خواص المواد وقوتها

خواص وقوة المواد

• يتم تناول المواد المستخدمة في تشييد المشاريع المختلفة واختبارها.

دراسة الخواص الميكانيكية والطبيعية للمواد

• يشمل ذلك الركام، الأسمنت، الحديد، الخرسانة المسلحة، مواد العزل، ومواد التشطيب.

دراسة الاجهادات والانفعالات

• يتم تحليل المواد تحت تأثير الأحمال الاستاتيكية والديناميكية والمتكررة.

الظروف الواجب مراعاتها عند استعمال المواد

• يجب مراعاة الظروف لضمان الحصول على أكبر كفاءة ممكنة من المواد المستخدمة.

دراسة الاختبارات اللازمة

• يتم إجراء هذه الاختبارات للتأكد من صلاحية المواد للاستخدام في الأعمال المختلفة.

دراسة الآلات والأجهزة المطلوبة

• يتم دراسة الماكينات والاجهزه المطلوبه لاختبار المواد الهندسية سواء في المعمل أو الموقع.

دراسة أوجه النظر الاقتصادية

• يتم اعتبار الجوانب الاقتصادية عند اختيار واستعمال المواد في المشاريع.

أنواع القوى

• هناك عدة أنواع مختلفة من القوى التي تؤثر على المواد.

أنواع التحميل

• التحميل الساكن (قصير المدى - طويل المدى): مثل المباني السكنية، حيث يتم تطبيق الحمل ببطء وتدريجي.
• التحميل الديناميكي: مثل المصانع والجراجات، حيث يتم تطبيق الحمل على شكل اهتزازات وصدمات.
• التحميل المتكرر: مثل المخازن، حيث يتم تطبيق الحمل بكميات صغيرة لعدة مرات.

الإجهاد والانفعال

• الإجهاد (Stress): القوة المؤثرة على وحدة المساحة، ويقاس بوحدة كجم/سم².
• الانفعال (Strain): التغير في الطول بالنسبة للطول الأصلي.

معامل يونغ ونسبة بواسون

• معامل يونغ (Young's Modulus): النسبة بين الإجهاد والانفعال في المرحلة المرنة.
• نسبة بواسون (Poisson Ratio): النسبة بين الانفعال الجانبي والانفعال الطولي.

خصائص الخرسانة الهندسية النموذجية

• اجهاد الضغط: 350 كجم/سم².
• اجهاد الانحناء: ≈ 60 كجم/سم² (15%).
• اجهاد الشد: 30 كجم/سم² (10%).
• معامل المرونة: 2 × 10^5 كجم/سم².
• نسبة بواسون: ≈ 0.20.
• الانفعال عند الفشل: ≈ 0.003.
• معامل التمدد الحراري: ≈10 × 10^-6 / C.
• الكثافة: 2200-2500 كجم/م³.

الخواص الميكانيكية للمواد

• المرونة (Elasticity): قدرة المادة على العودة إلى أبعادها الأصلية بعد إزالة الحمل الخارجي.
• اللدونة (Plasticity): خاصية تسمح للمواد بالخضوع لتغيير دائم في الشكل دون أن تنكسر.
• المطيلية (Ductility): قدرة المادة على تحمل تشوه لدن كبير تحت الشد قبل أن تنكسر.
• القصفية (Brittleness): خاصية المادة التي تجعلها تنكسر قبل حدوث تشوه ملحوظ.
• الدوام (Durability): قدرة المادة على مقاومة الظروف الداخلية أو الخارجية المدمرة على مدى فترة طويلة من الزمن.
• الصلادة (Hardness): قدرة المادة على مقاومة الخدش والكشط والقطع.
• المتانة (Strength): مقاومة المادة لأي قوى خارجية، وتقاس بوحدات الإجهاد المعروفة.

الأسمنت والإضافات

• الأسمنت مادة رابطة ناتجة عن حرق الأحجار الجيرية والطين بنسب معينة، ثم طحنها مع إضافة مواد أخرى مثل الألومينا والحديد والجبس.
• يتكون تركيب الأسمنت أساسًا من الجير، السيليكا، الألومينا، وأكسيد الحديد.
• عند إضافة الماء إلى الأسمنت، يتحول إلى مادة لَدِنة سهلة التشغيل والتشكيل.
• بعد فترة زمنية، يبدأ الأسمنت في فقدان لدونته ويصبح قادراً على تحمل حمل صغير جداً، ويُعرف ذلك بـ "الشك الابتدائي".

استخدامات الأسمنت

• إنتاج الخرسانة العادية والمسلحة كمادة رابطة للركام الصغير والكبير(Bond).
• أعمال بناء الحوائط مثل إنتاج الطوب الأسمنتي.
• أعمال البياض لتغطية حوائط المباني.

