تحتوي الخرسانة على مكونات مثل الأسمنت والرمل والركام الخشن والماء بنسب مصممة بشكل صحيح. يتم الوصول إلى هذه النسبة إما كخلطة اسمية أو عن طريق خلطة تصميمية. جميع المواد لها خصائصها الخاصة وأهميتها للمساهمة في قوة الخرسانة النهائية. يستخدم الأسمنت كمادة ملزمة / رابطة في الخرسانة بسبب الأفضلية في خصائص اللصق والتماسك بينما الماء هو أرخص وأهم مكون للخرسانة. عندما يتم خلط هاتين المادتين، يحدث تفاعل كيميائي يسمى الإماهة. ينتج عن تفاعل الإماهة مادة هلامية لزجة وسميكة لها خاصية الترابط / الربط والتي تربط كل الركام في شكل مادة صلبة وقوية. وبالتالي، فإن كلا من الأسمنت والماء مسؤولان عن ربط جميع عناصر الخرسانة معًا.
يتم استخدام الأسمنت والماء حسب نسبتهما وتسمى بنسبة الماء إلى الأسمنت (م/س). يتم تعريف نسبة الماء إلى الأسمنت على أنها نسبة وزن الماء إلى وزن الأسمنت. تتراوح نسبة الماء / الأسمنت حسب أكواد البناء لخلطة الخرسانة من ٠.٤٠ إلى ٠.٦٠. تستخدم نسبة م / س = ٠.٧٠ أيضًا للخرسانة التي يتم ضخها بالبامب. تشير نسبة م/س = ٠.٥٠ إلى أن لكل ١٠٠ كجم من الأسمنت، يتم استخدام ٥٠ لترًا من الماء. مع زيادة نسبة الماء / الأسمنت تزداد كمية الماء الكلية.
لماذا نحتاج إلى إضافة كمية كافية من الماء إلى الخلطة الخرسانية؟
من الناحية الفنية ووفقًا للدراسات، يتطلب الأسمنت ٢٣٪ من الماء لعملية الإماهة و ١٥٪ لتوسيع المسام وزيادة الحجم. لذلك فإن ٣٨٪ من الماء بالوزن من الأسمنت هو الحد الأدنى والضروري.
من البيانات التجريبية، وجد أنه من أجل الإماهة الكاملة لعجينة الأسمنت وعدم ترك أي مسام شعرية، هناك حاجة إلى كمية كافية من الماء في خلطة الخرسانة. تقابل أقل كمية من هذا الماء نسبة ٠.٣٨ م / س. وبالتالي، إذا كانت نسبة الماء إلى الأسمنت أقل من ٠.٣٨، فإن تفاعل الإماهة الكامل غير ممكن. إذا كانت أكثر من هذا فإن الكتلة الخرسانية تصبح مسامية وقابلة للاختراق وإذا كانت أقل فتكون الخرسانة جافة وقاسية وقد لا ترتبط ولا تتطور قوتها الكاملة.
بالنظر في قابلية التشغيل، تم العثور على نسبة الماء إلى الأسمنت المناسبة على أنها ٠.٤٠، لكن اختيارها يعتمد على متطلبات قابلية التشغيل في ظروف التعرض المختلفة وطبيعة العمل. عند نسبة الماء إلى الأسمنت ٠.٤٠، يحتوي المزيج على كمية كافية من الماء للإماهة وكذلك لتوفير السهولة في عملية صب الخرسانة مثل الخلط والوضع والنقل والدمك لأن الماء يعمل كمواد تشحيم في الخلطة الخرسانية ويقلل الاحتكاك الداخلي بين جزيئات الخرسانة.
