إن أكثر البنود التي يُساء فهمها في تقرير فحص الركام هي تلك المتعلقة بالمواد الناعمة. فمهندس يرى نسبة المواد الناعمة ويجدها مرتفعة فيرفض المادة، بينما ينظر آخر إلى النسبة نفسها ولا يرى مشكلة. كلاهما ينظر نظرة ناقصة، لأن كمية المواد الناعمة وحدها لا تدل على شيء؛ فالسؤال الحقيقي هو ما هي طبيعة هذه المواد الناعمة. فغبار الحجر والطين يمران من المنخل نفسه، لكنهما يتصرفان بشكل متضاد تمامًا في الخرسانة وفي الطريق. يشرح هذا الدليل بالترتيب الفحوصات التي تقيس المواد الناعمة، وقيم امتصاص الماء والرطوبة، وما تتحول إليه هذه القيم على أرض الموقع.
حد 0,063 مم: ما هي المواد الناعمة ومن أين تأتي
في تقنية الركام، تُعرَّف المواد الناعمة بأنها المادة التي تمر من منخل 0,063 مم. وهذا الحد ليس اعتباطيًا؛ فتحت هذا القياس تزداد المساحة السطحية الإجمالية للحبيبات بسرعة، وتبدأ المادة بالتصرف كغبار لا كحبيبة. فكلما ازدادت المساحة السطحية، ازدادت كمية الماء اللازمة للترطيب، وتشبثت المضافات الكيميائية بهذا السطح، وتغير سلوك جريان الخلطة. أي أن 0,063 مم هو الخط الفاصل بين الحبيبات التي تُشكّل الهيكل والغبار الذي يملأ فراغات هذا الهيكل.
تأتي المواد الدقيقة من مصدرين مختلفين. الأول هو غبار الحجر: وهو الغبار الناتج عن تكسير الصخر في الكسّارة، وله نفس التركيب المعدني للصخر الأصلي. في محجر الحجر الجيري يكون هذا غبار كربونات الكالسيوم. أما الثاني فهو الطين: التربة الحمراء المتراكمة في الشقوق الكارستية، أو الطبقات الطينية البينية بين الطبقات الصخرية، أو مواد التغطية التي لم تُزَل بالكامل أثناء الكشط. الطين ليس نفس معدن الصخر الأصلي؛ فله بنية بلورية صفائحية، ومساحة سطحية نوعية عالية جدًا، وتوازن شحنة يتفاعل مع الماء.
يختلف سلوك هاتين المادتين اختلافًا جذريًا. فمسحوق الحجر لا يمتص الماء، ولا يتمدد، وهو خامل كيميائيًا، ويبقى داخل الخلطة كمادة حشو. أما الطين فيمتص الماء، ويزداد حجمه، وينكمش عند الجفاف، ويغلّف أسطح الحبيبات فيمنع الرابط من التماسك بها. ولأن كليهما يمر عبر المنخل نفسه، لا يستطيع تحليل المناخل التمييز بينهما. ولتقييم الدقائق الناعمة تقييمًا صحيحًا، يجب النظر معًا إلى اختبارات تقيس الكمية وأخرى تقيس النوعية. تناولنا كيفية إجراء تحليل المناخل في مقال تحليل المناخل ومنحنى التدرج الحبيبي.
فاقد الغسيل: القياس الصحيح لكمية المواد الناعمة
تُحدَّد نسبة المواد الدقيقة عن طريق الغربلة الرطبة. تُجفَّف العينة حتى تصل إلى كتلة ثابتة ثم تُوزن. بعد ذلك تُغسل بالماء فوق غربال 0.063 مم، مع وضع غربال واقٍ فوقه. يستمر الغسل حتى يصبح الماء الخارج صافيًا، بحيث تخرج جميع المواد الأدق من 0.063 مم من النظام مع الماء. تُجفَّف المادة المتبقية على الغربال وتُوزن من جديد. والفرق بين الكتلة الابتدائية والكتلة النهائية هو فقد الغسل، ويُنسب إلى الكتلة الكلية ويُقدَّم كنسبة مئوية للمواد الدقيقة.
