مقدمة عن منتج الخرسانة الحرارية منخفضة الأسمنت

تُقارن هذه الدراسة بين الخرسانة الحرارية منخفضة الأسمنت والخرسانة الحرارية التقليدية المصنوعة من أسمنت الألومينات. تتراوح نسبة الأسمنت المضافة في الخرسانة الحرارية التقليدية المصنوعة من أسمنت الألومينات عادةً بين 12 و20%، بينما تتراوح نسبة الماء المضافة بين 9 و13%. ونظرًا لارتفاع نسبة الماء المضافة، تتميز الخرسانة المصبوبة بكثرة المسامات، وانخفاض الكثافة، وضعف المقاومة. أما الخرسانة المصبوبة عالية المقاومة، فعلى الرغم من إمكانية الحصول على مقاومة أعلى في الظروف العادية ودرجات الحرارة المنخفضة، إلا أن المقاومة تنخفض بسبب التحول البلوري لألومينات الكالسيوم عند درجات الحرارة المتوسطة، وذلك نتيجةً لارتفاع نسبة الأسمنت المضافة. ومن الواضح أن أكسيد الكالسيوم المضاف يتفاعل مع ثاني أكسيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم في الخرسانة المصبوبة، مُنتجًا مواد ذات نقطة انصهار منخفضة، مما يؤدي إلى تدهور خصائص المادة عند درجات الحرارة العالية.

عند استخدام تقنية المساحيق فائقة النعومة، والمواد المضافة عالية الكفاءة، والتدرج الجزيئي العلمي، ينخفض ​​محتوى الأسمنت في الخرسانة إلى أقل من 8%، ومحتوى الماء إلى 7% أو أقل، مما يسمح بتحضير خرسانة حرارية منخفضة الأسمنت، حيث يكون محتوى أكسيد الكالسيوم فيها 2.5% أو أقل، وتتجاوز مؤشرات أدائها عمومًا مؤشرات أداء الخرسانة الحرارية المصنوعة من أسمنت الألومينات. يتميز هذا النوع من الخرسانة الحرارية بخاصية الانسيابية الجيدة، أي أن المادة المخلوطة تتخذ شكلًا معينًا وتبدأ بالتدفق عند تعرضها لقوة خارجية طفيفة، وتحافظ على شكلها عند إزالة هذه القوة. ولذلك، تُسمى أيضًا بالخرسانة الحرارية الانسيابية. وتندرج الخرسانة الحرارية ذاتية التدفق ضمن هذه الفئة. ولم يُحدد بعدُ تعريف دقيق لمصطلح "الخرسانة الحرارية منخفضة الأسمنت". تقوم الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM) بتعريف وتصنيف المواد الحرارية القابلة للصب بناءً على محتواها من أكسيد الكالسيوم (CaO).

تتميز الخرسانة الحرارية منخفضة الأسمنت بكثافتها العالية وقوتها الفائقة. وهذا يُحسّن من عمر المنتج وأدائه، ولكنه يُسبب مشاكل أثناء عملية الخبز قبل الاستخدام، حيث يُمكن أن يحدث انسكاب بسهولة إذا لم يتم التعامل معه بحذر. وقد يتطلب انفجار الخرسانة إعادة صبها على الأقل، أو قد يُعرّض سلامة العمال للخطر في الحالات الشديدة. لذلك، أجرت دول عديدة دراسات مختلفة حول خبز الخرسانة الحرارية منخفضة الأسمنت. وتتمثل التدابير التقنية الرئيسية في: وضع منحنيات خبز مناسبة واستخدام مواد فعّالة مضادة للانفجار، مما يُتيح التخلص من الماء بسلاسة دون التسبب في أي آثار جانبية أخرى.

تُعدّ تقنية المساحيق فائقة النعومة التقنية الأساسية للمواد الحرارية المصبوبة منخفضة الأسمنت (معظم المساحيق فائقة النعومة المستخدمة حاليًا في السيراميك والمواد الحرارية يتراوح حجمها بين 0.1 و10 ميكرومتر، وتعمل بشكل أساسي كمسرّعات تشتيت ومكثّفات هيكلية. فالأولى تُسهم في تشتيت جزيئات الأسمنت بشكل كبير دون تكتل، بينما تعمل الثانية على ملء المسام الدقيقة في جسم الصب بالكامل، مما يُحسّن من قوته).

