يجب التحكم في درجة حرارة الخرسانة الضخمة ككميتين منفصلتين: أعلى درجة حرارة تصل إليها بعد الصب، والفرق في درجة الحرارة بين الجزء الداخلي والسطح. وفقًا للمواصفة ACI SPEC-301-20، فإن الحدود الافتراضية الشائعة هي 160°فهرنهايت (70°مئوية) و35°فهرنهايت (19°مئوية)، لكن المواصفة الخاصة بالمشروع هي التي تحدد الحدود المُلزِمة.
يفترض هذا المقال أن عملية الصب قد صُنّفت بالفعل على أنها خرسانة ضخمة. ويركّز المقال على تطور الحرارة والتشقق الحراري ورصد درجات الحرارة وطرق التحكم الرئيسية، بدلًا من تعريفات الخرسانة الضخمة أو معايير الأبعاد أو تطبيقاتها.
ما هي الحدود المسموحة لدرجة حرارة الخرسانة الضخمة؟
عادةً ما تُطبَّق حدود محددة على كلٍّ من أقصى درجة حرارة للخرسانة الضخمة والفرق بين درجة حرارة القلب والسطح. ويجب أن يحدّد المشروع الحدود المطبّقة ومواقع القياس وفترة الرصد وإجراءات القبول بالنسبة للخلطة الفعلية وشكل العنصر والبيئة وظروف التقييد.
الحد الأقصى الافتراضي لدرجة حرارة الخرسانة
تستخدم المواصفة ACI SPEC-301-20160°فهرنهايت (70°مئوية)كحدٍّ أقصى افتراضي لدرجة حرارة الخرسانة الضخمة بعد الصب.
وهذا لا يعادل حد درجة حرارة التفريغ المستخدم في أعمال الخرسانة العامة في الأجواء الحارة. بل ينطبق على أعلى درجة حرارة تصل إليها الخرسانة الضخمة داخليًّا نتيجة تراكم حرارة التفاعل الهيدروليكي بعد الصب.
ويهدف هذا الحد إلى تقليل مخاطر مشكلات المتانة المرتبطة بالحرارة، ومنها تكوّن الإيترينغيت المتأخر في المواد والظروف البيئية القابلة لذلك. وتُستخدم التنبؤات في التخطيط، بينما تُثبت أجهزة استشعار درجة الحرارة المُركَّبة الأداء الفعلي.
الفرق الافتراضي بين درجة حرارة القلب والسطح
والحد الافتراضي الشائع هو35°فهرنهايت (19°مئوية)بين مركز منطقة الصب وسطوحها. ويهدف هذا الحد إلى معالجة خطر التشقق الحراري عندما يبرد السطح وينكمش أسرع من الجزء الداخلي الأكثر سخونة.
وهذه القيمة عبارة عن عتبة تحكم عامة وليست ثابتًا ماديًّا شاملًا. وقد تدعم التحليلات الحرارية الخاصة بالمشروع حدًّا مختلفًا عند أخذ الخلطة الفعلية والهندسة والقيود وتطور مقاومة الشد والسلوك المرن والانزياح التصاعدي في الاعتبار.
الحدود الحرارية في مواصفات المشروع
ويجب أن تحدد وثائق العقد الحدود الحرارية المُلزِمة ومواقع القياس وتكرار الرصد ومتطلبات التقارير ومعايير الإنجاز.
يوضّح خطة التحكم الحراري المعتمدة كيفية قيام المقاول بتلبية تلك المتطلبات. ولا ينبغي أن تحلّ هذه الخطة محل حدٍّ محدَّد أو تُعدِّله ما لم تنص وثائق العقد على إجراء معتمد لذلك.
لماذا ترتفع درجة حرارة الخرسانة الضخمة؟
ترتفع درجة حرارة الخرسانة الضخمة عندما تولِّد عملية هيدراتة الإسمنت حرارةً أسرع مما يمكن للصب أن يبددها. ويعتمد السجل الزمني الناتج لدرجة الحرارة على كمية الحرارة المنتجة، وهندسة العنصر، ودرجة حرارة الخرسانة الابتدائية، وانتقال الحرارة عبر كل حد.
توليد حرارة الهيدراتة
وتطلق المواد الإسمنتية الحرارة أثناء تفاعلها مع الماء. وفي الصب الكبير، يجب أن تنتقل الحرارة المنتجة بالقرب من الجزء الداخلي مسافة أطول قبل أن تتمكن من الخروج عبر السطح المكشوف.