تكمن أهمية هذا الاختبار في فهم سبب عدم كفاية الغربلة الجافة. في الركام الخارج من خط الكسر والغربلة، يلتصق الغبار الناعم بالسطح الرطب للحبيبات. وفي الغربلة الجافة يتحرك هذا الغبار مع الحبيبة ولا يمر إطلاقًا عبر منخل 0,063 mm. والنتيجة أن نسبة الدقائق الناعمة، وهي في الواقع مرتفعة، تبدو منخفضة. وهذا هو السبب غالبًا في أن مادة تُفرك باليد في الموقع فتبدو مغبرة، بينما يظهر التقرير أنها نظيفة؛ إذ يكون التقرير مبنيًا على الغربلة الجافة.
يختلف الحد المقبول لنسبة المواد الدقيقة باختلاف مجال الاستخدام ونوع المنتج. يحدد المعيار TS EN 12620 هذه النسبة بفئات لركام الخرسانة، بينما يحددها المعيار TS EN 13043 للخلطات الإسفلتية؛ وتُحدَّد الفئة المطلوبة وفق مواصفات المشروع. والاتجاه العام هو التالي: لا تُرغَب المواد الدقيقة في الركام الخشن، لأنها هناك تعني تلوثًا لا حشوًا، وتُخِلّ باتصال الحبيبة بالمادة الرابطة. أما في الركام الناعم فإن قدرًا معينًا من المواد الدقيقة يكون مفيدًا بل ومرغوبًا في بعض الخلطات؛ ويختلف الحد وفق ما إذا كانت تلك المواد الدقيقة تحتوي على طين أم لا. لهذا السبب لا تُقرأ نسبة فقد الغسل بمفردها، بل مع قيمة أزرق الميثلين.
الأزرق الميثيلين: يقيس الضرر لا الكمية
لا يقيس اختبار الأزرق الميثيلين كمية المادة الدقيقة، بل مدى نشاطها. المبدأ الذي يقوم عليه الاختبار بسيط: تحتفظ المعادن الطينية بصبغة الأزرق الميثيلين على سطحها بسبب بنيتها الصفائحية وشحناتها السطحية، في حين لا يحتفظ غبار الحجر بها عملياً. لذلك تصبح كمية الصبغة التي تستهلكها العينة مقياساً لوجود الطين ونوعه فيها.
عمليًا، تُحوَّل العينة إلى معلق بالماء، ويُضاف محلول الصبغة تدريجيًا أثناء التحريك. وبعد كل إضافة، تُوضع قطرة من المعلق على ورق الترشيح. وما دام الطين يحتجز الصبغة بالكامل، لا تتكوّن على الورق سوى بقعة داكنة. وفي اللحظة التي يتشبع فيها الطين، تُكوِّن الصبغة الحرة هالة زرقاء فاتحة حول البقعة. والنقطة التي تبقى فيها الهالة ثابتة لمدة محددة هي نقطة نهاية الاختبار، وتُسجَّل كمية الصبغة المستهلكة حتى تلك اللحظة كقيمة لكل وحدة كتلة من العينة.
يختلف تفسير النتيجة باختلاف نوع الطين. فمجموعات الطين المنتفخ تمتص كمية كبيرة جداً من الصبغة حتى بكميات صغيرة بسبب مساحتها النوعية العالية جداً، وترفع القيمة بسرعة؛ وهذه هي الأكثر ضرراً في الخرسانة وطبقات الطرق. أما الأطيان غير المنتفخة فتمتص كمية أقل من الصبغة وأضرارها أكثر محدودية. أي أن ارتفاع قيمة الأزرق المثيليني لا يعني فقط وجود الطين، بل يشير أيضاً إلى ارتفاع احتمال أن يكون هذا الطين من النوع النشط والخطير.
