الخرسانة Concrete حجر صناعي يتكون من خليط الإسمنت الپورتلندي وركام من كسر الحجارة أو الحصى والرمل والماء النظيف بنسب محدودة. ويعد الإسمنت المادة الكيمياوية التي تتفاعل مع الماء لتعطي عجينة رابطة لعناصر الركام.

المنظر الخارجي للپانثيون الروماني، مازال أكبر قبة من الخرسانة غير المسلحة.^[1]

مبنى حديث: مبنى مدينة بوسطن (اكتمل في 1968) يكاد يكون مبني بالكامل بالخرسانة، مسبقة الصب والمصبوبة في الموقع.

Opus caementicium laying bare على مقبرة بالقرب من روما. وعلى النقيض من المنشآت الخرسانية الحديثة، فإن الجدران الخرسانية في المباني الرومانية كانت مغطاة، عادة بالطوب أو الحجر.

منزل هنبيك في بورگ-لا-رين، المبني بين 1894 و 1904، كان أول مبنى خرساني في فرنسا.

تتوقف كفاية الخرسانة بعد تصلبها على نوعية المواد الداخلة في تركيبها ونسبها إضافة إلى طريقة المعالجة في المرحلة الأولى من عمر الخرسانة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التاريخ

يعود تاريخ أقدم تسجيلات الهياكل الخرسانية إلى 6500 قبل الميلاد من قبل الأنباط في مناطق سوريا والأردن. قاموا بإنشاء أرضيات خرسانية وهياكل سكنية وصهاريج تحت الأرض. واستخدم المصريون الطين الممزوج بالقش لربط الطوب المجفف منذ 3000 سنة قبل الميلاد. كما استخدموا مدافع الهاون الجبسية وقذائف الجير في الأهرامات. استخدمت أهرامات الجيزة حوالي 500 ألف طن من الملاط.

ويعتبر الرومان هم من اول من استعمل الخرسانة العادية Plain Concrete في التاريخ من حوالى ألفى عام و قد استعملت في معظم مبانيهم لسهولة تشكيلها و امكان تفيذها بعمالة مدربة تدريبا بسيطا .

الخرسانة هى مخلوط من مواد اولية مكونة من الرمل والزلط (أو السن أى كسر الأحجار) والأسمنت مع اضافة الماء إليهما . وعند خلطهم جيدا تتم عملية تماسك بينهم تسمى زمن الشك Setting time .

و للخرسانة خصائص كثيرة تمتاز بها عن المواد الأخرى ، فهى تأخذ شكل صلد و متين مع الزمن تدريجيا و تبدأ بالشك الإبتدائى Initial setting و تنتهى بالشك النهائى Final setting . كذلك فهى شديدة المقاومة للضغط Compression و لكنها في نفس الوقت ضعيفة جدا في مقاومتها للشد Tension لذلك فالخرسانة العادية (غير المسلحة) لا تستخدم ابدا في الأماكن التى تحدث فيها اجهادات الشد (مثل الكمرات).

للتغلب على هذه المشكلة ، يوضع الحديد و هو مقاوم ممتاز لقوى الشد و قوى الضغط و في 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 و الحديد يعطى مادة مثالية لمقاومة الإجهادات المختلفة المؤثرة عليها . و هذا المركب هو ما يعرف باسم الخرسانة المسلحة Reinforced concrete .

تتوقف كفاية الخرسانة بعد تصلبها على نوعية المواد الداخلة في تركيبها ونسبها إضافة إلى طريقة المعالجة في المرحلة الأولى من عمر الخرسانة.

مكونات الخرسانة

Installing rebar in a floor slab during a concrete pour.

Concrete plant facility (background) with concrete delivery trucks.

مكونات الخرسانة الأساسية هي الركام والماء والإسمنت:

الركام

ويشتمل على الركام الناعم والركام الخشن.

أما الركام الناعم fine aggregate فيحتوي على الرمل وكسر الحجارة أو الحصى أو أي مواد أخرى ذات خواص مماثلة، ويجب أن يكون الركام نظيفاً وقاسياً ولا يحتوي على عوالق من مواد عضوية أو أية شوائب أخرى.

