Comparative Evaluation of Alkalinity Assessment Methods and Long-Term Phase Evolution in Electrochemical Realkalization of Historic Concrete: A Four-Year Field Study

تُعد المباني الخرسانية من القرن العشرين جزءاً حيوياً من مشهدنا الثقافي، ومع ذلك فهي تواجه عدواً صامتاً يهدد سلامتها الإنشائية: عملية الكربنة الطبيعية البطيئة. فبينما يدخل الهواء إلى المسام الدقيقة للخرسانة، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الكيمياء الداخلية للمادة، مما يؤدي تدريجياً إلى خفض مستوى الرقم الهيدروجيني (pH) الخاص بها. هذا التحول الكيميائي أمر بالغ الأهمية لأن قضبان الفولاذ المخفية داخل الخرسانة تعتمد على بيئة قلوية، أو قاعدية، عالية لتبقى محمية. وعندما ينخفض الرقم الهيدروجيني بشكل كبير، تذوب تلك الطبقة الواقية، ويبدأ الفولاذ في الصدأ. ولإنقاذ هذه الهياكل التاريخية، يستخدم المهندسون تقنية تسمى إعادة القلوية الكهروكيميائية. تعمل هذه العملية على إرسال تيار كهربائي عبر الخرسانة لدفع مواد قلوية طازجة بعمق داخل المسام، مما يعيد فعلياً ضبط البيئة الكيميائية ويوقف الصدأ قبل أن يبدأ. ومع ذلك، ظل سؤال رئيسي يلوح في الأفق لعقود: هل يعمل هذا العلاج حقاً على المدى الطويل، وكيف يمكننا معرفة ما إذا كان لا يزال يحمي الفولاذ بعد سنوات من انتهاء عملية الإصلاح؟

لسنوات، كانت الطريقة القياسية للتحقق مما إذا كان إصلاح الخرس "ناجحاً" هي اختبار بصري بسيط. يقوم الفنيون برش سائل يسمى الفينول فثالين على شريحة حديثة من الخرسانة. إذا تحول السائل إلى اللون الوردي الزاهي، فهذا يعني أن المنطقة لا تزال قلوية وآمنة. أما إذا ظل شفافاً، فقد كان الافتراض هو أن الخرسانة أصبحت حمضية وأن الفولاذ في خطر. هذه الطريقة سريعة وسهلة، لكن دراسة ميدانية جديدة استمرت أربع سنوات أجريت على مبنى مدرسي تاريخي في نينغبو بالصين، تشير إلى أن اختبار الرش البسيط هذا قد يكون يخدعنا. فقد وجد الباحثون أنه بينما أظهر اختبار الرش في كثير من الأحيان خرسانة شفافة، أي "فاشلة"، إلا أن البيئة الكيميائية الفعلية داخل المادة ظلت واقية. وتكشف الدراسة أن الاختبار التقليدي أعمى عن نوع معين من التوازن الكيميائي الذي يحافظ على سلامة الخرسانة، مما يؤدي إلى تشخيص خاطئ محتمل للمباني السليمة التي تم إصلاحها.

ركز فريق البحث على أعمدة مدرسة "كاونتي رورال نورمال" السابقة، وهو مبنى يزيد عمره على ثمانين عاماً خضع للإصلاح الكهروكيميائي. قاموا بمراقبة هذه الأعمدة لمدة أربع سنوات، حيث أخذوا عينات على فترات منتظمة لمعرفة ما يحدث في الداخل. وعندما استخدموا اختبار الرش القياسي على عينات الخرسانة، كانت النتائج محبطة؛ إذ ظل السائل شفافاً، حتى على الطبقات السطحية، مما يشير إلى أن القلوية قد تلاشت وأن عملية الإصلاح قد فشلت. حتى أن الفريق حاول نقع العينات في الماء لضمان قدرة السائل على التغلغل، لكن الرش لا يزال يفشل في التحول إلى اللون الوردي. بناءً على هذا الاختبار وحده، يمكن للمرء أن يستنتج أن قضبان الفولاذ معرضة لظروف خطرة.

ومع ذلك، عندما نظر الباحثون بعمق أكبر باستخدام طريقة مختلفة، تغيرت القصة تماماً. فبدلاً من مجرد رش السطح، قاموا بطحن الخرسانة إلى مسحوق ناعم، وخلطوه بالماء، وقاسوا الرقم الهيدروجيني للسائل الناتج. هذا النهج، الذي يسمح للماء بإذابة الجزيبات الصلبة بالكامل، روى قصة مختلفة تماماً. فقد أظهر السائل المستخلص من الخرسة باستمرار مستوى رقم هيدروجيني يتراوح بين 9.20 و9.53. وهذا اكتشاف حاسم لأن هذا المستوى أعلى بكثير من العتبة المطلوبة لمنع صدأ الفولاذ. لم تكن الخرسة ميتة أو حمضية؛ بل كانت حية بقلوية مستقرة وواقية لم يستطع اختبار الرش اكتشافها ببساطة.