إن أهم ميزة عملية لهذا الفحص هي قدرته على التمييز. فالرمل المكسّر ذو النسبة العالية من الدقائق الناعمة، إذا كانت قيمة أزرق الميثيلين لديه منخفضة، فمن المرجح أنه يحتوي على غبار حجري نظيف ولن يسبب مشكلة في الخلطة. أما الرمل الطبيعي بالنسبة نفسها، فإذا كانت قيمة أزرق الميثيلين لديه مرتفعة، فإنه يحتوي على طين نشط يُخِلّ بسلوك الإسمنت والإضافة في الخلطة. فالنسبة المقاسة واحدة، لكن النتيجة مختلفة تماماً.
قراءتها إلى جانب المكافئ الرملي: الكمية والطبيعة والاتساق
يُعد اختبار المكافئ الرملي أسرع هذه الاختبارات الثلاثة وأكثرها ملاءمة للعمل الميداني. توضع العينة في أسطوانة شفافة مع محلول ترسيب يُبقي الطين والغرين معلّقين، ثم تُرَجّ بنمط محدد وتُترك للاستقرار. تترسب حبيبات الرمل الثقيلة بسرعة إلى القاع، بينما يبقى الطين والغرين معلّقَين مكوّنَين طبقة عكرة في الأعلى. بعد فترة محددة، يُقاس ارتفاع عمود الرمل وارتفاع العمود الكلي، وتُعطى النسبة كنسبة مئوية. القيمة المرتفعة تعني رملًا نظيفًا، بينما القيمة المنخفضة تعني رملًا محمّلًا بنسبة عالية من الدقائق الناعمة.
يتمثل القصور في اختبار المكافئ الرملي في عجزه عن التمييز بين الطين وغبار الحجر؛ فكلاهما ينضم إلى الطبقة العكرة. لذلك قد يُعطي رمل مكسّر جيد يحمل غبار حجر نظيفًا قيمة منخفضة للمكافئ الرملي فيُرفض ظلمًا. في المقابل، يتميز الاختبار بسرعته في الموقع وبساطة معداته، ويعمل كإنذار يومي لمتابعة الإنتاج؛ فالانخفاض المفاجئ في القيمة ينبئ بأن شيئًا ما قد تغيّر في مكان ما على خط الإنتاج.
إن القراءة الصحيحة تستخدم القيم الثلاث معاً. فقيمة فقد الغسيل تُخبر بكمية الدقائق الناعمة. وقيمة أزرق الميثيلين تُخبر بمدى ضرر تلك الدقائق. أما مكافئ الرمل فيتتبع الثبات اليومي. وعندما تنظرون إلى الثلاث معاً، تتعرفون على المادة: فإذا كانت نسبة الدقائق مرتفعة لكن قيمة أزرق الميثيلين منخفضة، يمكن ضبط الكمية بالغربلة أو الغسيل، والمادة سليمة. أما إذا كانت نسبة الدقائق منخفضة لكن قيمة أزرق الميثيلين مرتفعة، فهناك كمية قليلة من طين نشط؛ وهذه الحالة أخطر، لأن النسبة الواردة في التقرير تبعث على الاطمئنان بينما تسبب المادة مشكلة فعلية. وقد تناولنا مكانة هذين الفحصين في مقارنة الرمل المكسّر بالرمل الطبيعي في مقالة اختيار الركام الناعم.
امتصاص الماء والرطوبة السطحية: ما الذي يُخِلّ بماء الخلط
امتصاص الماء هو نسبة كمية الماء التي يمكن أن تستوعبها مسامّ حبيبة الركام إلى كتلتها الجافة. يُقاس ذلك بنقع العيّنة في الماء لمدة معيّنة حتى تصل إلى حالة التشبّع، ثم إزالة الماء الحرّ من سطحها ووزنها، وبعد تجفيفها تُوزن مرة أخرى. والفرق بين الوزنين هو كمية الماء التي دخلت إلى الحبيبة. يكون الركام عند هذه النقطة في حالة السطح الجاف المشبّع: مساماته ممتلئة وسطحه جاف. وهذه هي الحالة التي تُتَّخذ مرجعًا في حسابات الخلطة.