تشمل أنواع المساحيق فائقة النعومة الشائعة الاستخدام حاليًا ثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، وأكسيد الألومنيوم (α-Al2O3)، وأكسيد الكروم (Cr2O3)، وغيرها. تبلغ مساحة السطح النوعية لمسحوق ثاني أكسيد السيليكون الدقيق حوالي 20 م²/غ، ويبلغ حجم جسيماته حوالي 1/100 من حجم جسيمات الأسمنت، مما يمنحه خصائص ملء جيدة. إضافةً إلى ذلك، يمكن لمساحيق ثاني أكسيد السيليكون، وأكسيد الألومنيوم، وأكسيد الكروم الدقيقة، وغيرها، أن تُشكّل جسيمات غروانية في الماء. عند وجود مُشتِّت، تتشكّل طبقة كهربائية مزدوجة متداخلة على سطح الجسيمات لتوليد تنافر كهروستاتيكي، يتغلب على قوى فان دير فالس بين الجسيمات ويقلل من طاقة السطح البيني. يمنع هذا التنافر الامتزاز والتكتل بين الجسيمات؛ وفي الوقت نفسه، يمتز المُشتِّت حول الجسيمات مُشكِّلًا طبقة مذيبة، مما يزيد من سيولة المادة المصبوبة. وهذا أيضاً أحد آليات المسحوق فائق النعومة، أي أن إضافة المسحوق فائق النعومة والمشتتات المناسبة يمكن أن يقلل من استهلاك الماء للمواد الصب المقاومة للحرارة ويحسن من سيولتها.

تُعدّ عملية تصلب وتصلب الخرسانة الحرارية منخفضة الأسمنت نتاجًا لتأثير كلٍّ من الترابط المائي والترابط التماسك. وتتمثل عملية تصلب وتصلب أسمنت ألومينات الكالسيوم بشكل رئيسي في ترطيب الطورين الهيدروليكيين CA وCA2، وعملية نمو بلورات هيدراتهما، حيث تتفاعل هذه الطورين مع الماء لتكوين بلورات سداسية رقائقية أو إبرية الشكل من CAH10 وC2AH8. ثم تُشكّل نواتج الترطيب، مثل بلورات C3AH6 المكعبة وهلامات Al2O3aq، بنية شبكية مترابطة من التكثيف والتبلور أثناء عمليات المعالجة والتسخين. ويعود التكتل والترابط إلى تكوّن جزيئات غروانية من مسحوق SiO2 النشط فائق النعومة عند ملامسته للماء، وتفاعله مع الأيونات المتفككة ببطء من المادة المضافة (أي المادة الإلكتروليتية). نظرًا لاختلاف الشحنات السطحية للمادتين، أي أن سطح الغرواني يحتوي على أيونات معاكسة ممتصة، ينخفض ​​الجهد الكهربائي ويحدث التكثيف عندما يصل الامتزاز إلى "نقطة التعادل الكهربائي". بعبارة أخرى، عندما يكون التنافر الكهروستاتيكي على سطح جزيئات الغرواني أقل من قوى التجاذب، يحدث ترابط تماسك بمساعدة قوى فان دير فالس. بعد تكثيف المادة الحرارية القابلة للصب الممزوجة بمسحوق السيليكا، تجف مجموعات Si-OH المتكونة على سطح SiO2 وتفقد الماء لتشكل جسورًا، مكونةً بنية شبكية من السيلوكسان (Si-O-Si)، مما يؤدي إلى التصلب. في بنية شبكة السيلوكسان، لا تتناقص الروابط بين السيليكون والأكسجين مع ارتفاع درجة الحرارة، وبالتالي تستمر القوة في الازدياد. في الوقت نفسه، عند درجات الحرارة العالية، تتفاعل بنية شبكة SiO2 مع Al2O3 المغلفة بها لتكوين الموليت، مما يحسن القوة عند درجات الحرارة المتوسطة والعالية.