Published in: الهندسة المدنية

الإضافات الأسمنتية المعدنية

Author م. لين رحمون

Published on: 13 ديسمبر، 2023

م. لين رحمون

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هي الإضافات الأسمنتية المعدنية؟

هي عبارة عن فئةٍ من الإضافات التي يتمُّ استخدامها ضمن الخلطة البيتونية، وذلك من أجل تحسين بعض الخواص الميكانيكية والفيزيائية للخرسانة، وهذه الإضافات عبارةٌ عن مواد تدخل للخلطة، وتندمج معها كجزءٍ من المكونات، ولها فعاليةٌ كمادة ربط أي مثل: الأسمنت.

تُعتبر هذه المواد طبيعيةً غير عضوية، وليست مُصنّعةً كيميائياً، أي أنها مواد ناتجة عن مواد ومنتجات أساسية ورئيسية، وبالتالي لا يتمُّ إنتاجها وتصنيعها مثل الإضافات الخرسانية، وعادةً ما تكون هذه المواد على شكل جسيماتٍ حجمها أقل من 0.16 ميلي متر، وأغلب المواد التي سيتمُّ ذكرها على أنها إضافاتٌ إسمنتية معدنية تُعتبر مواد بوزولانية، وهي عبارةٌ عن مواد ناعمة جداً، وهذه المواد عادةً تنجذب حصراً للمواد الضعيفة الناتجة عن عملية الإماهة، أي إماهة الأسمنت من أحد هذه المواد.

لدينا ماءات الكالسيوم c-H تتفاعل معها المواد البوزولانية بفعل الرطوبة، وتشكل مواد ربطٍ مهمة، ومنها سيليكات الكالسيوم C-S-H، وبالتالي عندما تدخل المواد البوزولانية تكون حرارة الإماهة قليلةً، وهذا جيدٌ جداً من أجل المنشآت الضخمة، كالسدود التي تكون كتلتها الخرسانية كبيرةً، وبالتالي تخفّف من التشقُّقات الحرارية الناتجة عن الفرق بدرجات الحرارة ما بين داخل الكتلة وخارجها، وخصوصاً أنه يتمُّ استبدال جزءٍ من الأسمنت في هذه الإضافات. ^[1]

ما هي مزايا الإضافات الأسمنتية المعدنية؟

1- تُعتبر هذه الإضافات اقتصاديةً، حيث تخفّف من تكاليف الخلط البيتونية، وذلك من خلال استخدامها كبديلٍ عن الأسمنت بنسبٍ مدروسة.

2- تُقلّل من الأثر الناتج عن صناعة الأسمنت على البيئة.

3- تُحسّن الإضافات الإسمنتية بحسب نوعها من قابلية تشغيل الخلطات الخرسانية.

4- الإضافات المعدنية تعمل على التقليل من نفوذية البيتون وامتصاصه.

5- من أهم حسنات هذه الإضافات أيضاً أنها تزيد من كتامة الكتلة الخرسانية.

6- تُخفّف من تسرُّب ذرات الكلور، وكذلك الهواء، مما يعرّض حديد التسليح للتآكل والصدأ، وبالتالي تؤمن هذه الإضافات حمايةً لحديد التسليح.

7- تحمي هذه الإضافات الخلطة من انفصال مكوناتها، وذلك عن طريق مساعدتها لعملية ضخّ البيتون بشكلٍ جيدٍ ومدروسٍ وصحيح. ^[2]

ما هي مكونات الإضافات الأسمنتية المعدنية؟

1– الرماد المُتطاير.

2- ميتاكاولين.

3- السيليكا.

4- خبث الأفران العالية الجيبي المطحون.

5- رماد قشر الأرز.

الرماد المُتطاير

هو عبارة عن ذراتٍ كروية الشكل صلبة، وهو عبارة عن منتجٍ ينتج من آثار احتراق الفحم الحجري المسحوق في محطات توليد الطاقة، ويتشكل الرماد المُتطاير من خلال انصهار شوائب الفحم، وبواسطة الغازات يتمُّ حمل هذه الحبيبات الزجاجية، والحصول على الرماد المُتطاير.

