اخترع الرومان لأول مرة ما نسميه اليوم الخرسانة الهيدروليكية القائمة على الأسمنت. قاموا ببناء العديد من الهياكل الخرسانية ، بما في ذلك البانثيون في روما ، وهو أحد أروع الأمثلة على العمارة الرومانية التي بقيت حتى يومنا هذا ، والتي يبلغ قطرها 42 مترًا قبة مصنوعة من الخرسانة المصبوبة. يأتي اسم الخرسانة من الكلمة اللاتينية “concretus” ، والتي تعني النمو معًا. يعد هذا اسمًا جيدًا لهذه المادة ، حيث إن عملية الترطيب الكيميائي ، والتي تحدث بشكل أساسي على مدار الساعة والأيام ، تتسبب في نمو المادة معًا من سائل لزج مرن قابل للتشكيل إلى مادة صلبة صلبة.
في عالمنا اليوم ، أصبحت الخرسانة منتشرة في كل مكان ، وفي الواقع من الصعب تخيل الحياة الحديثة بدونها. يتم استخدام حوالي خمسة مليارات طن من الخرسانة في جميع أنحاء العالم كل عام ، وهو ما يكفي لحوالي طن واحد لكل شخص سنويًا ، بحجم حوالي 400 لتر لكل شخص. يُطلق على الأسمنت المستخدم في الغالب في الخرسانة اليوم اسمنت بورتلاند. اخترع جوزيف أسبدين عملية إنتاج الأسمنت البورتلاندي في أوائل القرن التاسع عشر في إنجلترا ، وربما أراد أسبدين من الناس مقارنة الخرسانة المصنوعة من الأسمنت بشكل إيجابي مع حجر البناء الشهير.
من المهم أن نتذكر أن الأسمنت هو المسحوق الذي يتفاعل مع الماء لتشكيل عجينة الأسمنت ، وهي مادة صلبة صلبة تشكل المصفوفة لمركب الخرسانة. إن إضافة الرمل (الركام الناعم) التي يصل قطرها إلى بضعة مليمترات ينتج ملاطًا ، وإضافة الصخور (الركام الخشن) التي يصل قطرها إلى بضعة سنتيمترات تجعل الخرسانة. من المعروف دائمًا أن الخرسانة مادة مسامية ، تعتمد خصائصها على مساحة مسامها. هناك العديد من أنواع المسام المختلفة في الخرسانة ، بدءًا من الفراغات الهوائية المحاصرة في عملية الخلط ، والتي يمكن أن تكون كبيرة جدًا ، يصل قطرها إلى بضعة ملليمترات ، إلى المسام الشعرية ، والتي هي أساسًا المساحة التي يشغلها المياه المتبقية من الخلط.
قوة الضغط للخرسانة
حتى السنوات الأخيرة ، كان التركيز الكبير على قوة الضغط للخرسانة ، والتي كانت مرتبطة بشكل أساسي بالمسامية الكلية لمصفوفة عجينة الأسمنت وكمية وهيكل الركام. تعتمد القوة الميكانيكية على العيوب وليس على أي خاصية متوسطة عامة ، ومن ثم يصعب ربطها بالبنية المجهرية. وقد تسبب هذا في القليل من الاهتمام نسبيًا لتفاصيل مساحة المسام. لسوء الحظ ، ربما أدى ذلك إلى فكرة أن الخرسانة هي مجرد مادة سلعية ، مع عدم الحاجة إلى فهم أي شيء حول البنية المجهرية. ومع ذلك ، في الآونة الأخيرة ، تم الاعتراف بأن الكثير من الخرسانة في البنية التحتية في الولايات المتحدة وأوروبا وأماكن أخرى تتدهور بشكل أسرع مما كان متوقعًا ، مع الكثير من هذا التدهور بسبب تآكل حديد التسليح الناتج عن دخول الكلوريد والأيونات الأخرى من أملاح الطرق والبيئات البحرية والتربة الأرضية.
ومن ثم يتم الآن إيلاء اهتمام وثيق لخصائص النقل للخرسانة (الانتشار ، والنفاذية ، والامتصاص ، وما إلى ذلك) والتي ، على الرغم من صعوبة ربطها بهيكل المسام والبنية المجهرية ، يسهل دراستها بطريقة أساسية أكثر من مقاومة الضغط. وقد أدى ذلك إلى إيلاء اهتمام جديد للبنية المجهرية للخرسانة ، مع إدراك أن الخرسانة هي مركب معقد ، يتطلب تحسينه والتحكم فيه نهج علم المواد المعتاد للمعالجة والبنية الدقيقة والخصائص.
يستعرض هذا الفصل بإيجاز بعض الأفكار الرئيسية التي تم اقتراحها والتحقق من صحتها جزئيًا لمحاولة شرح البنية المجهرية للخرسانة وتأثيرها على خصائص النقل. الأفكار الرئيسية المستخدمة هي نظرية الترشيح والمركب ، جنبًا إلى جنب مع المحاكاة الحاسوبية الكمية. يعكس هذا الفصل وجهة نظر المؤلفين حول البنية المجهرية الخرسانية ، ويعتمد بشكل كبير على المحاكاة الحاسوبية للبنية المجهرية. لم يتم التحقق من صحة كل جزء من هذا العرض بشكل تجريبي ، على الرغم من أن الكثير قد تم التحقق منه ، لذلك نتوقع أن تتغير بعض الأجزاء بمرور الوقت عند إجراء تجارب جديدة (وعمليات محاكاة جديدة!).