وبالتالي، تستمر درجة الحرارة الداخلية في الارتفاع بعد الصب. ويحدث أقصى ارتفاع في درجة الحرارة عندما تبدأ الحرارة المفقودة في تجاوز الحرارة المتبقية الناتجة عن الهيدراتة.
المحتوى الإسمنتي وتركيب الخلطة
ويمكن أن يؤدي ارتفاع المحتوى الإسمنتي إلى زيادة إجمالي كمية الحرارة المنتجة. كما تؤثر نوع الإسمنت، والمواد الإسمنتية المضافة، وناعميتها، والمضافات الكيميائية، ونسب الخلطة أيضًا في معدل وتوقيت إطلاق الحرارة.
ولا تُعرِّف مقاومة الضغط وحدها منحنى درجة الحرارة. وعندما يقتضي الأمر ذلك، ينبغي دعم اختيار الخلطة بتحليل قياس الحرارة (الكالوريمترية)، أو دفعات تجريبية، أو اختبارات الخصائص الحرارية، أو بيانات مشروع موثوقة.
حجم العنصر وتبدد الحرارة
وعادةً ما تحتوي العناصر الأسمك على حجم أكبر من المواد المنتجة للحرارة بالنسبة إلى مساحة سطحها المكشوفة. كما أنها تخلق مسارات أطول لانتقال الحرارة بالتوصيل، ما يسمح للجزء الداخلي بالبقاء دافئًا بعد أن يبدأ السطح في التبريد.
وليس السماكة الاسمية هي العامل الوحيد الذي يؤخذ في الاعتبار. بل إن الزوايا، وinterfaces الرفع، والعناصر المدمجة، والوصلات الإنشائية، والأساسات، والتلامس مع التربة، والتعرض للماء، والخرسانة المصبوبة سابقًا قد تؤدي جميعها إلى أنماط مختلفة لدرجات الحرارة داخل العنصر نفسه.
درجة الحرارة الابتدائية عند الصب
إن خفض درجة حرارة الصب يقلل من النقطة الابتدائية للدورة الحرارية، وسيؤدي عادةً إلى خفض أقصى درجة حرارة داخلية متوقعة.
وقد يتم التبريد المسبق باستخدام ماء خلط مبرَّد، أو ركام مبرَّد، أو ثلج يحل محل جزء معتمد من ماء الخلط، أو مجموعة مؤهلة من هذه الطرق. وعند تحديد استخدام الثلج، يجب تقييم آلات إنتاج ثلج رقائقي (flake ice machines)مقابل كمية الثلج المعتمدة لكل دفعة ومعدل التحضير الأقصى — وليس فقط القدرة الإنتاجية اليومية.
القوالب، والعزل، وظروف الحدود
تؤثر القوالب والعزل والتلامس مع الأرض ودرجة حرارة الهواء والرياح والأمطار والتعرض لأشعة الشمس في سرعة فقدان الحرارة من كل سطح.
قد يحافظ العزل على دفء الخرسانة لفترة أطول، لكنه قد يقلل من التبريد السريع للسطح ويحد من الفرق في درجة الحرارة بين النواة والسطح. كما يمكن أن تُحدث العزل غير المتجانس أو الحواف المكشوفة تدرجات محلية حتى عندما تبدو متوسطات درجات الحرارة مقبولة.
كيف يؤدي الفرق في درجة الحرارة إلى التشقق الحراري؟
يصبح الفرق في درجة الحرارة خطرًا للتشقق عندما تحاول أجزاء مختلفة من الصبة التمدد أو الانكماش بمقدار مختلف، وتُقيد هذه الحركة. ويحدث التشقق الحراري عندما تتجاوز الإجهاد الشدّي الناتج القدرة الشدّية للخرسانة عند تلك اللحظة.
الانفعال الحراري غير المتكافئ
الجزء الداخلي الأدفأ يتمدد أكثر أو ينكمش لاحقًا مقارنةً بالسطح الأبرد. وبما أن النواة والسطح يظلان متصلين، فلا يمكن لهذين الجزأين أن يتشوها بشكل مستقل.
ويؤدي هذا التناقض إلى إحداث إجهاد ذاتي داخل الخرسانة، حتى في حالة عدم وجود قيود خارجية من هيكل آخر.
القيود الداخلية والخارجية
تنشأ القيود الداخلية بين مناطق الصبة نفسها التي تختلف في تاريخها الحراري. أما القيود الخارجية فقد تنشأ عن الأساسات أو الأوتاد أو حديد التسليح أو الصبات المجاورة أو عناصر أخرى متصلة تقاوم الحركة الكلية.
