الميكروسليكا في UHPC: تراص الحبيبات والانسيابية وترابط الألياف

شرح عملي لتأثير الميكروسليكا في تراص الحبيبات وريولوجيا UHPC والإماهة والسطح البيني بين الألياف والمصفوفة، مع اختبارات التحقق الضرورية.

استخدم القيم الواردة كإطار أولي للاختيار، ثم تحقّق من الدرجة والجرعة بمواد المشروع الفعلية وتسلسل الخلط وظروف الخدمة.

1. تأثير الكرات الدوارة — تأثير التشحيم للجزيئات الكروية دون الميكرومتر

يتكون الميكروسليكا بشكل أساسي من جزيئات كروية غير متبلورة من ثاني أكسيد السيليكون فائقة الدقة، وحجم جزيئاتها الأصلية أصغر بكثير من جزيئات الأسمنت العادي.

عندما يتمكن الميكروسليكا من التفكك والتشتت بشكل كامل ومتجانس في ملاط الخرسانة عالية القوة فائقة الكثافة (UHPC)، يمكن للجسيمات الكروية الدقيقة أن تتسلل بين جسيمات الأسمنت، مما يقلل جزئيًا من مقاومة الاحتكاك بين الجسيمات أثناء عمليات القص والتدفق، ويشكل تأثيرًا تشحيميًّا شبيهًا بـ«الكرات الدوارة».

ويساعد هذا التأثير على:

• تقليل الاحتكاك الداخلي بين الجسيمات؛
• تحسين سيولة الملاط ذي نسبة الماء إلى الصمغ المنخفضة؛
• تقليل التلبد الموضعي وتكوّن الجسور بين الحبيبات؛
• زيادة قدرة الملاط على تغليف حبيبات الكوارتز والألياف الفولاذية.

لكن تأثير الكرات الدوارة لا ينتج تلقائيًا عن جميع أنواع الميكروسليكا.

اكتشف وانغ وزملاؤه، أثناء دراستهم لتأثير أنواع مختلفة من الميكروسليكا على سيولة الخرسانة عالية القوة فائقة الكثافة (UHPC)، أن انخفاض نسبة الفراغات بين الجسيمات، وارتفاع الكثافة التراكمية، وتوزيع الحجم الجسيمي الواسع والمعقول، وانخفاض محتوى الكربون، كلها عوامل تساعد بشكل أكبر على تحسين سيولة الخرسانة عالية القوة فائقة الكثافة (UHPC) من خلال تأثير الكرات وتأثير التلدين.

وهذا يعني أنه بالنسبة لـ UHPC، لا تتحدد القيمة الريولوجية لالميكروسليكا بحجم الجسيمات المتوسط فحسب، بل تتأثر أيضًا بشكل الجسيمات، ودرجة التكتل، ونطاق أحجام الجسيمات، ومستوى الشوائب.

إذا كان التكتل في الميكروسليكا شديدًا، فقد تشارك الجسيمات الأصليّة ذات الحجم دون الميكرومتر في عملية الخلط على شكل تكتلات كبيرة. في هذه الحالة، لا يصعب فقط تحقيق تأثير الحشو الدقيق وتأثير الكرات الدوارة، بل قد يؤدي ذلك أيضًا إلى زيادة كمية الماء المطلوبة للملاط، وزيادة اللزوجة اللدنة، وإضعاف كفاءة تشتيت مادة تخفيض الماء البولي كربوكسيلية.

لذلك، فإن الصيغة الأكثر دقة ليست «كلما كان الميكروسليكا أنعم، كان تأثير الكرات أقوى»، بل:

في ظل ظروف التشتت الكامل والتوزيع الحبيبي المعقول، يمكن للجسيمات الكروية فائقة الدقة أن تؤدي دور الكرات الدوارة والتزييت بشكل أكثر فعالية.

2. سد الفجوات الميكرونية ودون الميكرونية في توزيع الحبيبات

تنبع القوة العالية والمتانة العالية لخرسانة UHPC، في جوهرها، من بنية تراكم الجسيمات متعددة المقاييس عالية الكثافة.

