كيف تتحمل الفواصل المائية والرطوبة؟

علم المواد: لماذا تتفوق الفواصل غير المعدنية في البيئات الرطبة

الاستقرار الكهروكيميائي للبوليمرات المركبة في مياه البحر

تُصنع الفواصل غير المعدنية من مركبات بوليمرية خاصة تتميّز بمقاومتها العالية للمشاكل الكهروكيميائية في البيئات البحرية. فغالبًا ما تتفاعل المعادن بشكل سيء مع مياه البحر المالحة من خلال التفاعلات الغلفانية التي نعرفها جميعًا، مما يؤدي إلى الصدأ ويؤدي في النهاية إلى تدهور البنية بأكملها مع مرور الوقت. وتتميّز هذه البدائل البوليمرية بتركيب جزيئي لا يسمح بمرور أيونات الكلوريد من خلالها، وهي مشكلة كبيرة بالنسبة لقضبان التسليح في الهياكل الخرسانية. علاوةً على ذلك، فإنها تحافظ على شكلها حتى بعد بقائها تحت الماء لفترات طويلة. وتُظهر الاختبارات التي أجريت في بيئات خاضعة للرقابة وتحاكي ظروف المحيط الفعلية أن هذه الفواصل يمكن أن تدوم لأكثر من نصف قرن في التطبيقات تحت الماء وفقًا لمعظم الشركات المصنعة، رغم أن بعض الخبراء ما زالوا يشككون فيما إذا كانت الأداءات في العالم الحقيقي ستتطابق تمامًا مع نتائج المختبر.

لماذا تصدأ الفواصل المعدنية المغلفنة أسرع من البدائل غير المعدنية في المناطق ذات التركيز العالي من الكلوريد

تُظهر الفواصل المعدنية المطلية بالزنك فشلاً أسرع بكثير عند وضعها في مناطق غنية بأيونات الكلوريد، مثل المناطق القريبة من السواحل أو على الجسور حيث تتراكم ملح الطرق. تساعد الطبقة الواقية من الزنك في حماية الفولاذ الموجود أسفلها في البداية، لكنها تتآكل بسرعة عند التعرض لرذاذ مياه البحر أو الظروف الرطبة. تشير الأبحاث إلى أن هذه الفواصل تتآكل بسرعة تصل إلى ثلاثة أضعاف مقارنة بنظيراتها المستخدمة في المناطق الداخلية. وعندما تنهار أخيرًا الحماية التي توفرها طبقة الزنك، يبدأ الفولاذ العاري في تكوين الصدأ الذي يتمدد ويؤدي في النهاية إلى تشقّق الهياكل الخرسانية المحيطة. تعمل البدائل غير المعدنية بشكل مختلف تمامًا لأنها مصنوعة من بوليمرات خاصة لا تمتص الماء بشكل طبيعي (معدل امتصاص أقل من 0.8٪). كما أن هذه المواد توقف التفاعلات الكهروكيميائية التي تسبب التآكل في مسارها. وتشير الملاحظات من التركيبات الفعلية في المناطق المدّية إلى نمط واضح أيضًا: فمعظم الفواصل المعدنية تحتاج إلى الاستبدال كل 7 إلى 10 سنوات، في حين تستمر الفواصل البلاستيكية في العمل بكفاءة لأكثر من عشرين سنة خدمة.

هندسة مقاومة للماء: طلاءات وتصاميم فواصل معدلة نانويًا

طلاءات سيلان-سيلوكسان كارهة للماء: تعزيز كفاءة قطع الشعيرية بنسبة 73%

تُحسِّن تقنيات هندسة السطح الجديدة أداء الفواصل بشكل كبير عند التعرض للرطوبة. إن أحدث الطلاءات الكارهة للماء والمصنوعة من السيلان والسيلوكسان تُشكِّل حواجز صغيرة جدًا على المستوى الجزيئي، تدفع الماء بعيدًا بدل السماح له بالالتصاق. وهذا يعني أن كمية الماء التي تمتصها المواد عبر القنوات المجهرية التي نسمّيها الشعيرات الدموية تقل بشكل كبير. وفقًا لاختبارات نُشرت في تقرير أبحاث واجهات المباني لعام الماضي، فإن هذه الطلاءات الخاصة تزيد من مقاومة المواد لاختراق المياه بنسبة تقارب ثلاثة أرباع مقارنة بالأسطح العادية غير المعالجة. ما الذي يعنيه ذلك عمليًا في مجال الإنشاءات؟ إن تراكم الأملاح والأوساخ داخل الهياكل الخرسانية يقل، ما يُطيل عمر الجسور، ويحمي الجدران البحرية من التآكل، ويحافظ على سلامة الأنفاق والمنشآت الأخرى تحت الأرض حيث تُعد الرطوبة دائمًا مشكلة.

فواصل البولي بروبيلين المعدلة بنانويًا: تم تخفيض امتصاص الماء إلى أقل من 0.8٪ (مقابل 4.2٪ كأساس مرجعي)

أحدثت تطورات حديثة في علوم المواد تقدماً كبيراً في مقاومة الرطوبة بفضل تعديلات على المستوى النانوي. عندما تقوم الشركات المصنعة بإدخال جزيئات صغيرة من السيليكا في البولي بروبلين، فإنها تُكوّن أسطحًا تنفر من الماء بشكل استثنائي. وتنخفض نسبة امتصاص الماء إلى أقل من 0.8%، وهي أفضل بنحو خمس مرات من المواد القديمة التي كانت تمتص عادة نحو 4.2%. ويؤكد التقرير الصادر عن ASTM لعام 2024 هذه النتائج. وتظل هذه المواد المعالجة خصيصًا مستقرة حتى عند تعرضها لضغط الماء لفترات طويلة. كما أنها تستوفي جميع المتطلبات المنصوص عليها في المعيار ASTM C1712 للمنتجات التي يجب أن تعمل تحت الماء أو في البيئات الرطبة.