وتكون مكونات الرماد المُتطاير بشكلٍ أساسي من السيليكا، وأوكسيد الألمنيوم، وأوكسيد الكالسيوم، وبنسبٍ قليلةٍ أوكسيد البوتاسيوم، والكربون، وغيرها من المواد. يعدُّ أوكسيد الكالسيوم هاماً للغاية، فعلى أساسه يتمُّ تصنيف الرماد المُتطاير إلى صنفين أساسيين، وأيضاً هذا ما يفسر ماهية كون الرماد المُتطاير من المواد البوزولانية بسبب احتياجها للكلس.

ما هي أصناف الرماد المُتطاير؟

1- النوع C: يحتوي على نسبةٍ عاليةٍ من أوكسيد الكالسيوم أي قد تصل إلى 30 بالمئة، ويعرف بأنه محبٌّ للكالسيوم.

2- النوع F: يحتوي على نسبةٍ منخفضة من أوكسيد الكالسيوم التي قد تصل إلى 10 بالمئة.

يشكل الرماد المُتطاير المادة الأكثر شيوعاً واستخداماً في البيتون، وهو مادةٌ رخيصة الثمن مقارنةً بأمثالها. ^[3]

ما هي الآثار الإيجابية للرماد المُتطاير؟

1- يحسّن الرماد المُتطاير من قابلية تشغيل الخلطة البيتونية التي تتصف بالهبوط المثالي.

2- الرماد المُتطاير يخفض من كمية الماء ضمن الخلطة، وبالتالي يساعد ذلك في الحصول على هبوطٍ محدّدٍ للخلطة، ومناسبٍ، وذلك بالتقليل من الماء المستخدم.

3- لابدَّ من معاناة الخلطات البيتونية من ظاهرةٍ مهمّة، وهي ملاحظة وجود تجمُّعاتٍ من الماء على أسطح البيتون المصبوب حديثاً، وهذه العملية يطلق عليها النضح، وتعدُّ سلبيةً، وعندما يدخل الرماد المُتطاير يخفض ويقلل من هذه الظاهرة، ويُعتبر وجوده ضمن الخلطة حلاً مثالياً لنقص وجود الرمل. عندما يكون هناك كمية كبيرة من الماء ضمن الخلطة ستكون مشكلة النضح كبيرةً، وفي حال جفَّ السطح الخرساني قبل خروج الماء بشكلٍ كامل، فعندها ستتشكل تشقُّقات، وهي مشكلةٌ بالغة الأهمية.

4- حرارة إماهة الرماد المُتطاير منخفضةٌ أمام حرارة إماهة الأسمنت، وهذا ما يجعله خياراً مناسباً كمواد إضافيةً، وخاصةً في المنشأة الضخمة.

5- عادةً ما يكون تأثير الرماد المُتطاير على مشاكل الزحف والانكماش ضئيلة ولا تذكر.

6- في حال تمَّ استخدام نسبٍ مدروسةٍ بشكلٍ صحيح من الرماد المُتطاير، وتحديداً النوع F تكون الخرسانة مقاومةً لفعل الكبريتات، والتآكل الناتج عنه. ^{[3] [4]}

ماهي الآثار السلبية للرماد المُتطاير؟

1- من أحد سلبياته التأخر في اكتساب القوة والمتانة المطلوبة، وذلك في حاله الطقس البارد شتاء.

2- تؤدي إضافة الرماد المُتطاير لتأخير أزمنة الأخذ، وهذا يعدُّ مناسباً في الطقس الحار، ولكن ضمن الطقس البارد له تأثيرٌ سلبيّ لإمكانية تجمُّد الماء ضمن الخلطة، ولكن في حال إضافته لابدَّ من إضافة نوعٍ من الإضافات الخرسانية المُسرّعة.

3- يؤدي أيضاً إلى زيادةٍ في المدة الزمنية للمعالجة.