يكمن السبب في هذا التباين في الكيمياء المحددة للخرسانة التي تم إصلاحها. فخلال سنوات التعرض الأربع، طورت الخرسانة بنية داخلية فريدة يهيمن عليها كربونات الكالسيوم، وهو معدن شائع يوجد أيضاً في الحجر الجيري والطباشير. وبينما يعتمد اختبار الرش على إذابة المواد الكيميائية بسرعة على السطح لإحداث تغيير في اللون، فإن كربونات الكالسيوم في هذه الأعمدة المصلحة تذوب ببطء شديد. إن اختبار الرش يشبه لقطة سريعة تغفل عن عملية الإطلاق البطيء والمستمر للحماية التي تحدث في الداخل. أما طريقة المسحوق، فمن خلال تفكيك الخرسانة وتركها تنقع، تجبر كيمياء "الإطلاق الببطيء" هذه على الحدوث دفعة واحدة، مما يكشف عن البيئة القلوية المستقرة والحقيقية الموجودة داخل المصفوفة الصلبة.

لفهم ما كان يحافظ على هذه البيئة بالضبط، حلل الفريق التركيب المجهري للخرسانة باستخدام التصوير المتقدم والتحليل الحراري. واكتشفوا أن البيئة الواقية كانت تُحفظ من خلال توازن في الحالة الصلبة. احتوت الخرسانة على كمية كبيرة من كربونات الكالسيوم، حوالي 20 بالمائة من وزنها، إلى جانب كميات صغيرة من هيدروكسيد الكالسيوم وآثار من هيدروكسيد الصوديوم. تعمل هذه المواد معاً في توازن دقيق. وحتى مع انخفاض كمية هيدروكسيد الكالسيوم شديد التفاعل، عملت وفرة كربونات الكالسيوم كمنظم (buffer)، حيث تطلق المواد الكيميائية اللازمة ببطء للحفاظ على رقم هيدروجيني مرتٍ بما يكفي لحماية الفولاذ. هذا الخزان الداخلي من القلوية هو ما فشل اختبار الرش في رؤيته لأنه لم يستطع كسر الروابط الصلبة لإطلاق المواد الكيميائية في الوقت القصير الذي طُبق فيه.

كما ربط الباحثون هذه النتائج الكيميائية بالحالة الفعلية لقضبان الفولاذ داخل المبنى. قبل الإصلاح، كان الفولاذ في حالة تآكل نشطة، حيث أظهرت القياسات الكهربائية خطراً عالياً للصدأ. وبعد المعالجة الكهروكيميائية، تحول الجهد الكهربائي للفولاذ بشكل كبير، لينتقل إلى منطقة آمنة حيث يتم حماية المعدن. أكدت هذه البيانات الواقعية أن المعالجة كانت ناجحة؛ فالفولاذ لم يكن يتآكل، رغم أن اختبار الرش السطحي أوحى بأن الخرسة لم تعد قلوية. تثبت الدراسة أن الفولاذ آمن بسبب البيئة الكيميائية العميقة والمنظمة، وليس بسبب الحالة السطحية التي يقيسها اختبار الرش.

تسلط هذه الدراسة التي استمرت أربع سنوات الضوء على خلل حرج في كيفية تقييم صحة الخرسة التاريخية. إن اختبار الرش التقليدي، رغم فائدته في الفحوصات السريعة، غير كافٍ لتقييم الإصلاحات طويلة الأمد لأنه لا يمكنه اكتشاف المعادن بطيئة الذوبان التي توفر حماية دائمة. إن الاعتماد عليه قد يؤدي بالمهندسين إلى الاعتقاد بأن المبنى في خطر بينما هو في الواقع آمن، أو الأسوأ من ذلك، القيام بمعالجات غير ضرورية وتداخلية لهياكل مستقرة بالفعل. تقترح الدراسة أن النهج الأكثر موثوقية يتضمن تحليل الكيمياء الداخلية للخرسانة من خلال إذابة المسحوق أو استخدام مستشعرات غير مدمرة يمكنها مراقبة الحالة الكهربائية الفعلية للفولاذ. ومن خلال تحويل التركيز من مجرد تغير لون سطحي بسيط إلى الكيمياء المعقدة والمتوازنة داخل المادة، يمكننا حماية التراث الخرساني الذي يدعم عالمنا الحديث بشكل أفضل.