في نظام UHPC النموذجي، تتولى المواد المختلفة نطاقات مختلفة من أحجام الجسيمات:

يشكل رمل الكوارتز الهيكل الأساسي للركام الناعم، بينما يملأ الأسمنت ومسحوق الكوارتز الفجوات الأكبر في هذا الهيكل، ويخترق الميكروسليكا المسام الميكرومترية ودون الميكرومترية الموجودة بين حبيبات الأسمنت.

لا يُعتبر الميكروسليكا هنا مجرد «إضافة نوع من المساحيق»، بل هو يعوض نطاقات الحبيبات المفقودة بين الأسمنت ومسحوق الكوارتز والرمل الناعم، مما يجعل التوزيع الفعلي للحبيبات أقرب إلى منحنى التراكم المستمر.

عند تصميم الخرسانة عالية القوة (UHPC) باستخدام طرق تراكم الجسيمات مثل نموذج أندرياسن وأندرسن المعدل (Modified Andreasen and Andersen)، تتمثل إحدى الوظائف المهمة لالميكروسليكا في تحسين درجة ملاءمة نظام المساحيق لمنحنى التدرج المستهدف، وتقليل الفراغات المتبقية بعد تراكم الجسيمات. وقد استخدمت الأبحاث ذات الصلة هذا النموذج لتصميم أنظمة UHPC وUHPFRC ذات قاعدة عالية الكثافة.

بعد تحسين التوزيع الحبيبي، يمكن أن يؤدي ذلك إلى عدة نتائج مباشرة:

أولاً، تقليل الفراغات الأولية التي يتعين ملؤها بالماء والملاط.

ثانياً، تشكيل هيكل صلب أكثر استمرارية عند نفس نسبة الماء إلى المادة اللزجة.

ثالثاً، تقليل المسام الكبيرة الموضعية والمناطق الضعيفة.

رابعاً، توفير مساحة نمو أكثر توازناً لنواتج التهيدرات اللاحقة.

ولكن تجدر الإشارة إلى أن ارتفاع الكثافة النظرية للتراكم الجاف لا يعني بالضرورة أن الأداء الفعلي لخرسانة UHPC سيكون أفضل.

فإن سماكة الغشاء المائي في الخرسانة عالية الأداء فائقة القوة (UHPC)، وامتصاص مادة خافضة الماء، وتكتل المساحيق، ومحتوى الهواء، وتأثير الألياف الفولاذية، كلها عوامل تؤدي إلى انحراف حالة التراكم الرطبة الفعلية عن الحسابات النظرية. ولذلك، يجب استخدام نموذج تراكم الجسيمات بالاقتران مع اختبارات الريولوجيا، واختبارات محتوى الهواء، والتحقق من الخصائص الميكانيكية.

3. الحشو الدقيق، وتكوين النوى، والتفاعل البوزولاني ليست عملية واحدة

يمكن تقسيم مساهمة الميكروسليكا في البنية المجهرية للخرسانة عالية القوة فائقة الصلابة (UHPC) إلى ثلاثة تأثيرات مترابطة، لكنها تحدث في أوقات مختلفة.

تأثير الحشو الفيزيائي

في مرحلتي الخلط والتشكيل، يقوم الميكروسليكا أولاً بملء الفراغات الدقيقة بين الأسمنت ومسحوق الكوارتز، مما يقلل من العيوب الأصلية والمساحة المتاحة لتكوين المسام.

تظهر هذه الوظيفة قبل حدوث تفاعل الهيدراتة على نطاق واسع.

تأثير تكوين النوى

توفر جزيئات الميكروسليكا الموزعة بشكل متجانس المزيد من مواقع تكوين النوى لنواتج هدرجة الأسمنت، مما يعزز ترسيب نواتج الهدرجة مثل C-S-H على سطح الجزيئات.

