اعتبارات تصميم خليط الخرسانة لمشاريع الرصف بالقالب الانزلاقي

التحكم في الروولوجيا: تحسين إجهاد الخضوع والتدفق للتشغيل المستمر الرصف بالقالب المنزلق

لماذا يؤدي الفصل إلى انقطاعات وسطية في عمل ماكينة الرصف — وكيف تمنعه الروولوجيا

عندما تحدث فصلٌ تراكمي أثناء أعمال الرصف السريع بالقالب الانزلاقي، فإن ذلك يؤدي إلى عدم انتظام كثافة المادة أسفل لوحة التسوية. ويؤدي هذا المشكل إلى توقفات غير متوقعة في العمليات، والتي قد تكلف حوالي ٤٢٠ دولارًا أمريكيًّا لكل دقيقة من وقت العمل بالإضافة إلى كل الوقت الضائع الذي تقضيه المعدات دون تشغيل. والسبب الجذري لهذا؟ هو التصادم بين طريقة تدفق الخرسانة (خصائصها الرحيولوجية) والطاقة الناتجة عن المُهَزِّزات. وبشكل أساسي، إذا كانت مقاومة الخرسانة للتدفق أعلى مما تستطيع المُهَزِّزات التعامل معه، فإن القطع الأكبر من الركام تغرق نحو الأسفل بينما ترتفع العجينة الأدق نحو الأعلى. وتمنع الإدارة الذكية للخصائص الرحيولوجية حدوث هذه الفوضى برمتها عبر التركيز على ثلاثة عوامل رئيسية تعمل معًا بشكل متناسق:

• إجهاد الانحناء من ٤٠–٦٠ باسكال·ثانية — وهي كافية لمقاومة الفصل أثناء الاهتزاز دون إثقال المراوح اللولبية؛
• لزوجة بلاستيكية عالية القص من ١٥–٢٥ باسكال·ثانية — ما يتيح خرْجًا سلسًا ومستمرًّا عند سرعات المُرَصِّف التي تتراوح بين ٠,٨–١,٢ متر/ثانية؛
• انسيابية الكسارة (Slump flow) من ٦٥٠–٧٥٠ مم — وتُحقَّق بموثوقية باستخدام مُحسِّنات التدفق عديدة الكربوكسيلات، وليس بإضافة ماء زائد.

تؤكد الاختبارات الميدانية أن هذا النهج المتوازن يقلل من حالات التوقف الوسطية أثناء التشغيل بنسبة 75٪، مما يضمن تدفقًا متجانسًا عبر المراوح اللولبية ودعمًا ثابتًا للخلطة الإسفلتية.

المثلث الحرج: إجهاد الخضوع، واللزوجة البلاستيكية، وانسيابية الكسارة في عملية البثق عالي السرعة

تلعب العلاقة بين إجهاد الخضوع، واللزوجة البلاستيكية، وتدفق الانهيار دورًا حاسمًا في عمليات البثق المستمر بالقالب المنزلق. ويُشير إجهاد الخضوع أساسًا إلى مقدار القوة المطلوبة قبل أن يبدأ المادة في التدفق. وعندما ينخفض هذا القيمة إلى ما دون نحو ٤٠ باسكال، نلاحظ عادةً مشكلات مثل انهيار الحواف وتسرب السائل على السطح. ومن الناحية الأخرى، إذا تجاوز إجهاد الخضوع نحو ٦٠ باسكال، فإن المادة لا تتدفق بشكل مناسب بل تميل إلى الانفصال أثناء المعالجة. أما تحليل اللزوجة البلاستيكية فيُخبرنا بمدى مقاومة المادة للحركة عند تعرضها للقص. وقد وجد مصنعو المعدات أن أي قيمة تزيد عن ٢٥ باسكال·ثانية تؤدي إلى ازدواج معدل التآكل في ألواح التسوية مقارنةً بالظروف القياسية. كما أن القيم الأقل من ١٥ باسكال·ثانية قد تسبب مشكلات في التصاق المادة بعضها ببعض بشكل كافٍ، خاصةً عند التشغيل بسرعات تفوق أربعة أقدام في الدقيقة. وعلى الرغم من شيوع قياسات تدفق الانهيار، فإنه يجب أخذها في الاعتبار جنبًا إلى جنب مع الاختبارات الديناميكية لخصائص التدفق (الرولوجيا). ففي الواقع، توفر أجهزة قياس الرولوجيا المحمولة روابط ذات دلالة بين قراءات تدفق الانهيار وكلٍّ من معاملي إجهاد الخضوع واللزوجة — وهي روابط لا يمكن لاختبارات الانهيار الثابتة العادية تحقيقها من تلقاء نفسها.