عند هذه النسبة من الماء إلى الأسمنت ، تكون "العجينة الأسمنتية" المتكونة في بنية فيزيائية جيدة وكثيفة. عند ارتفاع نسبة الماء / الأسمنت، تكون "العجينة الأسمنتية" المتكون في بنية فيزيائية ضعيفة، ويخلق ذلك فراغات أثناء التبخر اللاحق وتصبح أكثر مسامية، مما يؤدي إلى انخفاض قوة الخرسانة في عمر لاحق.
حساب بسيط لكمية المياه للخرسانة
إذا احتجنا إلى حساب كمية الماء لخلطة الخرسانة، فابحث أولاً عن محتوى الأسمنت بالوزن ونسبة م / س.
إذا افترضنا أن ٨٠ كجم من الأسمنت مطلوب لخلطة الخرسانة ونسبة م / س تساوي ٠.٤٥
تكون الكمية المطلوبة من الماء = وزن الأسمنت × نسبة م/س
لذلك، كمية الماء المطلوبة = ٨٠ كجم × ٠.٤٥ = ٣٦ لترًا.
تأثير نسبة الماء إلى الإسمنت على قابلية التشغيل
قابلية التشغيل للخرسانة تعني قدرة الخرسانة على أداء عمليات صب الخرسانة مثل الخلط والنقل والصب والدمك بسهولة ودون أي فصل (انفصال حبيبي). بمعنى آخر، تشير قابلية الخرسانة إلى قدرة الخرسانة على العمل بسهولة. نسبة م/س هي أيضًا عامل مهم لقابلية تشغيل الخرسانة. تؤدي نسبة م / س العالية إلى قابلية تشغيل أعلى بسبب زيادة التشحيم بين الجزيئات. وبالمثل، تؤدي نسبة م / س المنخفضة إلى قابلية تشغيل أقل بسبب نقص التشحيم بين الجزيئات. يظهر الرسم البياني لقابلية التشغيل مقابل نسبة م/س.
تختلف نسبة م / س من ٠.٤٠ إلى ٠.٦٠ اعتمادًا على حالة التعرض وفقًا لمعيار البناء. النسبة الأقل من ٠.٤٠ تجعل الخرسانة شديدة الصلابة (إذا لم يتم استخدام الملدنات الفائقة) والنسبة الأكبر من ٠.٦٠ تجعل الخرسانة رطبة وضعيفة وربما تتسرب الخرسانة مما يؤدي إلى التآكل في المستقبل.
إن استخدام نسبة منخفضة من الماء / الأسمنت هو الطريقة المعتادة لتحقيق قوة عالية وجودة عالية للخرسانة، ولكن نسبة الماء / الأسمنت وحدها لا تولد قوة الخرسانة. تعتبر الخرسانة الجيدة ناتجة من تصميم المزيج الجيد ونسبة م / س المنخفضة.
ارتفاع نسبة الماء إلى الأسمنت يعني زيادة كمية الماء مما يؤدي إلى التخفيف / التسييل في عجينة الأسمنت. ذلك يجعل خليط الخرسانة سيئًا ويزيد من نفاذية الخرسانة للماء. وبالتالي يؤدي إلى حدوث تسرب ورطوبة مما يجعل الخرسانة أضعف وأكثر عرضة للتشقق والانكماش. ينتج الانكماش شقوقًا دقيقة، وتعتبر منطقة ضعف.
على سبيل المثال، وجود نسبة ٠.٤٠ ماء إلى أسمنت تعطي مقاومة ضغط تعادل ٥٦٠٠ psi (قوة رطل لكل بوصة مربعة) أو ٣٩٤ كجم / سم ٢ (قوة كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع)، بينما نسبة ٠.٧٠ ماء / أسمنت تقلل من مقاومة الضغط حتى ١٠٦٧ رطل لكل بوصة مربعة أو ٧٥ كجم / سم ٢ أو أقل شريطة أن تكون العوامل الأخرى ثابتة.