تشير الدراسات إلى أن دور الميكروسليكا في تكوين النوى، بالإضافة إلى امتصاصه التفضيلي لمخففات الماء البولي كربوكسيلية، قد يقصر فترة التحفيز لملاط الخرسانة عالية القوة فائقة الصلابة (UHPC)، ويعزز هيدراتة الأسمنت المبكرة وإطلاق الحرارة.

التفاعل البوزولاني

في مرحلة الهيدراتة اللاحقة، يتفاعل ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) غير المتبلور النشط الموجود في الميكروسليكا مع Ca(OH)₂ الناتج عن هيدراتة الأسمنت، مما ينتج عنه هلام C-S-H إضافي.

تساهم هذه العملية في تقليل بلورات هيدروكسيد الكالسيوم النسبية الضعيفة، مما يؤدي إلى زيادة دقة المسام وتحسين المصفوفة ومنطقة الانتقال بين الأسطح.

في عام 2024، أجريت دراسة استخدمت ثاني أكسيد التيتانيوم الخامل كمادة مرجعية، وقامت بفصل الدور الفيزيائي للملء الذي يلعبه الميكروسليكا عن دوره في التفاعلات الكيميائية. وأوضحت النتائج أن الميكروسليكا لا يؤدي دوره في الخرسانة عالية القوة فائقة الكثافة (UHPC) من خلال التفاعل البوزولاني فحسب. بل إن دوره في الملء، وتكوين النوى، وامتصاص مادة خافضة للماء، والتفاعلات اللاحقة، يساهم بشكل مختلف في مراحل عمرية مختلفة.

وهذا يفسر أيضًا لماذا لا يؤدي «زيادة نسبة إضافة الميكروسليكا» بالضرورة إلى زيادة مستمرة في القوة في الخرسانة عالية الأداء فائقة الانخفاض في نسبة الماء إلى الراتنج (UHPC).

عندما تكون الرطوبة الفعالة في النظام غير كافية، أو تكون عملية هيدراتة الأسمنت مقيدة، أو عندما يكون تكتل الميكروسليكا واضحًا، فإن الميكروسليكا الزائد قد يعمل بشكل أكبر كمواد حشو ذات مساحة سطح نسبية عالية، دون أن يتمكن من إكمال التفاعل البركاني المتوقع بشكل كامل.

4. يؤثر الميكروسليكا أيضًا على توزيع الألياف الفولاذية والترابط السطحي

لا تعتمد مقاومة الخرسانة عالية الأداء (UHPC) للانحناء والشد وقدرتها على تحمل الأحمال بعد التصدع على كمية الألياف الفولاذية المضافة فحسب، بل تعتمد أيضًا على مدى توزيع الألياف الفولاذية بشكل متجانس، وعلى مدى قدرة الألياف على تكوين قوة التصاق مناسبة مع المادة الأساسية.

يمكن لالميكروسليكا، من خلال تقليل حجم المسام المحيطة بالألياف وزيادة كثافة المادة الأساسية وتحسين بنية السطح البيني، أن يعزز الترابط والاحتكاك والتشابك الميكانيكي بين الألياف الفولاذية والملاط.

ولكن في الوقت نفسه، يؤدي الميكروسليكا أيضًا إلى تغيير إجهاد الخضوع واللزوجة اللدنة للملاط.

فإذا كانت لزوجة الملاط منخفضة جدًّا، قد تتعرض الألياف الفولاذية للترسب أو لفقدان التحكم في اتجاهها؛ أما إذا كانت اللزوجة مرتفعة جدًّا، فقد يؤدي ذلك إلى تكتل الألياف وصعوبة طرد الفقاعات وانخفاض قابلية التدفق.

في دراسة أجراها وو، خياط وشي في دراسة أجريت عام 2019، حددوا نسبة إضافة الميكروسليكا بنسبة تتراوح بين 0% و25% من كتلة مادة التصلب. وأظهرت نتائج التجارب أنه في ظل تركيبة الدراسة وظروف المواد المستخدمة، حقق الخرسانة عالية القوة فائقة (UHPC) التي تحتوي على نسبة الميكروسليكا تتراوح بين 10% و15% أداءً عاليًا في الترابط بين الألياف والمادة الأساسية، ومقاومة الانحناء، ومقاومة الشد.

