التأثير المشترك لمعدل التفريغ ومحتوى المياه على الملاط تحت تحميل دوري تفاضلي

لماذا يهم الماء والإجهاد في الخرسانة اليومية

من السدود والحواجز إلى الجسور والأنفاق، يُصنع الكثير من بنيتنا التحتية الحيوية من الخرسانة أو الملاط التي تتعرض باستمرار للبلل والجفاف وتتلقى دفعاً وسحباً نتيجة تغيّر الأحمال. عندما ترتفع وتنخفض مستويات الخزانات أو يتكرر مرور المركبات وموجات المياه، تتعرض المواد داخل هذه الهياكل للضغط والتحرر المتكرر. تستكشف هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً لكنه مهمّاً: كيف يؤثر التغير في محتوى الماء ودورات التحميل–التفريغ غير المتساوية معاً على مقاومة الملاط وطول عمره الافتراضي؟ الملاط هو خليط الأسمنت والرمل الذي يربط مكونات الخرسانة معاً.

الخرسانة تحت الدفع والسحب الواقعيين

تُجرى معظم الاختبارات المعملية بالضغط والتحرر بمعدل ثابت في كل مرة، ما يسهل تحليل البيانات لكنه لا يعكس الواقع. في السدود مثلاً، غالباً ما ترتفع مستويات المياه ببطء وتنخفض بسرعة، لذلك يُحمّل ويُفرَغ المادّة بسرعات مختلفة. يسمي المؤلفون هذا "التحميل الدوري التفاضلي متعدد المستويات": حيث يزداد الحد الأقصى للحمل في كل دورة تدريجياً، ويختلف معدل التحميل عن معدل التفريغ. وفي الوقت ذاته يمكن أن تكون الخرسانة جافة أو نصف مبللة أو مشبعة كلياً بالماء. لمحاكاة هذه الظروف، صبّ الفريق قضبان ملاطية، وتحكم بدقة في محتوى الرطوبة عند ثلاث مستويات (0.00% و6.99% و13.98% بالكتلة)، ثم عرضها لدورات تحميل متكررة في جهاز اختبار مع تتبع كيفية تشوهها وفشلها.

تصميم اختبارات منهجية مع رطوبة مُتحكم بها

لإعداد حالات رطوبة واقعية، جفف الباحثون أولاً بعض العينات تماماً ثم نقعوها في الماء، مع قياس زيادة كتلتها عبر الزمن. سمح لهم ذلك بتحديد حالة نصف تشبع تقريبية عند 6.99% وحالة تشبع كامل عند 13.98%. أكدت اختبارات الضغط الأحادية المنفصلة أن العينات الأَكثر رطوبة كانت أضعف وأكثر قابلية للتشوه من الجافة. ومع هذه القاعدة، أجروا 45 اختباراً دورياً إجمالاً، مزجوا فيها ثلاث مستويات رطوبة مع خمسة سرعات تفريغ مختلفة تتراوح من بطيء جداً إلى سريع جداً، مع إبقاء سرعة التحميل ثابتة. في كل اختبار زاد الحد الأقصى للحمل بمقدار ثابت في كل دورة حتى فشل العيّنة، وسجل الجهاز الإجهاد والانفعال بشكل مستمر.

كيف يعيد البلل وسرعة التفريغ تشكيل السلوك

تتبعت منحنيات الإجهاد–الانفعال للملاط تحت هذه الدورات المتدرجة حلقات تُظهر مقدار التشوه غير القابل للاسترداد بين الدورات. بالنسبة للعينات الأكثر رطوبة وللطرقات التفريغ الأسرع، أصبحت هذه الحلقات أكثر كثافة وانتقلت نحو اليمين، مما يعني أن المادة تراكمت فيها تشوهات دائمة أكبر وفشلت عند إجهاد أقل. تتبع المؤلفون تراكم الانفعال دورة بعد أخرى ووجدوا علاقة واضحة وقريبة من الخط المستقيم بين الانفعال التراكمي وعدد الدورات. هذا القانون الخطي البسيط صمد عبر مستويات الرطوبة ومسارات التحميل المختلفة، مما يشير إلى إمكانية استخدامه للتنبؤ بموعد اقتراب بنية مصنوعة من ملاط مشابه من الفشل. كما فصلوا الصلابة إلى معامل تحميل (مدى صلابة الملاط أثناء الضغط) ومعامل تفريغ (أثناء التحلل). أدت الدورات المتكررة في البداية إلى ضغط الشقوق والمسام الدقيقة مؤقتاً وزيادة الصلابة، لكن زيادة محتوى الماء قللت باستمرار كلا المعاملين وجعلت المادة أكثر حساسية لنمط التحميل.

الطاقة والضرر والعتبات المخفية

لأن التصدّع والتشوه البلاستيكي يستهلكان طاقة، حلل الفريق مقدار الطاقة الميكانيكية المدخلة إلى العينات، ومقدار ما استُعيد، ومقدار ما تُبقى مبدّداً بشكل لا رجعة فيه كضرر. أظهروا أن الملاط الأكثر رطوبة يحتاج إلى طاقة إجمالية أقل بكثير للفشل: العينات المشبعة تماماً تطلبت نحو عُشر الطاقة التي امتصتها العينات الجافة. تغيرت نسبة الطاقة المبددة إلى الطاقة المدخلة بانتظام عند معدلات تفريغ بطيئة جداً لكنها استقرت بمجرد أن تجاوز معدل التفريغ حوالي 2.0 كيلونيوتن/ثانية. وبالمثل، عند مقارنة الحالات الجافة ونصف المبللة والمشبعة بالكامل، اكتشفوا عتبة بارزة حول محتوى الماء المتوسط (6.99%) حيث انعكس اتجاه اتجاهات مكونات الطاقة بتغير معدل التفريغ. مؤشر ضرر مستمد من الطاقة المبددة التراكمية ازداد أُسّياً مع عدد الدورات، وزادت مستويات الرطوبة الأعلى كلاً من الضرر الكلي وطمست الفروق بين سرعات التفريغ.

ما معنى هذا للسدود والهياكل الأخرى

بمصطلحات بسيطة، تُظهر الدراسة أن الماء لا يجعل الملاط أكثر طراوة وضعفاً فحسب، بل يجعله أيضاً أكثر عرضة للإجهاد الخفي عندما تتصاعد الأحمال وتنخفض بسرعات غير متساوية. هناك تراكيب حرجة—مستوى رطوبة متوسط حول نصف التشبع ومعدل تفريغ يقارب 2.0 كيلونيوتن/ثانية—حيث تتغير خصائص الصلابة والسلوك الطاقي للمادة بشكل نوعي. بالنسبة للمهندسين، فإن التعرف على هذه العتبات أمر حاسم لتقييم كيف ستتقدم حالة السدود والحواجز وباقي المنشآت المعرضة للمياه تحت ظروف تشغيل واقعية. تشير النتائج إلى أن السلامة طويلة الأمد لا يمكن الحكم عليها بالقوة فقط؛ فتاريخ البلل والجفاف وتفاصيل كيفية تطبيق وإزالة الأحمال لا تقل أهمية عند التنبؤ بتراكم الضرر إلى مستويات خطرة.

الاستشهاد: Liu, Z., Cao, P., Liu, L. et al. Coupled effect of unloading rate and water content on mortar under differential cyclic loading. Sci Rep 16, 5927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36289-5

الكلمات المفتاحية: متانة الخرسانة, تحميل دوري, تشبع بالماء, سلامة السدود, إجهاد المواد