4- يحتوي على بعض الملوثات، كالزئبق، وهذا ما يُسبّب تلوث الهواء والبيئة، مما يجعل وكالة حماية البيئة تضع خططاً للتخلص السليم منه. ^[4]

خبث الأفران العالية الحبيبي المطحون

يتمُّ الحصول على هذه المادة من خلال صهر الحديد ضمن الأفران العالية، وهذه المادة عبارةٌ عن رابطٍ مائيٍّ مكوّنٍ بشكلٍ أساسي من المكونات الآتية: (Cao, Al2o3, Sio2)، والتي تتشكل ضمن ظروفٍ بيئيةٍ مناسبة تؤمنها عملية انصهار الحديد، وبعد الحصول على هذه المادة من الأفران يتمُّ تبريدها، وذلك ضمن درجة حرارة 1500 درجة مئوية.

وعادةً يتمُّ تبريد الخبث بطريقتين إما بالهواء، والذي يعدُّ تبريداً بطيئاً، وإما بالماء، والذي يعدُّ تبريداً سريعاً، وفي حالة التبريد السريع نحصل على مادةٍ حصوية، وتنتج جزيئات بحجم لا يتجاوز 5 ميلي متر. ومن ثم تؤخذ هذه الحبيبات والجزيئات، ويتمُّ طحنها ضمن مطحنةٍ كروية، وعندها نحصل على حبيباتٍ صغيرةٍ جداً، وتسمّى بإسمنت خبث الفرن العالي الحبيبي المطحون (Ground Granulated Blast Furnace slag).

تتنوع نسب استخدام الخبث ضمن الخلطة البيتونية، حيث تُنسب هذه الإضافة للمادة الإسمنتية، وتصل نسبتها إلى ما يقارب 85 بالمئة، وذلك تبعاً لنوع الخرسانة أي على سبيل المثال: في حالة الخرسانة العادية تصل النسبة حتى 40 بالمئة، و50 بالمئة.

من أهمّ الخصائص الفيزيائية لخبث الفرن العالي الحبيبي المطحون، أنه عادةً ما يعطي للخرسانة اللون الفاتح عكس الإسمنت البورتلاندي، والذي يعطي لوناً رمادياً غامقاً للعناصر الإنشائية، وذلك ينعكس على الناحية الجمالية. الوزن الحجمي لخبث الأفران العالية ما بين 1200 إلى 1370 كيلو غرام / متر مكعب، بينما كثافته تصل حتى 2.95، وسطحه النوعي ما بين 425 إلى 600 كيلو غرام / متر مكعب. ^[5]

ما هي إيجابيات ومزايا إضافة خبث الأفران للخرسانة؟

1- تبدي الخلطة البيتونية التي تحتوي على خبث الأفران، والذي يتمتع بنعومةٍ مقاربةٍ لنعومة الأسمنت زيادةً في كمية الضخّ نسبةً للخلطة العادية.

2- يعمل الخبث على زيادة عمر الهياكل الخرسانية، والتقليل من تكاليف صيانة وإصلاح العناصر البيتونية.

3- إضافة الخبث تزيد من قابلية تشغيل الخلطة، وكذلك متانة وقوة البيتون.

4- يعمل خبث الأفران على تقليل نسبة الفراغات ضمن البيتون، وبالتالي التقليل من نفاذية البيتون.

5- يتمتع الخبث بحرارة إماهةٍ أقلّ من حرارة الإسمنت، وهذه تعدُّ ميزةً للمنشآت الضخمة.

6- يساعد وجود الخبث ضمن الخلطة على عملية إنهاء للسطح والتشطيب الجيد أفضل من الخلطة غير الحاوية على الخبث. ^[5]

الميتاكاولين

يُعتبر الميتاكاولين مادةً بوزولانية طبيعية معالجةً حرارياً، ويعدُّ نوعاً من الغضار المشوي، وهي مادةٌ فعالةٌ جداً ذات جودةٍ ممتازةٍ واقتصاديةٍ جيدة، ويتمُّ تصنيعه بشكلٍ أساسي من الكاولين النقي جداً عالي الجودة، حيث يتمُّ شوي الكاولين بدرجة حرارةٍ منخفضة تتراوح ما بين 600 إلى 800 درجة مئوية، وعند انتهاء عملية حرقه وشويه، تتمُّ عملية طحنه، والحصول على حبيباتٍ ناعمة تحقُّق خصائص البيتون المطلوبة.