العمليات الصناعية

• يتم تكسير الأحجار ثم طحنها وتنعيمها.
• يتم تسخين المواد في فرن دوار لإنتاج الكلنكر.
• يضاف الجبس إلى الكلنكر، ثم يتم طحن الخليط وتنعيمه.
• تتم التعبئة والتخزين للمنتج النهائي.

المركبات الأساسية للكلنكر

• سيليكات ثلاثي الكالسيوم (40-50% من وزن الكلنكر): C3S.
• سيليكات ثنائي الكالسيوم (20-30% من وزن الكلنكر): C2S.
• ألومينات ثلاثي الكالسيوم (10% من وزن الكلنكر): C3A.
• ألومينات حديد رباعي الكالسيوم (10% من وزن الكلنكر): C4A.

نعومة الأسمنت

• كلما زادت نعومة الأسمنت (قل قطر حبيباته) زادت المساحة السطحية، مما يسرع عملية التفاعل.
• نعومة الأسمنت تؤدي إلى قوة مبكرة وعالية، وثبات في الحجم، وتحسين قابلية التشغيل للخرسانة، وتقليل كمية الماء المطلوبة.

تأثير نعومة الأسمنت على خواصه

• زيادة النعومة تسهل وتزيد معدل الإماهة، وتحسن من المقاومة المبكرة ومقاومة الضغط.
• زيادة النعومة تزيد من درجة الحرارة المنبعثة، وتحسن من الثبات الحجمي للأسمنت.
• زيادة النعومة تتطلب زيادة مياه الخلط.

شك الأسمنت

• الزمن الإبتدائي للشك: يجب ألا يقل عن 45 دقيقة لتسهيل تشغيل المونة الأسمنتية وصب الخرسانة.
• الزمن النهائي للشك: يجب ألا يزيد عن 10 ساعات لتمكين فك الشدات والقوالب مبكراً.

تفاعل سيليكات ثلاثي الكالسيوم مع الماء (C3S)

• يتفاعل بسرعة عند إضافة الماء، مما ينتج عنه كمية كبيرة من الحرارة.
• المركب الجيلاتيني (C-S-H Gel) هو الناتج الرئيسي للتفاعل، وهو المسؤول عن الجزء الأكبر من مقاومة الأسمنت، خصوصاً في الأيام الأولى (14 يوماً).
• C-S-H Gel مادة غير متبلورة وليس لها شكل محدد، ولكنها ذات مساحة سطحية كبيرة، مما يعطيها قوة تلاحم عالية. هيدروكسيد الكالسيوم CH هي بلورات كبيرة الحجم وخاصية التلاحم لها ضعيفة نتيجة لصغر المساحة السطحية لها.
• تواجد CH غير مفيد للخرسانة حيث أنها تمثل نقطة ضعف لسهولة تفاعلها مع الأحماض والأملاح.

تفاعل سيليكات ثنائي الكالسيوم مع الماء (C2S)

• يتفاعل ببطء مع الماء وينتج حرارة أقل من C3S.
• يساهم في زيادة قوة الأسمنت على المدى الطويل (بعد 14-28 يومًا).
• الأسمنت الذي يحتوي على نسبة عالية من سيليكات ثنائي الكالسيوم يتميز بمقاومة عالية للتأثيرات الكيميائية وانكماش أقل بعد التجفيف.
• على الرغم من أن تفاعل CS أبطأ من C3S مع الماء فإن كمية الجل المتكون C-S-H gel (المركب المسؤول عن المقاومة للأسمنت) يكون أقل حالة C2S فلذلك تكون المقاومة النهائية الناتجة من تفاعل CS مع الماء أقل من المقاومة النهائية الناتجة من تفاعل CS مع الماء.

تفاعل ألومينات ثلاثي الكالسيوم مع الماء

• يتفاعل بسرعة مع الماء خصوصا في اليوم الأول ويكون ذلك مصحوباً بانبعاث حرارة عالية.
• يكون هذا التفاعل لحظياً فى حالة عدم إضافة الجبس كمادة مبطئة للشك أثناء الصناعة فيحدث ما يسمى بالشك.

تأثير إضافة الجبس الخام للكلنكر

• يستخدم لتأخير زمن الشك عن طريق التحكم في تفاعل C3A مع الماء.
• الجبس يتفاعل مع C3A والماء لإنتاج مركب يسمى الإترنجيت (Calcium Aluminate Tri-Sulphate).
• نسبة إضافة الجبس تعتمد على نسبة C3A في الأسمنت ودرجة نعومته.
• يؤدي إلى شك سريع جدًا (Flash Set) إذا لم تتم إضافة الجبس.
• يؤدي إلى شك طبيعي عند إضافة كمية طبيعية من الجبس.

خواص الأسمنت البورتلاندي

• الثقل النوعي يتم استخدامة في نسب الخلطة الخرسانية.
• الثقل النوعي للاسمنت البورتلاندي يعادل 3.15.