ورأت الدراسة أن نطاق نسبة الإضافة هذا يحافظ على لزوجة منخفضة نسبيًا للملاط، ويجعل توزيع الألياف الفولاذية أكثر تناسقًا.

وقد توصلت دراسة أخرى إلى أن إضافة 20% من الميكروسليكا في نظام UHPC المحدد الخاص بها يمكن أن يحسن الخصائص الميكانيكية ويقلل معامل انتشار أيونات الكلور، مع تعزيز التآزر بين الألياف الفولاذية والمادة الأساسية في الوقت نفسه.

هذان النتيجتان لا تتعارضان، بل توضحان مسألة مهمة:

لا توجد في الخرسانة عالية القوة (UHPC) «نسبة إضافة مثالية موحدة لالميكروسليكا» بمعزل عن المواد الخام المحددة ونظام التركيبة.

تتأثر الكمية المثلى من الميكروسليكا بعوامل مثل تركيبة الأسمنت، ودقة طحن مسحوق الكوارتز، وتوزيع حبيبات الرمل، ونسبة الماء إلى المادة اللاصقة، ونوع مادة خافضة الماء، ومواصفات الألياف الفولاذية، وطاقة الخلط، ونظام العناية.

5. لا يمكن الاكتفاء بالنظر إلى محتوى SiO₂ عند اختيار الميكروسليكا المستخدم في الخرسانة عالية الأداء (UHPC)

يمكن اعتبار المعايير مثل ASTM C1240 عتبة الجودة الأساسية لاستخدام الميكروسليكا في المواد الأسمنتية، ولكن بالنسبة لـ UHPC، لا يكفي عادةً مجرد الامتثال للمعايير العامة.

عند اختيار النوع المناسب عمليًا، ينبغي أيضًا التركيز على دراسة ما يلي:

توزيع الحبيبات ونسبة المسامية: هل يمكنها سد الفجوات المفقودة في توزيع حبيبات الأسمنت ومسحوق الكوارتز الحالي؟

شكل الجسيمات الأولية وحالة التكتل: هل يمكن تفكيك التكتلات بشكل فعال في معدات الخلط الحالية؟

حالة التكتل: هل تتوافق درجة التكتل مع طريقة التغذية وطاقة الخلط ووتيرة الإنتاج؟

مقدار الفقد عند الحرق ومحتوى الكربون: قد يؤدي ارتفاع نسبة الكربون المتبقي إلى زيادة امتصاص المواد المضافة والتأثير على السيولة ونظام احتواء الغاز.

توافق مضافات الكاربوكسيل: قد يُظهر نفس نوع الميكروسليكا تباينًا ملحوظًا في الانسيابية ومقاومة الانهيار في أنظمة PCE المختلفة.

اتساق الدُفعات: يتميز الخرسانة عالية القوة فائقة الكثافة (UHPC) بنسبة ماء إلى مادة جافة منخفضة ومحتوى عالٍ من المساحيق، وهو حساس جدًا لتقلبات المواد الخام، حيث قد تؤدي التغيرات الطفيفة إلى تقلبات كبيرة في الخصائص الريولوجية والقوة.

التأثير على الانكماش وإطلاق الحرارة: قد يؤدي دور الميكروسليكا في تكوين النوى إلى تسريع عملية الهيدرات المبكرة، مما يزيد في الوقت نفسه من مخاطر إطلاق الحرارة المبكر والانكماش الذاتي. تشير الدراسات ذات الصلة إلى أن تحسين تشتت الميكروسليكا وتنظيم نشاطه المبكر يمكن أن يغير بشكل ملحوظ عملية الهيدرات في الخرسانة عالية الأداء (UHPC) وأدائها في المراحل المبكرة.