عادةً يتمُّ اللجوء لهذا النوع من الإضافات للحصول على نفوذيةٍ قليلةٍ للبيتون، وكذلك مقاومةٍ عالية، والجدير بالذكر أنه يتمُّ استخدامه كمادةٍ مضافةٍ حصراً أي ليس استبدالاً للإسمنت، وعلى ذلك يستخدم كمادة حشوٍ للفراغات بين جزيئات وذرات الإسمنت، وهذا الذي يفسّر كتامة البيتون باستخدامه. ^[6]

ما هي مزايا استخدام الميتاكاولين؟

1- تساهم هذه الإضافة بزيادة معدل الإنتاج، وذلك من خلال زيادة المقاومة المبكرة للبيتون في المراحل الأولى.

2- يعمل الميتاكاولين على مقاومة دورات التجميد والذوبان، وكذلك مقاومة الكبريتات، ومنع التفاعل القلوي والسيليكا.

3- تُعتبر من المواد غير الملوثة الطبيعية، فهي صديقةٌ للبيئة.

4- لا تعدُّ ذات تكلفةٍ عالية ومتوفرة بين الأيدي بسهولة.

والمزيّة السيئة الوحيدة لهذه المادة أن النقاء الكبير لها يُسبّب تقليلاً من قابلية تشغيل الخلطة، وهذا ما يؤدي لاستخدام إضافات الهواء المحبوس، وعلى ذلك فإن الميتاكاولين يتمُّ استخدامه في بناء الطرق، والسدود، والمباني الشاهقة الارتفاع، والأبراج، والجسور.

السيليكا (هباب السيليس)

أو ما يُسمّى المايكرو سيليس، وهو عبارةٌ عن منتجٍ ثانوي تمَّ الحصول عليه عند صناعة السبائك التي تحتوي على السيليكون أو السيليكون بحدِّ ذاته ضمن أفران القوس الكهربائي، وفي مرحلة انطلاقه من الفرن ينطلق على شكل بخارٍ مؤكسد، وعندما يتمُّ تبريده يتكاثر، ويتمُّ تجميعه ضمن أكياسٍ من القماش، ومن ثم تتمُّ إزالة الشوائب منه، والتحكم بجزيئاته، حيث تكون كروية الشكل وبحجمٍ أقل من واحد ميكرون.

وتتمتع السيليكا بسطح نوعي حوالي حتى 20,000   كيلو غرام / متر مكعب، بينما كثافته تصل إلى 2.5، ويتمتع بلونٍ رماديّ فاتح. يتوفر السيليكا على شكل مسحوق بودرة في الأسواق، وتصل نسبة استخدامه ضمن الخلطة الى 10 بالمئة من نسبه الإسمنت البورتلاندي. ^[7]

ما هو تأثير استخدام السيليكا على الخلطة البيتونية؟

1- بسبب نعومة جزيئات وذرات السيليكا، فإن ذلك يؤدي لاستخدام كمياتٍ كبيرةٍ من المياه، وهذا يحدُّ من استخدام السيليكا بكمياتٍ كبيرة.

2- ضمن الخلطة تعمل السيليكا على تحسين الخواص الميكانيكية للبيتون، حيث تحسّن المقاومة المبكرة، وتعطي قوة شدٍّ عالية.

3- في بعض الحالات يترافق مع استخدام السيليكا ظهور تشقُّقاتٍ في سطح البيتون، وذلك في حالة الطقس الحار، وهذا ما يُعرف بالانكماش الكبير والجاف.

4- إن استخدام السيليكا يخفّف من النّضح والانفصال، وذلك لأن الماء الزائد، والذي يُسبّب النّضح يتمُّ استهلاكه نتيجة المساحة السطحية الكبيرة للسيليكا.

5- تتميز السيليكا أيضاً بمقاومةٍ عاليةٍ لاختراق الكلوريد، وهجوم الكبريتات.

6- عادةً ينعكس أثر السيليكا على قابلية التشغيل بشكلٍ سلبي، لأنه يخفض من قيمتها، وبالتالي يزيد من تماسك الخلطة البيتونية وجمودها، وهذا ما يجعلها بحاجةٍ للماء أكثر. ^[7]