عوامل تؤثر على مقاومة الأسمنت للضغط

• زيادة نعومة الأسمنت تحسن من المقاومة المبكرة.
• كلما زادت درجة حرارة الكلنكر تتحسن مقاومة الضغط.
• زيادة نسبة المياه في الأسمنت تقلل من مقاومة الضغط.
• زيادة فترة تخزين الأسمنت تقلل من مقاومة الضغط.
• زيادة نسبة الرمل في الأسمنت تقلل من مقاومة الضغط.

تخزين الأسمنت

• يجب تخزين الأسمنت في مكان جاف تمامًا، بعيدًا عن الرطوبة، ويوضع على قاعدة خشبية مرتفعة ويغطى بقماش أو مشمع.
• في حال زيادة فترة التخزين عن شهر، يجب إعادة فحص الأسمنت واختباره.

ثبات حجم الأسمنت

• يجب أن يكون الأسمنت ثابت الحجم في درجات الحرارة العالية والمنخفضة.

أنواع الأسمنت

• بورتلاندي عادي: يستخدم في أكثر من 90% من المواقع.
• سريع التصلد: يحتوي على نسبة عالية من الجير وثالث سيليكات الكالسيوم.
• مقاوم للكبريتات: يستخدم في الأماكن المعرضة لتأثير أملاح الكبريتات.
• منخفض الحرارة: يستخدم في أعمال السدود والخرسانات الكتلية.
• بورتلاندي أبيض: يتم اختياره من حجر نقي جدًا من الطين والكالسيوم.
• ملون: تتم إضافة نسبة لا تزيد عن 10% من اللون.
• خبث.

أنواع الأسمنت وفقًا للمواصفة القياسية المصرية

• أسمنت بورتلاندي عادي (CEM I): عادي وسريع التصلد.
• أسمنت بورتلاندي مركب (CEM II): كلنكر + السيليكا.
• أسمنت خبث الأفران (CEM III): كلنكر + خبث الحديد.
• أسمنت بوزلاني (CEM IV): كلنكر + بوزلانا.
• أسمنت مركب (CEM V): كلنكر + بوزولانا + سيليكا.

اختبارات الأسمنت

• اختبار النعومة (اختياري).
• اختبار القوام القياسي للعجينة.
• اختبار الشك الابتدائي والنهائي.
• اختبار ثبات الحجم.
• اختبار مقاومة ضغط الأسمنت.
• اختبار الوزن النوعي (اختياري).
• اختبار الوزن الحجمي (اختياري).
• اختبار مقاومة الشد (اختياري).

الركام

• هو المكون الرئيسي للخرسانة (75% من حجم الخلطة).
• يمثل جسم الخرسانة الذي يقاوم الأحمال والعوامل البيئية.
• يعتبر مادة مالئة رخيصة لتكوين جسم الخرسانة مع مادة الربط

تقسيم الركام طبقا للمصدر.

• ركام من المصادر الطبيعية: هو الركام المأخوذ من المحاجر الطبيعية دون تدخل.
• ركام صناعي: هو الناتج الثانوي لبعض الصناعات.
• ركام مصنع: هو الذي يتم إنتاجه بمعالجات معينة.
• ركام ملون: يستخدم لأغراض الزينة.

تقسيم الركام طبقا للمقاس.

• ركام صغير (الرمل): يمر معظمه من منخل قياس 4.76 مم.
• ركام كبير (الزلط أو السن): يحتجز معظمه على منخل قياس 4.76 مم.
• ركام شامل: خليط من الركام الصغير والكبير.

تقسيم الركام طبقا للشكل

• مدور - زاوي - مبطط – غير منتظم: الحبيبات المستديرة تسهل عملية الانضغاط وتحسن التشغيل.

الشروط الواجب توافرها في الركام

• أن يكون نظيفًا وخاليًا من الشوائب العضوية والمواد الضارة.
• أن يكون متدرج المقاسات.
• أن يكون صلبًا وقويًا.

اختبارات الركام

• اختبار التحليل بالمناخل.
• اختبارات تحديد الوزن النوعي والوزن الحجمي.
• اختبارات تحديد نسبة الطين والمواد العضوية.
• اختبار التدرج الحبيبي.
• اختبار مقاومة التآكل (اختبار لوس أنجلوس)
• اختبار مقاومة التكسير
• اختبار الشوائب العضوية
• اختبار قوة التحمل
• اختبار فقدان الوزن
• اختبار الامتصاص

المقياس الاعتباري الأكبر للركام (Maximum Aggregate Size)

يستخدم المقياس الاعتباري الأكبر لقياس أكبر حبيبات في الركام ويجب أن يكون أصغر من فتحة المنخل يسمح بمرور 95٪ من الركام.

معامل نعومة الرمل (Fineness Modulus)

هو مجموع النسب المئوية المحجوزة على المناخل القياسية مقسوماً على 100، ويستخدم للتعريف على نوعية الرمل.