يجب أن تمر مكونات الركام الناعم جميعها من غربال فتحاته 6.35ملم (الغربال رقم 4)، ويمكن التغاضي أحياناً بحيث لا يقل ما يمر من الغربال عن 85% من الركام، وينبغي أن تكون مكونات هذا الركام متدرجة الأبعاد إلى حد مقبول، ولا توجد فيه مواد شديدة النعومة بكميات زائدة مما يؤدي إلى زيادة السطح النوعي للركام ومن ثم الحاجة إلى كمية كبيرة من الإسمنت لتغليفها، وعموماً فإن نسبة المواد ذات النعومة الزائدة (المارة على الغربال 100) يجب ألا تتجاوز 6%.

وأما الركام الخشن coarse aggregate فيحتوي على كسر الحجر والحصى أو أي مواد أخرى ذات خواص مماثلة ويجب أن يكون نظيفاً وقاسياً إضافة إلى كونه خالياً من الشوائب كما هي الحال في الركام الناعم، وشكل حبيباته أقرب ما يكون إلى المنتظم، أو الدائري من دون زوايا حادة أو سطوح مستوية.

تعد الصخور الغرانيتية أو البازلتية من أهم مصادر الركام وكذلك الحجر الكلسي، أما البعد الأعظمي لحبيبات الركام الخشن، فيتوقف على نوع الخرسانة المطلوبة، وكلما زاد حجم الشدف (القطع) انخفض السطح النوعي للركام ومن ثم تقل كمية الإسمنت اللازمة لصنع خرسانة ذات مقاومة محدودة. وبصورة عامة فإن القطر الأكبر لشدف الركام هو 20ملم لأعمال العناصر الصغيرة من الخرسانة المسلحة، ونادراً ما يستخدم في أعمال الخرسانة المسلحة الركام ذو الشدف بقطر 40ملم.

كذلك يمكن استخدام الخبث الناتج عن الأفران العالية لأنه يتمتع بمقاومة مرتفعة تحت الضغط ويوفر سطحه الخشن التماسك الجيد مع الإسمنت، وينصح باستعمال هذا الركام في الكتل الخرسانية الكبيرة في حين يتم تجنبه في العناصر الخرسانية المسلحة ذات السماكة القليلة والمعرّضة لتأثير المياه بسبب تكوينه المسامي.

ماء الخلطة

يستخدم في تحضير الخرسانة الماء النظيف الخالي من الزيوت أو الحموض أو القلويات أو المواد العضوية وغيرها من الشوائب الضارة. ويجب تجنب مياه البحر في تحضير الخلطة الخرسانية، كما يجب، الابتعاد عن استخدام المياه النقية ذات المصدر المجاور للصخور الغرانيتية والتي تسبب انحلال الأملاح الموجودة في الخرسانة.

الإسمنت

هو المادة الرابطة الأساسية

إن الخواص الأساسية للخرسانة المتصلبة هي المقاومة تحت الضغط، والتي يجري قياسها مخبرياً باستخدام عينات نظامية تخضع لحمولة محورية ضاغطة، والمقاومة تحت الشد التي يجري قياسها إما بتطبيق حمولة محورية شادة أو باستخدام تجربة الفتل الدائري. وإن المقاومة تحت الشد هي خاصية هامة، ذلك أنها تعبر عن نوعية الخرسانة بطريقة أفضل مما تعبر عنه المقاومة تحت الضغط إذ إن الخرسانة التي تبدي مقاومة جيدة تحت الشد تتصف دائماً بمقاومة مرتفعة تحت الضغط إلا أن العكس غير صحيح دائماً وخصوصاً في حالة الركام غير النظيف. وأخيراً الهشاشة fragility وهي النسبة بين المقاومة تحت الضغط إلى المقاومة تحت الشد وتبدي الخرسانة ذات عامل الهشاشة المرتفع تشققات في عمر مبكر.

يمكن تعديل وتحسين خواص الخرسانة الطرية في طور تصنيعها أو المتصلبة عن طريق المُضافات additives التي تخلط بنسب محددة مع الماء اللازم لتكوين الخلطة - وقد درج في العقدين الأخيرين من القرن العشرين استخدام المُضافات الصناعية ذات الأساس الراتنجي resine التي يمكن أن ترفع المقاومة تحت الضغط أو الشد أو الاهتراء أو غيرها.

تبدي الخرسانة من حيث المبدأ مقاومة تحت الضغط تزيد بمرات عدة على مقاومتها تحت الشد، وقد أدى استخدام القضبان الفولاذية في الخرسانة إلى امتصاص قوى الشد فصارت تعرف باسم الخرسانة المسلحة.