اقرأ: خطورة إضافة الماء إلى الخرسانة الجاهزة في الموقع
تزيد نسبة الماء / الأسمنت المنخفضة من القوة وفي نفس الوقت تقلل من قابلية التشغيل وتجعل الخرسانة غير قابلة للتطبيق السهل. هذه هي أكبر مشكلة أثناء تصميم خلطة خرسانية بنسبة منخفضة من الماء / الأسمنت. للتغلب على هذه المشكلة. يمكننا استخدام مواد مضافة مثل مضافات تقليل الماء (WRA)، والملدنات الفائقة (مخفضات المياه عالية المدى) وما إلى ذلك. تتم إضافة هذه المواد الإضافية (المضافات) إلى الخرسانة لتحقيق قابلية تشغيل معينة عند نسبة منخفضة من الماء / الأسمنت، وجعل الخرسانة عالية القوة والكثافة. في الوقت الحاضر تستخدم الملدنات والمضافات الفائقة على نطاق واسع في صناعة البناء.
اقرأ أكثر: الملدنات والملدنات الفائقة (مضافات خرسانية) - الأنواع والمزايا والعيوب والاستخدامات
تأثير نسبة الماء إلى الإسمنت على قوة الخرسانة
تعتبر مقاومة الانضغاط للخرسانة سمة رئيسية للخلطة الخرسانية. التغيير في كمية الماء يغير قوة الخرسانة. إذا تم استخدام الماء بكميات أكبر، فقد ينتج عن ذلك المزيد من الفراغات وتطوير التعشيش إلى حد كبير في الخرسانة المتصلبة. ينتج عن ذلك انخفاض في الكثافة والمتانة والقوة. كلما قلت نسبة الماء / الأسمنت، زادت قوة الخرسانة.
قانون داف أبرامز لنسبة الماء إلى الأسمنت
قدم الباحث الأمريكي داف أبرامز مفهومًا عن نسبة الماء / الأسمنت المعروف باسم "قانون نسبة الماء / الأسمنت لأبرامز". وفقًا لقانون داف أبرامز للخرسانة، ترتبط قوة الخرسانة عكسيًا بنسبة م / س. إذا زادت نسبة م / س، تقل قوة الخرسانة. يعتبر دمك الخرسانة مهمًا أيضًا لأنه إذا لم يتم دمك الخرسانة بشكل صحيح فإنها سوف تحتوي على فراغات كبيرة، مما يؤدي إلى زيادة المسامية. وبالتالي، عند انخفاض نسبة الماء / الأسمنت، حيث يصعب تحقيق الدمك الكامل، فإن قانون أبرامز غير صالح.
انخفاض في مقاومة الانضغاط مع زيادة نسبة الماء / الأسمنت موضح بيانياً أدناه،
تعتبر نسبة الماء إلى الأسمنت من أهم العوامل التي تؤثر على خصائص الخرسانة. يعتمد اختيار نسبة الماء إلى الأسمنت على عوامل مختلفة مثل متطلبات القوة، وقابلية التشغيل، وتقنيات صب الخرسانة، وطبيعة العمل وما إلى ذلك. المعايير العامة لسبب التوصية بنسبة منخفضة من الماء إلى الأسمنت كما يلي:
الأسباب التالية لعدم التوصية برفع نسبة الماء إلى الأسمنت:
- زيادة فرص الفصل والنزيف
- متانة أقل
- تطوير الفراغات
- انخفاض في قوة الخرسانة
- انخفاض في عمر الهيكل
- زيادة التسرب وفرص التآكل
- زيادة الكربنة بسبب الفراغات وبالتالي تقليل عمر المنشأ
- زيادة تأثير دورات التجمد والذوبان الخ.
فيما يلي الأسباب الرئيسية وراء التوصية بخفض نسبة الماء إلى الأسمنت:
- زيادة في القوة
- زيادة المتانة
- نفاذية أقل
- عدم وجود تسرب أو رطوبة
- متانة أكبر ضد دورات التجمد والذوبان
- رابطة أفضل مع التسليح، إلخ.