كثيراً ما يُخلط بين امتصاص الماء والرطوبة السطحية، لكنهما مختلفان. امتصاص الماء هو الماء الذي يدخل إلى داخل الحبيبة ولا يساهم في الخلطة؛ إذ يُستهلك في إشباع الحبيبة. أما الرطوبة السطحية فهي الماء الحر الموجود على سطح الحبيبات خارجها، ويُضاف مباشرة إلى ماء الخلط. وعادة ما يكون الركام المخزّن أكثر رطوبة من حالة الإشباع؛ وترتفع هذه الرطوبة بعد المطر وفي أكوام الرمل المغسول. وإذا لم تحتسب المحطة هذا الماء الحر، يدخل إلى الخلطة ماء أكثر من المخطط له، فترتفع نسبة الماء إلى الإسمنت وتنخفض المقاومة. وعلى العكس، يسحب الركام الجاف الماص ماء الخلط إلى داخله؛ فتتصلب الخرسانة بسرعة وكأنها بدأت الشك مبكراً، وتفقد قابلية التشغيل.
لهذا السبب يُعد قياس الرطوبة في الركام الناعم عملية يجب تكرارها عدة مرات في اليوم. يجف سطح المكدس تحت أشعة الشمس بينما تبقى الطبقات السفلى رطبة؛ فرطوبة الصباح ليست هي رطوبة بعد الظهر. وإذا كان يُستخدم مسبار رطوبة في المحطة، فيجب التحقق منه دوريًا بطريقة التجفيف بالفرن. وعند العمل بركام ذي امتصاص ماء مرتفع، فإن ترطيب الركام مسبقًا قبل دخوله الخلطة يقلل بشكل ملحوظ من فقدان قابلية التشغيل ومن فقدان الهبوط.
يُعدّ امتصاص الماء أيضاً مؤشراً على الديمومة. فالامتصاص المرتفع يدل على أن الحبيبة مسامية، وبالتالي ستتعرض لإجهاد داخلي خلال دورات التجمد والذوبان، كما ستمتص القار في الأسفلت وتقلل سماكة الغشاء الفعّال. وفي الحجر الكلسي تُعد هذه القيمة من أكثر الخصائص تبايناً حسب مستوى المحجر؛ فالمستويات ذات النسيج المتماسك تعطي امتصاصاً منخفضاً، بينما المستويات الصدفية وذات الفراغات الانحلالية تعطي امتصاصاً مرتفعاً. للمزيد من التفاصيل يمكنكم الاطلاع على مقال خصائص الحجر الكلسي كركام.
الآثار في الخرسانة: احتياج الماء، الإضافات، الانكماش، المتانة
أول تأثير للمواد الدقيقة في الخرسانة يتعلق بالحاجة إلى الماء. فكلما زادت المساحة السطحية زادت المساحة التي يجب ترطيبها؛ وللوصول إلى نفس قيمة الهبوط يلزم إما مزيد من الماء أو مزيد من الملدن. وإذا عُوِّض ذلك بالماء ترتفع نسبة الماء إلى الإسمنت وتنخفض المقاومة ومقاومة النفاذية معًا. والطريق الصحيح هو التحكم في كمية المواد الدقيقة أثناء الإنتاج، وسد الفرق المتبقي باستخدام إضافة كيميائية.
تزداد الصورة سوءًا عندما يدخل الطين في المعادلة. فالمعادن الطينية لا تجذب الماء فحسب، بل تجذب أيضًا جزيئات الملدنات الفائقة. يُحتجز جزء من المادة المضافة على سطح الطين بدلاً من أن يعمل على تفريق حبيبات الإسمنت، وهذا ما يفسر لماذا لا تُعطي زيادة الجرعة الأثر المتوقع. النمط الشائع في الموقع هو التالي: تُرفع جرعة الإضافة، ويثبت الهطول لفترة ثم يزول بسرعة. غالبًا ما يكون هذا السلوك نتيجة الطين الموجود في الركام، وليس نتيجة المادة المضافة نفسها.