ومع أن فكرة الخرسانة المسلحة قديمة إلا أنها لم تستخدم على نطلق واسع قبل النصف الثاني من القرن التاسع عشر، وبدءاً من عام 1894 جرى في فرنسا مثلاً استخدام الحسابات النظرية في الخرسانة المسلحة بدلاً من التقديرات التجريبية empirique المستخدمة سابقاً.

Cement being mixed with sand and water to form concrete.

ميزات الخرسانة والخرسانة المسلحة

يمكن حصر هذه الميزات فيما يأتي:

1ـ مرونة الاستخدام: تُصب الخرسانة الطرية في قوالب للحصول على أشكال مختلفة للخرسانة تبعاً لشكل القالب المستخدم.

2ـ اقتصادية أعمال الصيانة: تحتاج المنشآت المعدنية إلى أعمال الطلاء الدوري، وتتأثر وصلات المنشآت الحجرية بالصقيع عادة، في حين لا تحتاج منشآت الخرسانة المسلحة الأساسية إلى أعمال الصيانة.

3ـ مقاومة الحريق: الخرسانة مادة ضعيفة الناقلية الحرارية، إضافة إلى أنها ذات تمدد حراري أقل من مواد البناء الأخرى كالغضار وحجر البناء. إن انخفاض عامل التمدد الحراري يقلل من ظهور التشققات عند ارتفاع درجة حرارة الخرسانة، كما إن ضعف الناقلية الحرارية يحول دون وصول حرارة الحريق إلى باطن كتلة الخرسانة ليبلغ حديد التسليح.

وقد بينت التجارب أن تعرض السطح الخارجي في كتلة من الخرسانة لدرجة حرارة مرتفعة في مدة ساعة واحدة، لا يؤدي إلى ارتفاع ملحوظ في درجة حرارة الطبقة السطحية على عمق نحو 2.5سم في السطح المذكور، في حين يكاد يكون ارتفاع الحرارة مهملاً في الطبقات على عمق 7.5سم.

وأخيراً، فإن تقارب عاملي التمدد الحراري للخرسانة ولحديد التسليح يسمح بإعادة استثمار المنشأة من الخرسانة المسلحة بعد إصلاحات سطحية في حالات الحريق الخفيف أو غير الطويل الأمد في حين أن المنشأة المعدنية مثلاً وفي الشروط نفسها يمكن أن تصبح غير قابلة للاستثمار.

4ـ مقاومة الحمولات الطارئة: الخرسانة المسلحة أقل تأثراً بتغير تطبيق الحمولات الحية عليها من بقية مواد الإنشاء، وذلك بسبب وزنها الذاتي المرتفع. بمعنى أن الأجزاء الأقل مقاومة تخضع لتشوهات كافية لنقل القوى إلى الأجزاء الأكثر مقاومة.

5ـ إمكانية الحصول على قطع مسبقة الصنع: يمكن تنفيذ القطع الخرسانية مسبقة الصنع في المعمل، ثم يجري تجميعها في موقع العمل

عيوب الخرسانة

كما هو الحال في جميع مواد البناء، فإن الخرسانة المسلحة تبدي عدداً من العيوب أهمها:

1ـ الوزن الذاتي المرتفع: يتغير وزن الخرسانة بشكل أو بآخر تبعاً لنسب الخلطة وقوام الركام consistency ونوعيته، وبصورة عامة فإن المتر المكعب من الخرسانة ذات الركام العادي من الحصى والرمل يزن عادة بين 2240-2400 كيلو غرام، ويؤدي إضافة حديد التسليح إلى زيادة الوزن تبعاً لنسب الحديد المستخدم، ويتجاوز الوزن حدود 2400 كيلو غرام للمتر المكعب.

ومن ثم فإن للخرسانة وزناً ذاتياً أكبر من بديله المنفذ كمنشأة معدنية، مما يتطلب أساسات ذات حجم أكبر ويؤدي إلى ارتفاع الكلفة.

2ـ الحاجة إلى الدقة في كمية حديد التسليح وطريقة ربطه.

3ـ غالباً ما يتطلب تصنيع القالب اللازم للصب وقتاً طويلاً إضافة إلى أعمال التدعيم والتربيط، وضرورة بقاء القالب حتى تحصل الخرسانة على المقاومة الكافية.

4ـ ضرورة أخذ الاحتياطات الكافية في أثناء صب الخرسانة وحمايتها بعد ذلك من الصقيع أو من الجفاف السريع.

انواع الخرسانة

Blocks of concrete in Belo Horizonte, البرازيل.