الانهيار والقابلية للتشغيل: النطاقات المستهدفة والتعديل الفوري لضمان جودة الرصف بالقالب الانزلاقي الموثوقة

معايير الصناعة المتغيرة: من ١–٣ بوصة إلى ٢٫٥–٤ بوصة انخفاضًا للخرسانة المسلحة بالألياف والمُرصَّعة بالقالب الانزلاقي

لقد تغيَّر أسلوب قياس الانهيار بشكل ملحوظ مع تحسُّن جودة المواد بمرور الوقت. ففي الماضي، كانت الخرسانة العادية تتطلَّب انخفاضًا يتراوح بين ١ و٣ بوصات للحفاظ على خلطها بشكل متجانس ومنع انفصال مكوناتها. أما اليوم، ومع انتشار الخلطات المسلحة بالألياف، فإن المقاولين عادةً ما يستهدفون انخفاضًا يتراوح بين ٢٫٥ و٤ بوصات. ويتيح هذا النطاق الأوسع التعامل مع الألياف الفولاذية أو تلك الألياف الاصطناعية الدقيقة دون التأثير سلبًا على تدفق الخليط عبر القوالب أو التسبب في صعود كمية زائدة من المياه إلى السطح. وما السبب الحقيقي وراء هذا التغيُّر؟ إنها المُحسِّنات الفائقة للسيولة المتوفرة اليوم بجودة أفضل، بالإضافة إلى قدرة المهندسين على تحقيق توزيعٍ متجانسٍ لتلك الألياف في كامل دفعة الخرسانة. فالأمر لم يعد يتعلَّق فقط بإضافة كمية أكبر من الماء إلى الخليط.

تكامل الذكاء الاصطناعي في التوزيع: مضخات جرعات المواد المضافة المرتبطة بنظام قياس الموقع العالمي (GPS) الخاص بالماكينة الراصفة

أصبح التحكم في قابلية التشغيل في الوقت الفعلي ممكنًا بفضل دمج تكنولوجيا الإنترنت للأشياء (IoT). ففي الواقع، تتزامن مضخات جرعات المضافات مع نظام القياس عن بُعد عبر نظام تحديد المواقع (GPS) الخاص بالآلة الراصفة ومع أجهزة القياس اللزوجي المركَّبة على متنها. وماذا يحدث بعد ذلك؟ يتدخل نظام حلقي مغلق لضبط كميات المُحسِّن الفائق للسيولة والماء حسب الحاجة، استنادًا إلى البيانات الحية الخاصة بقياسات انسيابية الخرسانة (Slump Flow) وإجهاد الانسياب (Yield Stress). ووفقًا للاختبارات الميدانية المنشورة في مجلة «ساينس دايركت» (ScienceDirect) عام ٢٠٢٣، فإن هذه الطريقة تقلل تقلبات قابلية التشغيل بنسبة تقارب ٤٠٪ مقارنةً بالطريقة التقليدية التي يعتمدها العمال في إجراء التعديلات يدويًّا. ويُعد هذا الفارق كبير الأهمية؛ إذ يمنع تشكُّل تلك المفاصل الباردة المزعجة ويحافظ على معدلات وضع الخرسانة ثابتة عند نحو ٤ أقدام لكل دقيقة، حتى في ظل تغير الظروف الجوية خلال اليوم. وبفضل هذا النظام التغذوي الراجعي لمستويات الانسيابية (Slump)، لم يعد المقاولون ينظرون إلى الانسيابية على أنها مجرد خاصية تمرُّ أو تفشل في الاختبارات الرقابية فقط، بل يعاملونها كعاملٍ يتطلَّب اهتمامًا مستمرًّا وضبطًا دقيقًا أثناء عمليات الإنشاء الفعلية.

تصميم نظام الركام والمواد الأسمنتية لمقاومة التآكل وأداء الطرق المُشكَّلة بالقالب الانزلاقي بشكل متسق

زاوية الركام الخشن مقابل تآكل لوحة التسوية: بيانات من شركة وييفانغ كونفي إنترناشونال سيستمز

تؤثر زاوية الركام الخشن تأثيرًا حاسمًا على متانة الطريق و وعمر المُشكِّل الآلي. فبينما تحسّن الزوايا العالية الترابط بين الجسيمات ومقاومة سطح الخرسانة المتصلدة للتآكل، فإن زيادة عدد الأسطح المتكسِّرة تُسرّع التآكل التصاقياً على ألواح التسوية الاهتزازية. وقد حدد البحث عددًا معدلًا للأسطح المتكسِّرة يتراوح بين ٤٠٪ و٧٠٪ باعتباره المدى الأمثل— ليوفّر السلامة الإنشائية دون حدوث تآكل مفرط بين المعدن والحجر.