ويتوقف الإجهاد الناتج ليس فقط على الفرق في درجة الحرارة، بل يتأثر أيضًا بدرجة القيود ومدى صلابة الخرسانة المتغيرة وقوتها الشدّية ومعامل تمددها الحراري والانزياح الزماني (الكريِب).
التشقق الشدّي في الخرسانة في المرحلة المبكرة
تمتلك الخرسانة في مرحلتها المبكرة قدرة شدّية محدودة بينما لا تزال قوتها وصلابتها في طور النمو. وعندما يبرد السطح أو تنكمش العنصر كاملاً لاحقًا، فإن الحركة المقيدة قد تُحدث شدًّا.
قد يتكون شقٌّ عندما يتجاوز الإجهاد الشدّي عند موقعٍ ما القدرة الشدّية المتاحة. وبالتالي فإن الفرق في درجة الحرارة يُعد مؤشر خطرٍ مهم، لكنه ليس معيار تنبؤٍ كاملاً بالتشقق بذاته.
كيف تُراقب درجة حرارة الخرسانة الضخمة؟
تراعى درجة حرارة الخرسانة الضخمة عبر قياس أشد المناطق الداخلية حرارةً المتوقعة والمواقع المقابلة القريبة من السطح في أوقات متزامنة.
ويجب أن تُبلغ السجلات عن أقصى درجة حرارة والفرق في درجة الحرارة بشكل منفصل، لأن هاتين القيمتين الحاسمتين قد تحدثان في أوقات مختلفة.
المواقع الحرجة لمراقبة درجة الحرارة
يجب أن تتبع مواقع أجهزة الاستشعار تخطيط التحليل الحراري والرصد المعتمد. وتشمل التغطية النموذجية الموقع الداخلي الأشد حرارة المتوقع، وموقعاً مماثلاً قريباً من السطح، ومناطق إضافية تتأثر بالهندسة غير المنتظمة أو ظروف الحدود المختلفة.
ويُوضع جهاز استشعار قرب السطح عادةً على عمق عدة بوصات تحت سطح الخرسانة لتفادي قياس حالة السطح المباشرة فقط. ومع ذلك، فإن الموقع والعمق المحددين للمشروع هما اللذان يتحكمان في ذلك.
حساب الفرق بين درجة حرارة القلب ودرجة حرارة السطح
احسب الفرق في درجات الحرارة باستخدام القراءات المتزامنة:
ΔT = درجة الحرارة الداخلية − درجة حرارة السطح المقابلة
على سبيل المثال، إذا كانت درجة الحرارة الداخلية ٦٠°م ودرجة حرارة الموقع القريب من السطح المقابلة ٤٨°م:
ΔT = ٦٠°م − ٤٨°م = ١٢°م
ويجب أن تمثّل القراءتان نفس مسار انتقال الحرارة والنقطة الزمنية نفسها. وقد يؤدي دمج مواقع أو طوابع زمنية غير مرتبطة إلى المبالغة أو التقليل من قيمة الفرق الحاكم.
تتبع أعلى درجة حرارة وأكبر فرق حراري
يجب تتبع أعلى درجة حرارة سجلها كل جهاز استشعار، وكذلك أكبر فرق متزامن بين درجة حرارة القلب ودرجة حرارة السطح.
وغالباً ما تحدث الذروة الداخلية خلال مرحلة التسخين، بينما قد يحدث أكبر فرق حراري لاحقاً عندما يبدأ السطح في التبريد بوتيرة أسرع من الداخل. ولذلك، يجب أن تحتفظ لوحة الرصد أو السجل بتاريخ درجات الحرارة الكامل بدلاً من الإبلاغ عن أحدث قراءة فقط.
سجلات الرصد والمدة الزمنية للرصد
يجب أن تحدد السجلات كل جهاز استشعار وموقعه المؤكَّد والطابع الزمني وفترة أخذ القراءات والفحوص الوظيفية أو المعايرة والظروف الجوية ذات الصلة وأي إجراء تحكّمي تم اتخاذه.
ويجب أن يستمر الرصد طوال الفترة المحددة في متطلبات المشروع. وتربط إرشادات معهد الخرسانة الأمريكي (ACI) إزالة وسائل الحماية بالفرق بين درجة الحرارة الداخلية ومتوسط درجة الحرارة اليومية المحيطة، بدل الاعتماد على عدد ثابت من أيام الرصد.
حدود درجات الحرارة وإجراءات الاستجابة
يجب أن توفر حدود التحذير وقتاً كافياً للتحقيق وتطبيق إجراء استجابة معتمد قبل الوصول إلى الحد المحدد.