يبرز في الخرسانة المتصلدة تأثيران رئيسيان للطين. الأول هو الانكماش: يفقد الطين حجمه أثناء الجفاف ويولّد إجهاد شد في العجينة المحيطة به، فتزداد التشققات اللدنة وتشققات الجفاف نتيجة لذلك. الثاني هو الالتصاق (الترابط): إذ يمنع غشاء الطين المغطي لسطح الحبيبة التصاق عجينة الإسمنت بالحجر ويضعف السطح البيني بين الركام والعجينة. وهذا السطح البيني هو أصلاً الحلقة الأضعف في الخرسانة، ويزيده الطين ضعفاً. وإلى جانب فقدان المقاومة، تفتح زيادة النفاذية الباب أمام تآكل حديد التسليح ومشاكل الديمومة على المدى الطويل.
في المقابل، يفيد مسحوق الحجر النظيف الخرسانة عمومًا. فهو يملأ الفراغات، ويزيد من تماسك الخلطة، ويقلل من الانعزال والنزف، ويحسّن قابلية الضخ. وفي الخرسانة ذاتية الرص والخرسانة المضخوخة، لا يُعد الفيلر نقصًا بل جزءًا من التصميم. والفارق الحاسم هو أن تكون النسبة مضبوطة وأن يُتحقق بالاختبار من أن المحتوى خالٍ من الطين.
التبعات في الطريق والأسفلت: اللدونة، وانتفاخ الصقيع، والتقشر
يختلف دور المواد الناعمة في طبقات الطريق عن دورها في الخرسانة، وهذا التأثير ليس أحادي الاتجاه. ففي الطبقات الحبيبية مثل الركام المثبت (الستابيلايز) وقاعدة الخلط النباتي (بلانت-ميكس)، تكون كمية معينة من المواد الناعمة ضرورية: إذ تملأ الفراغات بين الحبيبات الخشنة، وتساعد الطبقة على الانغلاق أثناء الدمك، وتربط السطح، وتمنح الطبقة قدرة تحمل. وإذا كانت النسبة الناعمة غير كافية، فلن تنغلق الطبقة تحت الأسطوانة، وتتحرك الحبيبات عند السطح، ولا يمكن الوصول إلى كثافة الدمك المستهدفة. للاطلاع على وظيفة هذه الطبقة وتصميمها، يمكن الرجوع إلى مقال ما هو الركام المثبت (ستابيلايز).
أما عندما تكون هذه المواد الدقيقة نفسها بكمية زائدة، فإن الطبقة تُصبح هذه المرة عاجزة عن الدفاع أمام الماء. فالكسر الدقيق المحتوي على الطين يتحول إلى مادة لدنة (بلاستيكية) عند تلامسه مع مياه الأمطار والمياه الجوفية؛ فتتحول الطبقة إلى وحل، وتفقد قدرتها على التحمل، وتهبط تحت تأثير حركة المرور. لهذا السبب تحدّ مواصفات الطرق نسبة المواد الدقيقة في الطبقات الحُبيبية بحد أعلى، وتُقيّد لدونة الكسر الدقيق بمعيار منفصل. واللدونة تُبيّن ما إذا كانت المادة الدقيقة تتغيّر شكلها تبعًا لمحتواها المائي أم لا؛ وهي المعيار الأكثر عملية للتمييز الميداني بين غبار الحجر غير اللدن والطين اللدن.
في المناطق الباردة، للمواد الدقيقة تأثير ثالث: الانتفاخ الصقيعي. فالمادة شديدة الدقة تسحب الماء إلى الأعلى من منسوب المياه الجوفية بالفعل الشعري. وعندما تنخفض الحرارة دون الصفر، يشكّل هذا الماء عدسات جليدية داخل الطبقة، فتنتفخ الطبقة ويظهر تشوه في السطح. أما أثناء الذوبان فيتحرر الماء المتراكم، وتصبح الطبقة مشبعة، وتنخفض قدرتها التحملية فجأة. وعلى الشريط الساحلي لبحر إيجه لا يكون هذا الخطر بارزاً كما هو في المناطق الداخلية، لكن يجب أخذه بعين الاعتبار في المرتفعات وعلى الطرق الممتدة نحو الداخل.