تعددت انواع الخرسانة كثيرا في وقتنا الحاضر نتيجة مكوناتها نذكر منها على سبيل المثال :

- مونة خرسانية : مكونة من خلط الزلط الحمصانى مع مونة الرمل و الأسمنت .

- خرسانة : و قد تسمى باطون وهي خليط من البحص (الطبيعي او كسر الحجر الصلب) مع الرمل النظيف والخالي من الشوائب والبودره الناعمه جدا مع الأسمنت بنسب متعارف عليها فنيا.

- خرسانة عادية : و قد تسمى خرسانة نظافه ولا تستعمل في صب اي منشئآت عليها احمال وتصب عادة لملء الفراغات ولتثبيت التربه تحت او حول منشئآت مسلحه بالحديد.

- خرسانة مسلحة: هي خرسانه تسمى مسلحه لأنها تصب مع قضبان حديديه لها اشكال خاصه يحددها مهندسون متخصصون بالتصميم لجعل الجسم المصبوب من هذه الخرسانه مع الحديد اكثر قوه وقادر على تحمل اوزان كثيره مثل (الجسور ، الأسقف ، المباني العاليه ...).

- خرسانة بيضاء : مكونة من خلط اسمنت أبيض مع مونة الرمل و البحص .

- خرسانة كسر طوب : مكونة من خلط كسر الطوب مع مونة الرمل و الأسمنت .

كما يوجد انواع اخرى من الخرسانات المسلحه التي لها صفات و استخدامات خاصة مثل :

- الخرسانة المسلحة المصبوبة تحت الماء .

- الخرسانة المسلحة المقاومة للحريق .

- الخرسانة المسلحة المقاومة للإشعاعات الذرية .

- الخرسانة المسلحة للسدود .

- الخرسانة المسلحة ضد القنابل .

- الخرسانة المسلحة المقاومة للزلازل .

- الخرسانة المسلحة الملونة .

و الطرق المختلفة لتجهيز منتجات الخرسانة المسلحة يكسبها اسماء اخرى مثل :

- الخرسانة المصبوبة في الموقع (لا يتم تحريك الجسم المصبوب بعد الصب)In-Situ concrete .

- الخرسانة مسبقة الصب (تصب الاجسام في موقع ويتم تركيبها في موقع آخر) Pre-Cast concrete products .

- الخرسانة سابقة الإجهاد(تصب ويتم شدها بأسلاك قويه جدا لتكون قادره على حمل احمال كبيره جدا مثل الجسور الطويله جدا Pre-Stressed concrete .

خلط الخرسانة

Pouring a concrete floor for a commercial building, slab-on-ground.

Concrete pump.

A concrete slab ponded while curing.

قبل خلط مواد الحرسانة يجب التأكد من نظافة الرمل و الزلط (او السن) و لذلك يجب تنظيفهم من اى مواد عضوية عالقة بها و ذلك بهزهم في المنخل Sieve و غسلهم بالماء قبل استعمالهم لأن وجود نسب كبيرة من الطين او المواد العضوية او الأملاح او الفوسفاتات في الخرسانة يسبب تأكل و صدى الحديد الموجود فيها و يضعف من قوتها . و يتم خلط المواد الأولية للخرسانة عموما بطريقتين رئيسيتين :

Concrete mixture placement

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الخلط اليدوى

بعد تنظيف الرمل و الزلط ، تخزن المواد في مكان مناسب بالموقع بعيدا عن الرطوبة ، يتم خلط الخرسانة يدويا بطريقة استعمال الجاروف و ذلك لخلط كميات قليلة من الخرسانة .

اما الخلط اليدوى الشائع الاستعمال للكميات الكبيرة من الخرسانة فيتم بوضع حجم عدد 2 صندوق كيل Batch box من الزلط أو السن يضاف عليهم حجم صندوق كيل من الرمل و عدد شكاير الأسمنت المطلوبة ثم تخلط هذه المواد على الناشف ثلاث مرات على طبلية مستوية صماء من الواح الخشب أو اى مادة مماثلة باستعمال الجاروف ذو الشداد و بعدما يصبح لون المخلوط متجانسا يضاف الماء تدريجيا بالقدر المطلوب للخلط ، و يستمر التقليب و الخلط ثلاث مرات حتلا يتجانس لون و قوام الخلطة .

الخلط الميكانيكى

تخلط الخرسانة ميكانيكيا بالنسب المطلوبة في خلاطات ذات سعة مناسبة مع تناسب حجمها بمعدل النقل و الصب للعملية و تستعمل الخلاطات في موقع العمل و يتناسب عدد الخلاطات مع نوع و طبيعة العمل و مع كميات الخرسانة المطلوبة .

