تحليل المشاكل الشائعة في الخرسانات الحرارية: شرح مفصل لأسباب التزهر والتفتت والانكماش والنزيف

تُعدّ الخرسانة الحرارية نوعًا شائع الاستخدام من المواد الحرارية غير المشكلة، وتنتمي إلى نظام المواد الحرارية الهيدروليكية. تتكون الخرسانات عادةً من ركام حراري ومساحيق حرارية ومواد رابطة ومضافات متنوعة. أثناء عملية البناء، يُضاف الماء ويُخلط، ثم يُصب في قوالب ويُضغط باستخدام هزاز. تُستخدم هذه الخرسانات على نطاق واسع في بطانات الأفران الصناعية عالية الحرارة في صناعات المعادن ومواد البناء وتوليد الطاقة والصناعات الكيميائية.

في عملية البناء الفعلية، إذا لم تُجفف بعض الخرسانات الحرارية بشكل صحيح في الفرن بعد فك القوالب وتُركت في الهواء لفترة من الزمن، فإن سطحها يكون عرضة لتكوين "زغب أبيض" أو "صقيع أبيض"، يتبعه تفتت تدريجي وتحول إلى مسحوق، مع تساقط ملحوظ للرمل عند لمسه. تُعرف هذه الظاهرة عادةً باسم التزهر في الصناعة.

يرتبط السبب الأساسي للتزهر بالمواد القلوية الموجودة في المواد الخام للخرسانة. غالبًا ما يحتوي الركام والمساحيق والإسمنت الألوميني ومضافات مثل المشتتات ومخفضات الماء والمسرعات على كميات صغيرة من أكاسيد المعادن القلوية، مثل Na₂O و K₂O و Fe₂O₃. بعد خلط الخرسانة بالماء، تذوب بعض هذه المواد القلوية في الماء وتنتقل إلى السطح مع الماء الحر. عندما تصل هذه المكونات القلوية إلى السطح، تتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون في الهواء لتكوين كربونات، وبالتالي تتشكل رواسب بيضاء على سطح الخرسانة، تبدو كـ"زغب أبيض" أو "صقيع أبيض".

تجدر الإشارة إلى أن التزهر لا يؤثر بشكل كبير على الأداء الحراري العام للخرسانة، ولكنه قد يسبب رخاوة وخشونة في السطح، مما يؤثر على جودة المظهر، وفي الحالات الشديدة، قد يؤدي إلى تفتت السطح. بالنسبة للخرسانات الحرارية القائمة على الألومينات، عادةً ما يكون لتفتت السطح سببان: أحدهما هو رخاوة السطح الناتجة عن هجرة الشوائب القلوية، والآخر هو تفاعل الكربنة لمنتجات تميه الإسمنت في الهواء. هذه التفاعلات قابلة للتكرار في البيئات الرطبة؛ لذلك، يُعدّ المعالجة المناسبة والتجفيف في الفرن في الوقت المناسب أمرًا بالغ الأهمية.

قد تواجه الخرسانات الحرارية أيضًا مشاكل انكماش أثناء الاستخدام، وخاصة الانكماش خلال مرحلة درجات الحرارة المنخفضة. إذا كان معدل التغير في بطانة الفرن القابلة للصب كبيرًا جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى تلف هيكل البطانة، مما يتسبب في حدوث تشققات وحتى تفتت، وبالتالي تقصير عمرها الافتراضي. يحدث انكماش المواد القابلة للصب بشكل رئيسي على مرحلتين: أولاً، أثناء عملية التجفيف بعد إزالة القالب، يتم طرد الماء الحر والماء البلوري تدريجيًا، مما يسبب تغيرات في الحجم؛ ثانيًا، أثناء الاستخدام في درجات الحرارة العالية، تحدث تفاعلات كيميائية أو تحولات طورية داخل المادة، مما يؤدي إلى تغيرات خطية. غالبًا ما ترتبط هذه المشاكل بنسبة خلط غير مناسبة لمادة الصب.

في الإنتاج الفعلي، يمكن لتحسين تركيبة مصفوفة المواد القابلة للصب أن يقلل من الانكماش بشكل فعال. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إدخال معدن السيليكون أو مسحوق الكيانيت أو مسحوق الأندالوسيت إلى تحسين أداء التغير الخطي في درجات الحرارة العالية إلى حد ما. من بين هذه المواد، يمتلك معدن السيليكون التأثير التعويضي الأكبر للانكماش في درجات الحرارة العالية، حيث يعادل بشكل فعال انكماش المادة القابلة للصب عند 1400 درجة مئوية، مما يقلل من مشاكل التشققات أثناء الاستخدام. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكلفة معدن السيليكون، عادةً ما يكون من الضروري تحقيق توازن معقول بين الأداء والتكلفة.

بالإضافة إلى ذلك، قد تتعرض المواد القابلة للصب لظاهرة النزف بعد البناء. تُصنع المواد الحرارية القابلة للصب عن طريق خلط الركام والمساحيق والمواد الرابطة والمواد المضافة مع الماء. من الناحية المثالية، يتم توزيع جميع المكونات بشكل موحد ومستقر، ولكن في بعض الحالات، قد يرتفع الماء وينفصل، وهي ظاهرة تُعرف باسم النزف. بناءً على حالة الماء في المادة القابلة للصب، يمكن تقسيمها إلى ماء مرتبط، وماء ترطيب، وماء حر. يرتبط الماء الحر بشكل ضعيف بالمادة الصلبة وينتقل بسهولة إلى الأعلى عبر قنوات المسام، وهو السبب الرئيسي للنزف.

يشكل النزف طبقة من الملاط على سطح المادة القابلة للصب. عندما تفقد هذه الطبقة الماء، تصبح قوتها غير كافية، مما يؤدي بسهولة إلى تشققات سطحية؛ داخليًا، يشكل الماء المتصاعد قنوات نزف وفراغات موضعية، مما يجعل هيكل المادة غير متجانس ويؤثر على الأداء العام للمادة القابلة للصب. تؤثر العديد من العوامل على النزف، بما في ذلك اختيار المواد الخام، وتوزيع حجم الجسيمات، واختلاف الكثافة، ولزوجة المادة القابلة للصب، وعملية البناء. بشكل عام، كلما كانت الجسيمات أكبر، واختلاف الكثافة أكبر، واللزوجة أقل، كانت ظاهرة النزف أكثر وضوحًا.

تؤثر طريقة الاهتزاز أثناء عملية الصب بشكل كبير على ظاهرة انفصال الماء. فالاهتزاز المفرط قد يؤدي إلى زيادة سيولة المادة، مما يسهل انفصال الماء الحر. لذلك، يجب التحكم في مدة الاهتزاز ضمن نطاق مناسب، بحيث يتم التخلص من معظم فقاعات الهواء وانفصال الماء السطحي، مع تجنب الاهتزاز الزائد. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي عدم التحكم السليم في وقت التصلب إلى تفاقم مشكلة انفصال الماء؛ فالتصلب البطيء يسمح بترسب الجسيمات وانفصال الماء. من خلال الاختيار الأمثل للمواد المشتتة وأنظمة التسريع، مع ضمان قابلية التشغيل المناسبة، يمكن تقليل مشكلة انفصال الماء في المواد الحرارية القابلة للصب بشكل فعال.