concrete.
ويتم اختيار نسب هذه المواد في الخلطة الخرسانية حسب نوع العمل المطلوب والمواد المتوفرة. ومع خلط هذه المواد مع بعضها يتم الحصول على الخرسانة التي تبدأ بالتصلب التدريجي مع الوقت حتى تصبح صلبة وقوية، وتتفاوت قوتها حسب المكونات الأساسية وكذلك حسب طريقة الرج أثناء الصب ونوعية المعالجة.

الأسمنت مكون رئيسي...
الأسمنت هو تلك المادة الناعمة الداكنة اللون التي تمتلك خواص تماسكية وتلاصقية بوجود الماء مما يجعله قادراَ على ربط مكونات الخرسانة بعضها ببعض وتماسكها مع حديد التسليح. ويتكون الأسمنت من 3 مواد خام أساسية هي كربونات الكالسيوم الموجودة في الحجر الكلسي، والسيليكا الموجودة في الطين والرمل، والألومنيا (أكسيد الألمنيوم).
وهناك عدة أنواع من الاسمنت تأحذ اسمها من الغرض منها ولزوم استعمالها ولكن تبقى مكوناتها الأساسية واحدة وان اختلفت نسبتها من نوع لآخر. ومن أهم هذه الأنواع : الأسمنت البورتلاندي العادي، والأسمنت البورتلاندي سريع التصلد، والأسمنت البورتلاندي المنخفض الحرارة، والأسمنت المقاوم للأملاح والكبريتات، والأسمنت الألوميني.
أما المكونات الرئيسية للأسمنت البورتلاندي العادي فهي :
1- سليكات ثلاثي الكالسيوم وتبلغ نسبتها من 45 - 55 % وهي المسؤولة عن إعطاء القوة للخرسانة خلال الأيام الثمانية والعشرين الأولى.
2- سليكات ثنائي الكالسيوم وتبلغ نسبتها من 15-25 % وهي المسئولة عن ظاهرة الالتئام الذاتي حيث تقوم بإغلاق الشقوق الشعرية في المونة وفي الخرسانة وكذلك قوة الشد للخرسانة.
3- ألومنيات ثلاثي الكالسيوم وتتراوح نسبتها من 12-15 % وهي تتفاعل بسرعة عند الخلط وتطلق حرارة عالية لذلك فهي تعطي الخرسانة قوتها في اليوم الأول ولكنها لا تؤثر في القوة النهائية للخرسانة.
4- ألومنيات حديد رباعي الكالسيوم وتتراوح نسبتها من 7-12 % وهي تتفاعل في الأيام الأولى وتعطي حرارة عالية ولكنها أبطأ من ثلاثي ألومنيات الكالسيوم.
5- بالاضافة إلى المكونات السابقة يحتوي الأسمنت على مركبات ثانوية على شكل أكاسيد مثل أكاسيد البوتاسيوم والصوديوم والمغنيسيوم والتيتانيوم وثاني أكسيد الكبريت . وتشكل هذه المركبات نسبة قليلة من وزن الأسمنت.

خرسانة مسلحة...
ابتدأ استعمال هذه الخرسانة حوالى عام 1900، حيث استعملت فى اطارات وحوائط وارضيات المبانى المختلفة. هي خرسانة تسمى مسلحة لأنها تصب مع قضبان حديدية لها اشكال خاصه يحددها مهندسون متخصصون بالتصميم لجعل الجسم المصبوب من هذه الخرسانة مع الحديد أكثر قوة وقادر على تحمل اوزان كثيره مثل (الجسور، الأسقف، المباني العاليه...). والأسمنت يحمى الحديد من الصدأ وفى نفس الوقت لا يتفاعل معه.
كما يوجد أنواع أخرى من الخرسانات المسلحه التي لها صفات واستخدامات خاصة مثل :
1- الخرسانة المسلحة المصبوبة تحت الماء.
2- الخرسانة المسلحة المقاومة للحريق.
3- الخرسانة المسلحة المقاومة للإشعاعات الذرية.
4- الخرسانة المسلحة للسدود.
5- الخرسانة المسلحة ضد القنابل.
6- الخرسانة المسلحة المقاومة للزلازل.
7- الخرسانة المسلحة الملونة.
والطرق المختلفة لتجهيز منتجات الخرسانة المسلحة يكسبها أسماء أخرى مثل :
1- الخرسانة المصبوبة في الموقع (لا يتم تحريك الجسم المصبوب بعد الصب) In-Situ concrete.
2- الخرسانة مسبقة الصنع (تصب الاجسام في معامل خاصة وتتصلب هناك ثم تنقل إلى الموقع المطلوب ليتم تركيبها بواسطة وصلات) Pre-Cast concrete products.
3- الخرسانة مسبقة الإجهاد (تصب ويتم شدها بأسلاك قوية جدا - يتم قطع هذه الاسلاك بعد تصلب الخرسانة لتصبح الخرسانة قادرة على حمل احمال كبيرة جدا مثل الجسور الطويلة جدا Pre-Stressed concrete.