هذا الأسلوب المزدوج — هندسة السطح وتعديل المادة الكتلية — يوفر دعامات ذات أداء غير منقوص في المناطق المدّية، ومرافق معالجة مياه الصرف الصحي، وغيرها من البيئات شديدة الرطوبة.

التحقق العملي: الأداء طويل الأمد للدعامات في التطبيقات المغمورة وتحت الأرض

جسر هونغ كونغ - تشوهاي - ماكاو: الأداء الميداني لمدة 8 سنوات لفواصل الخرسانة في البيئة البحرية

يمثل جسر هونغ كونغ - تشوهاي - ماكاو دليلاً قويًا على مدى مقاومة الفواصل غير المعدنية للبيئات البحرية القاسية. منذ افتتاحه في عام 2018، كانت هذه الفواصل البوليمرية المركبة المغمورة تحت الماء تتعرض باستمرار لمياه مالحة، وحركات المد والجزر المنتظمة، ومستويات الكلور التي تتجاوز الطبيعي بكثير وتصل إلى حوالي 35,000 جزء في المليون. أظهرت عمليات التفتيش بعد عدة سنوات عدم وجود أي علامات على مشكلات التآكل، ولا يزال الغطاء الخرساني بسمك 50 مم سليمًا على جميع العناصر الداعمة في الجسر بأكمله. وهذا يختلف تمامًا عن النتائج التي ظهرت عند إجراء اختبارات مماثلة على البدائل المعدنية في بيئات معملية، حيث بدأت تُظهر علامات التآكل والتقشر في وقت مبكر جدًا. ما نراه هنا يمنح المهندسين ثقة كبيرة في استخدام هذه المواد في مشاريع البنية التحتية الساحلية الأخرى التي تواجه تحديات مماثلة.

• الحفاظ على 98٪ من قوة الضغط بعد ثماني سنوات من التعرض
• تباين أبعادي أقل من 0.5 مم رغم التعرض المتكرر لدورات الرطوبة والجفاف
• لا اختراق قابل للقياس لأيونات الكلوريد عند واجهات الخرسانة-المسند

الثبات البُعدي تحت الضغط الهيدروستاتيكي: تحقيق متطلبات معيار ASTM C1712 للبنية التحتية تحت الأرض

بالنسبة للبنية التحتية المدفونة، يجب أن تقاوم المسنادات التشوه الناتج عن الأحمال الهيدروستاتيكية المستمرة. ويؤكد الاختبار الدقيق وفقًا للمعيار ASTM C1712 أن المسنادات غير المعدنية تحافظ على التسامحات البُعدية الحرجة عندما تتعرض لضغوط تعادل ارتفاع عمود ماء بطول 15 مترًا. وتشمل نتائج التحقق:

• تمدد حجمي ±0.2% بعد 500 ساعة من دورات الضغط
• مطابقة بنسبة 100% لتسامحات وضع حديد التسليح في أقسام الأنفاق المغمورة
• عدم تشكل أي طريق لتسرب المياه عند واجهات الخرسانة-المسند

تؤكد هذه النتائج أداءً موثوقًا على المدى الطويل في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، والأنابيب البحرية، والبيئات الأخرى التي تعمل تحت ضغط—حيث يمنع الثبات البُعدي بشكل مباشر حدوث تلف هيكلي ويضمن سلامة العمر التصميمي.

أسئلة شائعة

• لماذا يُفضَّل استخدام الفواصل غير المعدنية على الفواصل المعدنية في البيئات الرطبة؟

  تتميّز الفواصل غير المعدنية، المصنوعة من مركبات بوليمرية خاصة، بقدرتها الأفضل على مقاومة التفاعلات الكهروكيميائية وأيونات الكلوريد مقارنةً بالمعادن، مما يمنع التآكل والتدهور الهيكلي في الظروف الرطبة.

• كيف تحسّن الطلاءات الكارهة للماء أداء الفواصل؟

  تدفع الطلاءات الكارهة للماء، مثل تلك المصنوعة من السيلان والسيلوكسان، المياه بعيدًا على المستوى الجزيئي، مما يقلل امتصاص الماء في المواد ويحافظ على سلامتها لفترة أطول.

• ما المزايا التي تقدمها فواصل البولي بروبيلين المعدلة بنقاط نانوية؟

  تتميز هذه الفواصل بانخفاض كبير في معدلات امتصاص الماء بسبب جسيمات السيليكا المدمجة فيها، ما يمنحها مقاومة أعظم للرطوبة مقارنةً بالمواد التقليدية.

• هل تم التحقق من صلاحية الفواصل غير المعدنية للتطبيقات الواقعية؟

  نعم، تُظهر الدراسات والمشاريع الواقعية، مثل جسر هونغ كونغ - تشوهاي - ماكاو، أن الفواصل غير المعدنية يمكنها الحفاظ على السلامة الهيكلية ومقاومة التآكل في البيئات البحرية القاسية.