أما في الأسفلت، فإن المواد الدقيقة ذات وجهين. فالفيلر (الحشو) يُشكّل مع البيتومين ملاطًا (ماستيك) يرفع من صلابة الخليط ومقاومته للتخدد الناجم عن مرور العجلات؛ وغبار الحجر لا غنى عنه في خليط أسفلتي جيد. لكن الطين الملتصق بسطح الركام يتداخل بين طبقة البيتومين والحجر، فيُضعف الرابطة ويبدأ التقشّر. لذلك، في ركام الأسفلت، يحظى المنتج المغسول والخالي من الطين بأولوية أكبر من نسبة الفيلر. وللاطلاع على تفاصيل العلاقة بين البيتومين والركام، يمكن مراجعة مقالة ركام الأسفلت.
دور الغسيل: متى يكون ضروريًا ومتى لا يكون
الغسيل هو العملية الميكانيكية التي تُزيل المواد الناعمة، وخاصة الطين، من الركام. يُغسل الركام الخشن عادةً على غربال مزوّد برشاشات مائية؛ إذ تُغسل الحبيبات أثناء الغربلة ويُزال الغبار الملتصق بسطحها بالماء. أما بالنسبة للركام الناعم، فتُستخدم غسالات ذات شفرات أو غسالات حلزونية إلى جانب غرابيل التجفيف. تُوجَّه مياه الغسيل إلى أحواض الترسيب، حيث تترسب المواد الناعمة فيها، ويُعاد تدوير الماء قدر الإمكان. وقد شرحنا كيفية إدارة هذه الدورة في مقال الإدارة البيئية في محجر الحجر.
الحالات التي يكون فيها الغسيل ضروريًا فعلًا واضحة. فالغسيل إلزامي إذا وُجدت مستويات طينية بينية أو حشوات شقوق كارستية في واجهة المحجر، أو إذا كانت قيمة الأزرق الميثيلين ترتفع، أو إذا كان يتشكل غشاء غباري على سطح الركام الخشن يمنع التصاق المادة الرابطة، أو إذا كان يُنتَج مواد صرف وترشيح. ففي مواد الترشيح، تُلغي المواد الناعمة سبب وجود المادة نفسها؛ وقد فصّلنا هذا الموضوع في مقال اختيار ركام الصرف والترشيح.
توجد أيضًا حالات يكون فيها الغسيل غير ضروري، بل وقد يكون ضارًا. ففي الرمل المكسّر المنتَج من صخر نظيف تكون مواده الناعمة بالكامل من غبار الحجر، يؤدي الغسيل المفرط إلى جرف الكسر الناعم المفيد الواقع بين 0.063 و0.25 مم أيضًا. والنتيجة رمل يفرغ عند الطرف الناعم من منحنى التدرج الحبيبي، وتزداد قابليته للانعزال والنزّ السطحي. والخرسانة المصنوعة بهذا النوع من الرمل تنزّ الماء، ويتغبّر سطحها، وتنعزل مكوناتها في المضخة. أي أن الغسيل ليس نتيجة، بل عملية يجب ضبطها.
الطريقة الصحيحة هي كالتالي: ليس القضاء على المواد الدقيقة، بل التحكم في كميتها ونوعيتها. إذا وُجد الطين فالغسيل، وإذا زاد غبار الحجر فالتعديل بالغربلة الجافة، وإذا كان كلاهما متوازنًا فعدم التدخل. أساس القرار هو نتائج فقدان الغسيل، ومؤشر الميثيلين الأزرق، وتوزيع حجم الحبيبات للعينات المأخوذة بانتظام. تُشغّل İTS Maden، في محجر الحجر الجيري في Milas، منشآت الكسر والغربلة والغسيل ضمن نظام تُراقب فيه هذه القيم الثلاث معًا. لاختيار المنتجات التي تلبي متطلبات مشروعكم من حيث المواد الدقيقة والنظافة، يمكنكم الاطلاع على منتجاتنا، والتعرف على نهجنا في مراقبة الجودة، والتواصل معنا.