الركام ( الحصمة)...
وهي أحد المكونات الرئيسية للخرسانة، لذلك فنوعية وخواص الركام لها تأثيراً كبيراً على خواص الخرسانة ونوعيتها لكونه يشغل حوالي (70-75%) من الحجم الكلي للكتلة الخرسانية. ويتكون الركام بصورة عامة من حبيبات صخرية متدرجة في الحجم منها حبيبات صغيرة كالرمل والأخرى حبيبات كبيرة كالحصى.
وإضافة إلى كون الركام يشكل الجزء الأكبر من هيكل الخرسانة والذي يعطي للكتلة الخرسانية استقرارها ومقاومتها للقوى الخارجية والعوامل الجوية المختلفة كالحرارة والرطوبة والانجماد فانه يقلل التغيرات الحجمية الناتجة عن تجمد وتصلب عجينة الاسمنت أو عن تعرض الخرسانة للرطوبة والجفاف. ولذا فإن الركام يعطي للخرسانة متانة أفضل مما لو استعملت عجينة الاسمنت لوحدها.
وعند اختيار الركام لغرض الاستعمال في خرسانة معينة يجب الانتباه بصورة عامة إلى ثلاثة متطلبات هي: اقتصادية الخليط، المقاومة الكامنة للكتلة المتصلبة، والمتانة المحتملة لهيكل الخرسانة. ومن الخواص المهمة الأخرى لركام الخرسانة هي تدرج حبيباته، ولغرض الحصول على هيكل خرساني كثيف يجب أن يكون تدرج ركام الخرسانة مناسبا وذلك بتحديد نسبة الركام الناعم والركام الخشن في الخليط. بالاضافة إلى ذلك يكون تدرج حبيبات الركام عاملا مهما في السيطرة على قابلية تشغيل الخرسانة الطرية. فعند تحديد كمية الركام الموجود في وحدة الحجم للخرسانة تكون قابلية تشغيل الخليط أكثر عندما يكون تدرج الركام مناسبا وبذلك تكون الحاجة لكمية الماء اللازمة للخليط أقل وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة مقاومة الخرسانة الناتجة. كما ويؤثر الركام على الكلفة الكلية للخرسانة. وبصورة عامة فإنه كلما كانت كمية الركام الموجود في حجم معين من الخرسانة أكثر كلما كانت الخرسانة الناتجة اقتصادية أكثر وذلك لكون الركام أرخص من الأسمنت.
ولغرض الحصول على خرسانة متينة يجب أن يتميز ركامها بعدم تأثره بفعل العوامل الجوية المختلفة كالحرارة والبرودة والانجماد والتي تؤدي إلى تفكك الركام كما ويجب أن لا يحصل تفاعل ضار بين معادن الركام ومركبات الأسمنت ، إضافة إلى ضرورة خلو الركام من الطين ومن المواد غير النقية والتي تؤثر على المقاومة والثبات لعجينة الأسمنت. ويجب أن يكون الركام نظيفا قويا مقاوما للسحق والصدم ومناسبا من حيث الامتصاص ذا شكل وملمس مناسبين وغير قابل للانحلال، ومقاوما للتآكل والبري.

الماء.. وضرورة التفاعل
تكمن أهمية الماء في التالي:
1- إن الماء ضروري لكي يتم التفاعل الكيماوي بين الاسمنت والماء.
2- وهو ضروري أيضا لكي تمتصه الحصمة المستعملة في الخرسانة.
3- يعطي الماء الخليط المؤلف من الركام الخشن والناعم والاسمنت درجة مناسبة من الليونة تساعده على التشغيل والتشكيل.
4- بوجود الماء يمكن خلط مقدار أكبر من الحصمة بنفس الكمية من الأسمنت.
5- إن الماء يعطي حجماً للخرسانة يتراوح ما بين 15-20 %.
6- يضيع جزء من الماء الموجود في خلطة الخرسانة أثناء عملية التبخر.
7- إن الماء ضروري لعمليات إيناع الخرسانة أثناء تصلبها.
أما النسبة المائية الاسمنتية فهي النسبة بين وزن الماء الحر المخصص للتفاعل (عدا عن الماء الذي تمتصه الحصمة) إلى وزن الأسمنت في الخلطة. ولضبط نسبة الماء في الخلطة أهمية بالغة وعليها تتوقف قوة الخلطة ومساميتها وانفصالها ونزفها ومقدرتها على مقاومة العوامل الجوية من برودة وحرارة وتآكل حيث ان كثرة الماء تضعف الخرسانة وتسبب الانفصال والتدميع والمسامية وقلة الدوام والاهتراء وقلة التماسك والضعف والتقشر والانكماش والتشقق.
كذلك، هناك خواص للماء المستعمل في الخرسانة التي يجب مراعاتها :
1- يكون الماء المستعمل في خلط ومعالجة الخرسانة خاليا من المواد الضارة مثل الزيوت والشحوم والأملاح والأحماض والقلويات والمواد العضوية والفلين والمواد الناعمة سواء كانت هذه المواد ذائبة أو معلقة وخلافها من المواد التي يكون لها تأثير عكسي على الخرسانة من حيث قوة الكسر والمتانة.
2- يعتبر الماء الصافي الصالح للشرب صالحا لخلط الخرسانة وايناعها.
3- يسمح باستعمال الماء غير الصالح للشرب في حالة عدم توفر الماء الصالح لشرب على أن لا يزيد تركيز الشوائب فيه عن نسب معينة تحددها المواصفات.
4- يحظر استعمال الماء غير الصالح للشرب في خلط وايناع الخرسانة إلا بعد أن يثبت مخبريا بأن مقاومة مكعبات الملاط (Mortar) الذي جرى خلطه بالماء غير الصالح للشرب تساوي على الأقل (90) % من مقاومة نظيراتها والتي جرى تحضيرها باستعمال ماء صالح للشرب وذلك عند عمر (7) أيام و(28) يوم وحسب المواصفات الأميركية رقم ASTM C-109.
5- يجرى تصميم الخلطة الخرسانية في المختبر باستعمال نفس الماء غير الصالح للشرب والذي سيجرى استخدامه في الخلطات الخرسانية بالموقع.