6. طرق تقييم الميكروسليكا في الخرسانة عالية الأداء (UHPC) أكثر موثوقية

بالنسبة لشركات إنتاج الخرسانة فائقة القوة (UHPC)، لا ينبغي أن يقتصر تقييم الميكروسليكا على تقارير الاختبارات الكيميائية فحسب، بل يجب أن يتم التحقق منه من خلال نظام التركيبات الفعلي.

يُوصى بإجراء الاختبارات التالية على الأقل في المستويات الأربعة التالية:

التحقق من توزيع الحبيبات

إدخال التوزيع الفعلي لأحجام جزيئات الأسمنت والميكروسليكا ومسحوق الكوارتز ورمل الكوارتز في نموذج تراكم الجسيمات، لتحليل مدى مطابقة التوزيع الحبيبي قبل وبعد إضافة الميكروسليكا، ومعدل الفراغ النظري.

التحقق من الخصائص الريولوجية

بالإضافة إلى درجة التمدد، ينبغي أيضًا الاهتمام بإجهاد الاستسلام للملاط، واللزوجة اللدنة، وقدرة الحفاظ على التدفق، وقدرة استعادة البنية بعد الخلط.

قد تتميز تركيبتان لهما نفس درجة التمدد بلزوجة وحالة تشتت للألياف مختلفة تمامًا.

التحقق من توزيع ألياف الصلب

يتم تقييم ما إذا كانت الألياف الفولاذية قد تشكلت تكتلات أو ترسبت أو اتخذت اتجاهاً واضحاً، من خلال قطع العينات وتحليل الصور أو أخذ عينات من أجزاء مختلفة من العناصر الإنشائية.

التحقق من الأداء الشامل

يتم في الوقت نفسه اختبار مقاومة الضغط، ومقاومة الانحناء أو الشد، وسلوك الألياف عند الشد، والانكماش الذاتي، ومحتوى الهواء، ومؤشرات المتانة، بدلاً من الاعتماد فقط على مقاومة الضغط بعد 28 يومًا في التقييم.

خاتمة

لا تكمن قيمة الميكروسليكا في الخرسانة عالية القوة فائقة الكثافة (UHPC) في مجرد «زيادة SiO₂ النشط»، ولا في «تعزيز تأثير الكرات النانوية» بشكل عام.

إن ما يشارك فيه حقًا هو عملية تصميم المواد متعددة المقاييس:

تنظيم الريولوجيا من خلال تأثير الكرات الدوارة والتزييت الذي توفره الجسيمات الكروية ذات الحجم دون الميكرومتر، وتحسين تراكم الجسيمات من خلال تعويض حجم الجسيمات، وتقليل العيوب الأولية من خلال الحشو الدقيق، وإعادة تشكيل نواتج التهيدرات من خلال تكوين النوى والتفاعل البوزولاني، وتحسين السطح البيني بين الألياف الفولاذية والمادة الأساسية من خلال زيادة الكثافة.

لذلك، لا ينبغي أن يقتصر السعي وراء الميكروسليكا عالي الجودة المستخدم في الخرسانة فائقة القوة (UHPC) على تحقيق درجة نقاء أعلى أو مساحة سطح نسبية أكبر فحسب، بل يجب أن يتمتع بما يلي:

توزيعًا معقولًا للجسيمات، وحالة تكتل قابلة للتحكم، وتوافقًا جيدًا مع مضافات خفض الماء، وأداءً مستقرًا بين الدفعات، بالإضافة إلى قدرة تشتت تتوافق مع عملية إنتاج الخرسانة عالية الأداء (UHPC) المستهدفة.

ما يحتاجه الخرسانة عالية الأداء (UHPC) ليس الميكروسليكا الذي يحقق أعلى المؤشرات، بل الميكروسليكا القادر على تحقيق التوازن بين التدرج الحبيبي، والريولوجيا، والهيدراتة، وتوزيع الألياف في التركيبة المحددة.