يتحسَّن التوازن العام عندما ننظر إلى كيفية تصميم أنظمة الإسمنت. فإضافة السيليكا الدقيقة مع مواد إسمنتية مكملة متنوعة تجعل العجينة أكثر كثافة، مُشكِّلةً نوعاً من الدرع الذي يحمي الجسيمات الأكبر من التلامس المباشر مع الماسحة. وعند دمج هذه الطريقة مع ترتيبات مُحسَّنة لتجميع الجسيمات، يظهر تحسُّنٌ ملحوظ في خصائص الضخ، إذ تصل نسبة التحسُّن إلى ما بين ١٥٪ وربما حتى ٣٠٪ مقارنةً بالخلطات القياسية. كما أظهرت الاختبارات التي أُجريت في مواقع البناء الفعلية أمراً مثيراً للاهتمام أيضاً: فعندما يستخدم المقاولون حصى النهر غير الحادِّ جداً (ذو خسائر التآكل أقل من ٨٪ وفقاً لمعايير ASTM) ممزوجاً بخلطات إسمنتية ثلاثية المكونات، فإن عمر الماسحات يزداد فعلياً بنحو ٤٠ إلى ٦٠ ساعة تشغيل إضافية مقارنةً بما يحدث عند استخدام الغرانيت المسحوق الاعتيادي. وهذا يدلُّنا على أن الأمر يتعلَّق حقاً بكيفية تعاون المواد المختلفة معاً، وليس باختيار المكونات بشكل منفصل، وهو ما يؤدي إلى عمليات طرد سلسة أكثر وطرقٍ تدوم لفترة أطول.

بروتوكولات التحقق الميداني وضمان الجودة الخاصة بالرصف باستخدام طريقة الصب الانزلاقي

إن مراقبة الجودة عن كثب أثناء الإنتاج تساعد في الحفاظ على أهداف الخصائص الرحيولوجية المهمة طوال العملية. ويجب أن يبقى انسيابية الخرسانة (Slump flow) ضمن النطاق الموصى به البالغ ٢٫٥ إلى ٤ بوصات (أي ما يعادل ٦٥٠ إلى ٧٥٠ مم)، وإلا فإن الأمور تبدأ بالانحراف عن مسارها الصحيح. وتتيح المراقبة المتواصلة (Inline monitoring) لإجهاد الانسياب (yield stress) اكتشاف مشكلات التجزؤ المحتملة قبل أن تؤثر فعليًّا على عملية البثق. أما فحص تسطّح السطح فيتم كل ساعة باستخدام أجهزة قياس الملامح الليزرية (laser profilometers) المتوافقة مع معايير منظمة الاختبارات والمواد الأمريكية (ASTM). وقد قدّم أحد كبرى مصنّعي المعدات نتائج مثيرة للاهتمام عند دمجه لأنظمة جرعات المضافات الخرسانية الآلية مع تقنية تتبع المواقع عبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، حيث انخفضت انحرافات الانسياب (slump deviations) بنسبة تقارب ٣٧٪ في اختباراته. وبعد وضع المادة، لا تزال هناك مهام فحصية يجب إنجازها أيضًا. ففحص المفاصل وأخذ عينات نووية (core samples) بعد مرور ٢٤ ساعة يسمح لنا بتقييم مدى تطور مقاومة الضغط، مما يضمن أن طبقات الأرصفة ذات المقاطع الرقيقة هذه تمتلك القدرة على الصمود مع مرور الزمن دون أن تتفتت أو تتشقق عند المفاصل. وتسهم جميع هذه الخطوات مجتمعةً في ضمان سير عملية البثق بسلاسة، وحماية المعدات من التآكل المفرط، وإنتاج أقسام أرضية رصف تحقّق باستمرار جميع المواصفات الأداء المطلوبة.

الأسئلة الشائعة

• لماذا تُعَدّ علم الرئولوجيا مهمًّا في عملية الرصف بالقالب الانزلاقي؟ تُعَدّ علم الرئولوجيا أمرًا حاسم الأهمية في عملية الرصف بالقالب الانزلاقي لأنها تساعد في التحكم في كيفية جريان الخرسانة وتماسكها. وتمنع الرئولوجيا السليمة فصل مكونات الخليط (التجزؤ)، مما يضمن اتساق كثافة المادة ويقلل من حالات التوقف أثناء عملية الرصف.
• ما الأثر الناتج عن إجهاد الخضوع في عملية الرصف بالقالب الانزلاقي؟ يؤثر إجهاد الخضوع في القوة المطلوبة لبدء جريان الخرسانة. ويمنع إجهاد الخضوع المناسب حدوث مشكلات مثل نزول المياه إلى سطح الخرسانة (التنقّط السطحي) أو انهيار الحواف، ما يضمن أن الخليط يدعم كفاءة عملية الرصف.
• كيف ترتبط قابلية الهبوط الجرياني واللزوجة البلاستيكية بكفاءة عملية الرصف؟ تقاس قابلية الهبوط الجرياني بدرجة سيولة الخليط، بينما تتعلّق اللزوجة البلاستيكية بمقاومة الخليط للحركة. وتساهم كلتا هاتين العاملتين في خروج المادة بسلاسة وتنفيذ عمليات الرصف بدقة.
• كيف ساهم دمج التقنيات في تحسين عملية الرصف بالقالب الانزلاقي؟ ويُمكّن دمج تقنيات الإنترنت للأشياء (IoT) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) من إجراء تعديلات فورية على نسب الخلط، ما يقلل من التباين في قابلية التشغيل ويعزز الكفاءة العامة لعملية الرصف.