يجب التحقق من أي قراءة مشكوك فيها مقابل أجهزة الاستشعار المجاورة والاتجاهات الأخيرة وحالة المعدات والظروف الفعلية في الموقع. أما تجاوز الحد فيتطلب تقييماً فنياً موثّقاً؛ ولا ينبغي أن تؤدي قراءة واحدة غير مؤكدة تلقائياً إلى قبول أو رفض التنفيذ.
تندرج تفاصيل مسؤوليات الإنذار وسلطة الموافقة وإجراءات التصحيح ضمن خطة التحكم الحراري الخاصة بالمشروع.
كيف تتحكم في درجة حرارة الخرسانة الضخمة؟
عادةً ما تجمع عملية التحكم في درجة الحرارة بين التدابير التي تقلل من توليد الحرارة، وتخفض درجة حرارة الصب، وتُنظِّم تبريد السطح، أو تزيل الحرارة من داخل الخرسانة.
ويتوقف المزيج المناسب المطلوب على خليط الخرسانة، وهندسة العنصر، والظروف الجوية، وتسلسل الإنشاء، والقيود المفروضة على المشروع. وتقدِّم الإرشادات المتعلقة باستخدام ثلج الرقائق لتبريد الخرسانةشرحًا لكيفية تأثير استبدال المياه المعتمدة بالثلج وتسليم الثلج على عمليات الخلط.
تصميم خليط الخرسانة منخفض الحرارة
يمكن لتصميم الخلطة أن يقلل أو يؤخّر إطلاق الحرارة من خلال التحكم في محتوى المواد الأسمنتية واختيار مواد أسمنتية ومواد مضافة مناسبة.
ويجب أن تظل أي تعديلات تُجرى مُحقِّقةً لمتطلبات المتانة، والقوة، ووقت الشك، والقابلية للتشغيل، والضخ، والإنشاء. ولا يُشكِّل خفض محتوى الأسمنت وحده استراتيجيةً كاملةً للتحكم الحراري.
تبريد الخرسانة مسبقًا
يهدف التبريد المسبق إلى خفض درجة حرارة مكونات الخرسانة أو الخرسانة الطازجة قبل صبها. وتشمل الطرق الشائعة استخدام ماء الخلط المبرَّد، أو الركام المبرَّد، أو الثلج الذي يحل محل جزء معتمد من ماء الخلط، وأنظمة التبريد الهندسية الأخرى.
ويجب إدراج كمية الثلج ضمن ميزان الماء الكلي، كما يجب أن يذوب تمامًا أثناء عملية الخلط. ويجب أن تفي طاقة الإنتاج بالكمية المعتمدة من الثلج لكل دفعة، وبأقصى عدد من الدفعات في الساعة.
على سبيل المثال، فإن ماكينة ثلج رقائقي سعة ٢٠ طنًالها تصنيف يومي اسمي تحت ظروف التشغيل المحددة. ومع ذلك، فلا يزال تحديد مدى ملاءمتها لمشروع معين يتوقف على الطلب على الثلج بالساعة، وسعة التخزين، وطريقة التوصيل، ودرجة حرارة ماء التغذية، والظروف المحيطة، والمرافق المتاحة.
العزل السطحي
يؤدي العزل إلى إبطاء فقدان الحرارة من الأسطح المكشوفة، ويحد من التبريد المفاجئ للسطوح، لا سيما في الأجواء الباردة أو الرياحية أو ذات التغيرات السريعة.
ولا يؤدي العزل إلى إزالة حرارة التفاعل الهيدروليكي (الحرارة الناتجة عن تماسك الأسمنت بالماء)، ولا يقلل بالضرورة من الذروة الحرارية الداخلية. ويجب أن يتم تغطية العزل وإزالته وفقًا للتحليل المعتمد، لضمان ألا يتعرَّض السطح بينما لا يزال الجزء الداخلي أكثر حرارةً بكثير.
التبريد الداخلي بعد الصب
يتم التبريد بعد الصب بإمرار سائل خاضع للتحكم عبر أنابيب مدمَّجة داخل الخرسانة لإزالة الحرارة.
ويمكن أن يقلل هذا الأسلوب من درجة الحرارة الداخلية عندما تكون التدابير السلبية غير كافية، لكنه يتطلب تصميمًا هندسيًّا وملاحظةً مستمرةً لدرجات الحرارة. وقد يؤدي التبريد المفرط أو غير المنتظم إلى تكوين تدرجات حرارية محلية جديدة، ولذلك يجب أن يتوافق ترتيب الأنابيب وتشغيلها مع الخطة المعتمدة.
