كيف يتم صناعة الخرسانة
خلفية
الخرسانة عبارة عن مادة بناء صلبة يتم إنشاؤها عن طريق الجمع بين الركام المعدني الخامل كيميائيًا (عادةً الرمل أو الحصى أو الحجر المسحوق) ، مادة رابطة (أسمنت طبيعي أو صناعي) ، مواد مضافة كيميائية ، وماء. على الرغم من أن الناس يستخدمون عادة كلمة "أسمنت" كمرادف للخرسانة ، فإن المصطلحات تشير في الواقع إلى مواد مختلفة: الاسمنت ، الذي يشمل مجموعة متنوعة من مساحيق الأرض الدقيقة التي تتصلب عند مزجه مع الماء ، يمثل واحدًا فقط من عدة مكونات في العصر الحديث. الخرسانة. عندما تجف الخرسانة ، فإنها تكتسب اتساقًا شبيهًا بالحجر يجعلها مثالية لبناء الطرق والجسور وإمدادات المياه وأنظمة الصرف الصحي والمصانع والمطارات والسكك الحديدية والممرات المائية وأنظمة النقل الجماعي وغيرها من الهياكل التي تشكل جزءًا كبيرًا من الولايات المتحدة. ثروة. وفقًا للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ، يعد بناء مثل هذه المرافق في حد ذاته أحد أكبر الصناعات في البلاد ويمثل حوالي 10 في المائة من الناتج القومي الإجمالي. يتم إنتاج ما يزيد عن 4 مليارات دولار من الأسمنت الهيدروليكي ، وهو مجموعة متنوعة تتصلب تحت الماء ، سنويًا في الولايات المتحدة لاستخدامها في إنشاءات خرسانية بقيمة 20 مليار دولار. تبلغ قيمة جميع الهياكل القائمة على الأسمنت في الولايات المتحدة تريليونات الدولارات - بما يتناسب تقريبًا مع التكلفة المتوقعة لإصلاح تلك الهياكل على مدار العشرين عامًا القادمة.
مواد خام
تحتوي الخرسانة الإنشائية عادةً على جزء واحد من الإسمنت إلى جزأين من الركام المعدني الناعم إلى أربعة أجزاء من الركام المعدني الخشن ، على الرغم من أن هذه النسب غالبًا ما تتنوع لتحقيق القوة والمرونة المطلوبة في بيئة معينة. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي الخرسانة على مجموعة واسعة من المواد الكيميائية التي تضفي عليها الخصائص المرغوبة لتطبيقات محددة. يصنع الأسمنت البورتلاندي ، وهو النوع الأكثر استخدامًا في الخرسانة ، من مزيج من مادة كلسية (عادة الحجر الجيري) والسيليكا والألومينا الموجودة في الطين أو الصخر الزيتي. بكميات أقل ، يمكن أن تحتوي أيضًا على أكسيد الحديد والمغنيسيا. الركام ، الذي يشكل 75 في المائة من الخرسانة من حيث الحجم ، يحسن تكوين وتدفق معجون الأسمنت ويعزز الأداء الإنشائي للخرسانة. تشتمل الدرجة الدقيقة على جزيئات تصل إلى. 20 بوصة (خمسة ملليمترات) في الحجم ، بينما الدرجة الخشنة تشمل جزيئات من. 20 ل. 79 بوصة (20 ملم). بالنسبة للبناء الهائل ، يمكن أن يتجاوز حجم الجسيمات الكلية 1.50 بوصة (38 ملم).
يمكن أيضًا تصنيف الركام وفقًا لنوع الصخور التي تتكون منها: البازلت والصوان والجرانيت وغيرها. نوع آخر من الركام هو البوزولانا ، وهي مادة سيليسية وشبيهة غالبًا ما تكون مشتقة من الرماد البركاني. يتفاعل كيميائيًا مع الحجر الجيري والرطوبة ، ويشكل هيدرات سيليكات الكالسيوم التي تشكل أساس الأسمنت. يضاف البوزولانا بشكل شائع إلى عجينة الأسمنت البورتلاندي لتعزيز تكثيفه. تم دمج نوع واحد من المعادن البركانية ، وهو سيليكات الألومنيوم ، مع المعادن السليسية لتكوين مركب يقلل الوزن ويحسن الترابط بين الأسطح الخرسانية والفولاذية. تضمنت تطبيقاته أشكال خرسانية مسبقة الصب ورصف أسفلت / خرساني للطرق السريعة. يتم أيضًا اختبار الرماد المتطاير ، وهو منتج ثانوي لمحطة توليد الطاقة بحرق الفحم ويحتوي على سيليكات الألمنيوم وكميات صغيرة من الجير ، كمواد بوزولانية محتملة للأسمنت. إن الجمع بين الرماد المتطاير والجير (CaO) في عملية مائية حرارية (واحدة تستخدم الماء الساخن تحت الضغط) ينتج أيضًا الأسمنت.
