دراسة تجريبية لخصائص الخرسانة الميكانيكية الديناميكية ونماذج آليات التلف تحت دورات التجمد والذوبان

لماذا يكون الشتاء قاسياً على الخرسانة

في المناطق الباردة، يجب على الجسور والسدود والمجاري المائية أن تتحمّل سنوات من تجمّد ومذيب المياه داخل الخرسانة. كل دورة شتوية يمكن أن توسع تدريجياً المسام والشقوق الخفية، مما يهدد سلامة وعمر المنشآت الهيدروليكية الضخمة مثل السدود ومصارف الفيضانات. تدرس هذه الدراسة عن كثب كيف تُضعف دورات التجمد–الذوبان المتكررة، إلى جانب ظروف التحميل الواقعية، الخرسانة تدريجياً وتغير نمط فشلها، مما يقدم دلائل لتصميم هياكل قادرة على البقاء في مناخات قاسية.

مراقبة الخرسانة أثناء التجمد العميق

لتقليد ما يحدث في الميدان، صنع الباحثون عينات أسطوانية خرسانية قياسية وعرضوها لما يصل إلى 75 دورة تجمّد–ذوبان محكومة. في كل دورة تستمر أربع ساعات، تم تبريد العينات المشبعة بالماء إلى حوالي −20 °م ثم تسخينها مرة أخرى إلى 20 °م، كما يحدث عبر أيام وليالي الشتاء. بين مجموعات الدورات، قاسوا الكتلة وسرعة الموجات فوق الصوتية والصلابة للخرسانة. بعد معالجة التجمد، وُضعت نفس العينات في جهاز اختبار قوي وتعرّضت لمئات الأحمال المتكررة ثم سحقت بسرعات تحميل مختلفة، ممثلةً التحميل البطيء والخدمة العادية والأحداث السريعة مثل الصدمات أو الزلازل الصغيرة.

تتراجع القوة، لكن التشكّل يزداد

وجد الفريق نمطاً واضحاً: مع زيادة عدد دورات التجمد–الذوبان، انخفضت مقاومة الخرسانة للضغط وصلابتها (مقاومتها للسحق و«مرونتها») بشكل مطّرد. بعد 75 دورة، تراجعت القوة بما يقارب خُمسها والصلابة بنحو النصف تحت أبطأ ظروف التحميل. في الوقت نفسه، نمت الإجهاد المتبقي والإجهاد الذروي—مدى انحناءها المتبقي ومقدار التشوه قبل الانهيار—بشكل ملحوظ. ببساطة، أصبح المَادة أكثر نعومة وقابلة للتشوه. أخفت التحميلات السريعة هذا التلف جزئياً: عند الضغط بسرعة، احتفظت الخرسانة بجزء أكبر من قوتها الظاهرية، مما يدل على أن التحميل السريع يمكن أن يخفي مؤقتاً التدهور الداخلي.

المسام الخفية، الشقوق المتنامية، وتغير أشكال الفشل

كشفت صور البنية الداخلية كيف يتراكم التلف. في البداية، احتوت الخرسانة على مسام صغيرة متفرقة فقط. بعد 25 دورة، ظهرت مسام أكثر لكنها بقيت معزولة في الغالب. بحلول 50 دورة، اتسعت المسام والشقوق الدقيقة وبدأت تتصل ببعضها، وبحلول 75 دورة تشكلت شبكة كثيفة من الفراغات الكبيرة المترابطة. تطور هذا على المستوى المجهري يتطابق مع ما لوحظ على السطح عند سحق العينات. كانت الخرسانة السليمة تميل للانقسام على طول شق واحد أو اثنين حادّين، فتتكسر إلى قطع إسفينيتة قليلة. بعد دورات تجمد–ذوبان عديدة، فشلت العينات بشكل أهدأ لكن أكثر انتشاراً، مع شكل محدب، العديد من الشقوق الدقيقة، وكثير من الحطام شبيه بالمسحوق، مما يشير إلى أن الهيكل الداخلي فقد تماسكه.

كيف يتفاعل سرعة التحميل مع التلف

من خلال الاختبار عند سرعات تحميل متعددة، تمكن الباحثون من قياس حساسية الخرسانة المتضررة لمعدل الإجهاد—سرعة تشوهها. مع زيادة أضرار التجمد–الذوبان، أصبح استجابة المادة لسرعة التحميل أقوى. عند معدلات إجهاد عالية، أدت قصور زمن نمو الشقوق وكتلة الماء المحتجز في المسام إلى إبطاء انتشار التلف، فبدت القوة أعلى نسبياً وفقدان الصلابة أقل حدة مما هو عليه عند التحميل البطيء. ومع ذلك، لم يكن هذا تعافياً حقيقياً: ظلّت شبكة المسام وكثافة الشقوق تتدهور مع كل دورة، كما أظهرت قياسات الموجات فوق الصوتية وإعادة بناء المسام ثلاثية الأبعاد. التقطت منحنيات الإجهاد–الانفعال هذا التحول: تحركت القمم إلى أسفل وإلى اليمين، وتقلصت المنطقة المظللة تحت المنحنى—التي تمثل الطاقة التي تستطيع الخرسانة امتصاصها قبل الفشل—مشيرةً إلى أن المادة أصبحت أقل قدرة على تشتت الأحمال.

ما يعنيه هذا للمنشآت الواقعية

بالنسبة للسدود ومصارف الفيضانات وغيرها من الأعمال الهيدروليكية في المناخات الباردة، تبرز هذه النتائج أن التجمد والذوبان المتكرر يآكل بهدوء كلّاً من القوة والصلابة، حتى عندما يبدو الهيكل سليماً. مع مرور الوقت، تصبح الخرسانة أكثر مرونة لكن أقل قدرة على امتصاص الأحمال المفاجئة دون تشقق. توفر الدراسة علاقات رياضية تربط عدد دورات التجمد–الذوبان بتغيرات القوة والصلابة والتشوه، مما يمنح المهندسين أدوات لتقدير العمر المتبقي والتخطيط للصيانة. بلغة بسيطة، تظهر الدراسة أن أضرار الشتاء ليست مجرد مشكلة سطحية: فهي تعيد تشكيل الخرسانة من الداخل إلى الخارج، وفهم هذه العملية أمر أساسي للحفاظ على سلامة البنية التحتية المائية الحيوية لعقود.

الاستشهاد: Cao, Y., Zhou, J., Shao, Y. et al. Experimental study on dynamic mechanical properties and damage mechanisms models of concrete under freeze-thaw cycles. Sci Rep 16, 7796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39345-2

الكلمات المفتاحية: أضرار التجمد–الذوبان, متانة الخرسانة, المنشآت المائية, التحميل الديناميكي, المناطق الباردة