و قد تجهز الخرسانة اوتوماتيكيا في محطات خاصة تعرف باسم محطات تجهيز الخرسانة Ready Mix و منها تنقل إلى موقع العمل عن طريق عربات مجهزة Concrete mix trucks و تتم طريقة الخلط في محطات تجهيز الخرسانة بطريقتين :

طريقة الخلط المركزى

تخلط و تجهز الخرسانة في هذه الطريقة في محطة تجهيز الخرسانة و يكون مكانها غالبا قريب موقع المشروع و تتم العملية كالأتى :

يفرد الزلط (السن) و الرمل و ينظفوا بالمياه حتى يصيروا مشبعين بالمياه و السطح جاف و خصوصا في الجو الحار ثم يشونوا إلى اماكنهم الخاصة القريبة من صومعة الأسمنت السائب و خزان المياه و بعد قياس مواد الرمل و الركام (الزلط أو السن) و الأسمنت يصب المخلوط في خلاط مركزى و يخلط على الناشف أولا عدة مرات ثم يضاف عليه الماء بنسبة معينة و عادة تحدد نسبة الماء / الأسمنت Water / Cement ratio على حسب نوع الخرسانة المطلوبة فتجهيز خرسانة بلاطة الأرضيات مثلا تكون نسبة الماء للأسمنت 0.7 (لعدم الحاجة إلى مقاومة عالية من الخرسانة فبلتالى تزيد نسبة المياه) اما تجهيز خرسانة الأسقف و الأعمدة و الكمرات فتكون نسبة المياه للأسمنت فيها حوالى 0.5 (للحاجة إلى مقاومة عالية ، فوجب تقليل نسبة المياه لتزيد المقاومة).

تنقل الخرسانة إلى الموقع عن طريق عربات مجهزة لذلك و يجب ألا يزيد مشوارها من المحطة إلى موقع العمل عن 45 دقيقة و هى المدة الكافية لتكوين الشك الإبتدائى للخرسانة . كما يجب ان تقلب الخرسانة ببطء داخل اسطوانة العربة الناقلة اثناء النقل لمنع انفصال مواد الخرسانة أو تماسكها.

طريقة الخلط اثناء النقل

تخلط مكونات الخرسانة على الناشف في الخلاطة المركزية كما في طريقة الخلط المركزى إلا انه يتم خلط الخرسانة بالماء في العربة الخلاطة إما اثناء النقل لموقع العمل او قبل الصب مباشرة ، من فوائد هذه الطريقة انها تعطى وقتا اكبر في النقل إلا ان عيبها يتمثل في ان سعة العربة الخلاطة عادة تكون حوالى 3/4 سعة العربة الناقلة للخرسان الجاهزة و ذلك لأن خلط مكونات الخرسانة بالماء يقلل من حجمها ، كما يجب ان تكون سرعة تقليب الخرسانة اثناء النقل تتراوح بين 2 - 6 دورة / دقيقة للحفاظ على قوام الخرسانة .

Concrete compaction

معالجة

الخصائص

الاهتمامات البيئية

Worldwide CO₂ emissions and global change

المياه السطحية الجارية

الحرارة في المناطق الحضرية

غبار الاسمنت

الاهتمامات الصحية

معالجة الخرسانة واحتياطات السلامة

Secondary efflorescence: Water seeping through the concrete, often in cracks, having dissolved components of cement stone. Osteoporosis of concrete often happens in parking garages, as road salt comes off cars to the concrete floor as a saline solution in the winter.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

وسائط الضرر

Concrete spalling caused by the corrosion of reinforcement bars after that carbonation of cement decreased the pH below the passivation threshold for steel.

إصلاح الخرسانة

إعادة تدوير الخرسانة

السجلات العالمية

ضخ الخرسانة

الصب المستمر

The interior of the Pantheon in the 18th century, painted by Giovanni Paolo Pannini.

استخدام ملموسة في البنية التحتية

هياكل كتلة ملموسة

هياكل خرسانة مسلحة

الهياكل الخرسانية سابقة الاجهاد

مواد الخرسانة

Three textures of concrete featured in Scottsdale, AZ, created with form liner.
A 67-foot concrete lizard basks in the sun, featured on a sound/retaining wall in Scottsdale, AZ.
40-foot cacti decorate a sound/retaining wall in Scottsdale, AZ.