التصنيع
معالجة
صناعة الخرسانة بسيطة إلى حد ما. أولاً ، يتم تحضير الأسمنت (عادة الأسمنت البورتلاندي). بعد ذلك ، يتم خلط المكونات الأخرى - الركام (مثل الرمل أو الحصى) والمضافات (المضافات الكيماوية) وأي ألياف ضرورية والماء - مع الأسمنت لتشكيل الخرسانة. يتم بعد ذلك شحن الخرسانة إلى موقع العمل ووضعها وضغطها ومعالجتها.
تحضير الأسمنت البورتلاندي
1 الحجر الجيري ، والسيليكا ، والألومينا التي تتكون منها الأسمنت البورتلاندي يتم طحنها جافة إلى مسحوق ناعم جدًا ، مخلوطًا معًا بنسب محددة مسبقًا ، مسخن مسبقًا ، ومكلس (يتم تسخينه إلى درجة حرارة عالية تحرق الشوائب دون صهر المكونات). بعد ذلك يتم حرق المادة في فرن دوار كبير عند 2550 درجة فهرنهايت (1400 درجة مئوية). عند درجة الحرارة هذه ، تندمج المادة جزئيًا في مادة تعرف باسم الكلنكر. يمكن للفرن الحديث أن ينتج ما يصل إلى 6200 طن من الكلنكر في اليوم.
2 يتم بعد ذلك تبريد الكلنكر وطحنه إلى مسحوق ناعم في أنبوب أو مطحنة كروية. المطحنة الكروية عبارة عن أسطوانة دوارة مملوءة بكرات فولاذية بأحجام مختلفة (حسب درجة النعومة المرغوبة للأسمنت) التي تسحق وتطحن الكلنكر. يضاف الجبس أثناء عملية الطحن. يتكون التركيب النهائي من عدة مركبات: سيليكات ثلاثي الكالسيوم ، وسيليكات ثنائي الكالسيوم ، وألومينات ثلاثي الكالسيوم ، وألومينات الفريت رباعي الكالسيوم.
مراقبة الجودة
يتوقع مصنعو الخرسانة أن يزود موردو المواد الخام لديهم منتجًا متسقًا وموحدًا. في مصنع إنتاج الأسمنت ، يجب فحص نسب المواد الخام المختلفة التي تدخل إلى الأسمنت لتحقيق تغذية الفرن المتسقة ، وكثيرًا ما يتم فحص عينات من المزيج باستخدام تحليل التألق بالأشعة السينية.
ربما تكون قوة الخرسانة هي أهم خاصية يجب اختبارها لتتوافق مع المواصفات. لتحقيق القوة المطلوبة ، يجب على العمال التحكم بعناية في عملية التصنيع ، والتي يقومون بها عادةً باستخدام التحكم الإحصائي في العملية. طورت المعايير الأمريكية لمواد الاختبار ومنظمات أخرى مجموعة متنوعة من الطرق لاختبار القوة. يتم استخدام مخططات مراقبة الجودة على نطاق واسع من قبل موردي الخرسانة الجاهزة والمهندس في الموقع لتقييم قوة الخرسانة باستمرار. تشمل الخصائص الأخرى المهمة للامتثال محتوى الأسمنت ، ونسبة الماء / الأسمنت ، وقابلية التشغيل ، وقد تم تطوير طرق اختبار قياسية لها أيضًا.
المستقبل
على الرغم من أن الولايات المتحدة قد قادت العالم في تحسين تكنولوجيا الأسمنت من الثلاثينيات إلى الستينيات ، إلا أن أوروبا واليابان قد تقدمتا منذ ذلك الحين في المنتجات الجديدة والبحث والتطوير. في محاولة لاستعادة القيادة الأمريكية ، أنشأت مؤسسة العلوم الوطنية مركزًا للعلوم والتكنولوجيا للمواد القائمة على الأسمنت المتقدمة في جامعة نورث وسترن. سيطور مركز ACBM العلم اللازم لإنشاء مواد جديدة قائمة على الأسمنت بخصائص محسنة. سيتم استخدام هذه في الإنشاءات الجديدة وكذلك في ترميم وإصلاح الطرق السريعة والجسور ومحطات الطاقة وأنظمة التخلص من النفايات.