جدولة عمليات الصب وحماية الخرسانة من عوامل الطقس
إن صب الخرسانة خلال الفترات الأكثر برودة يمكن أن يقلل من درجة الحرارة الابتدائية، لكن الجدولة وحدها لا يمكنها التحكم في كل المخاطر الحرارية.
قد يتطلب الأمر استخدام ظلال أو إغلاقات مؤقتة أو حماية من الرياح أو عزل حراري أو إزالة مُحكَمة للقوالب عند وجود أحوال جوية قد تؤدي إلى تبريد سطح واحد أسرع بكثير من باقي الجسم الداخلي. ويجب أن تظل أي تعديلات ميدانية ضمن إجراء التحكم الحراري المعتمد.
وبخصوص جدوى المعدات، يُرجى تزويدنا بالكمية المعتمدة من آلة Mikeicemachine لاستبدال الثلج لكل دفعة، وأقصى عدد من الدفعات في الساعة، ومدة الصب، ودرجات حرارة المواد، ومتطلبات التخزين، والمرافق المتاحة في الموقع، وترتيبات التسليم عندك الاتصال بشركة Mike Ice Machine. وتتيح هذه المدخلات لفريق المعدات مراجعة طاقة الإنتاج والتسليم؛ وهي لا تُحدِّد بحد ذاتها حدود درجة الحرارة الخاصة بالمشروع ولا تحل محل مراجعة المهندس المسؤول.
الأسئلة الشائعة
تُطبَّق ضوابط درجة حرارة الخرسانة الضخمة كنظام متكامل. فالامتثال لقيمة حرارية واحدة أو استخدام طريقة تبريد واحدة لا يكفيان وحدهما للتحقق من الأداء الحراري الكلي.
متى تحدث أعلى درجة حرارة داخلية وأقصى فرق حراري؟
فهي لا تحدث بالضرورة في الوقت نفسه.
وتظهر أعلى درجة حرارة داخلية عندما تصل كمية الحرارة الناتجة عن التفاعل الهيدراتي المتراكمة إلى أقصى قيمتها. أما أكبر فرق حراري فقد يحدث لاحقًا، بعد أن يبدأ السطح المكشوف في التبريد أسرع من باقي الجسم الداخلي.
ويجب تحديد توقيت حدوث هذين الحدثين استنادًا إلى قياسات المشروع المستمرة أو نموذج حراري معتمد.
ما الدور الذي تؤديه التعشيقات (الحديد التسليحي) في التحكم بالتشققات الحرارية؟
يمكن للتعشيقات المصممة تصميمًا سليمًا أن توزِّع التشققات الحرارية وتقلل من عرضها.
إلا أنها لا تمنع حرارة التفاعل الهيدراتي، ولا تُوحِّد درجات الحرارة بين القلب والسطح، ولا تحل محل إجراءات التحكم الحراري. وبقيت متطلبات التعشيق والعروض المسموحة للتشققات قرارات تصميمية هيكلية تعتمد على درجة التقييد والبيئة المحيطة وظروف الاستخدام.
هل يمكن لدرجة حرارة الصب المنخفضة أن تحل محل العزل السطحي؟
لا. فكلا الإجراءين يؤدي وظيفة مختلفة.
فدرجة حرارة الصب المنخفضة تقلل من النقطة الابتدائية لدورة درجة الحرارة وقد تخفض الذروة الداخلية، أما العزل السطحي فيحد من فقدان الحرارة السريع ويساعد في الحفاظ على درجة حرارة السطح قريبة من درجة حرارة القلب الأكثر دفئًا.
حتى الخرسانة المصبوبة عند درجة حرارة منخفضة قد تُظهر تدرجًا حراريًّا كبيرًا إذا عُرِض سطحها للهواء البارد أو الرياح. ويمكن تقليل العزل أو إلغاؤه تمامًا فقط عند دعم ذلك بتحليل المشروع المعتمد.
مصادر خارجية
- أسئلة شائعة من معهد الخرسانة الأمريكي (ACI): الحدود الحرارية للخرسانة الضخمة
- أسئلة شائعة من معهد الخرسانة الأمريكي (ACI): ما المقصود بالخرسانة الضخمة؟
- أسئلة شائعة من معهد الخرسانة الأمريكي (ACI): فترة التحكم الحراري للخرسانة الضخمة
- ACI PRC-207.4R-20: أنظمة التبريد والعزل للخرسانة الضخمة
- الخرسانة الضخمة للمباني والجسور
