الخرسانة الليفية

ما هي الخرسانة الليفية؟

يُمكن تعريف الخرسانة المسلحة بالألياف على أنها مادة مركبة تتكوّن من خليط من الأسمنت أو المونة أو الخرسانة والألياف المتقطعة المنفصلة والموحدة بشكل موحد. الخرسانة المسلّحة بالألياف من أنواع وخصائص مُختلفة مع العديد من المزايا. لا تُعتبر الشبكات المستمرة والأقمشة المنسوجة والأسلاك أو القضبان الطويلة أليافًا منفصلة.

الألياف هي قطعة صغيرة من مادة التعزيز التي لها خصائص معينة. يُمكن أن تكون دائرية أو مسطحة. غالبًا ما يتم وصف الألياف بواسطة معلمة ملائمة تُسمّى نسبة العرض إلى الارتفاع. نسبة أبعاد الألياف هي نسبة طولها إلى قطرها.

الخرسانة المسلحة بالألياف أيضاً هي خرسانة تحتوي على مادة ليفية، ممّا يزيد من سلامتها الهيكلية. يحتوي على ألياف منفصلة قصيرة يتم توزيعها بشكل موحد وموجهة عشوائيًا. تشمل الألياف الألياف الفولاذية والألياف الزجاجية والألياف الصناعية والألياف الطبيعية. ضمن هذه الألياف المختلفة التي تتميز بها خصائص الخرسانة المسلحة بالألياف مع الخرسانة المختلفة ومواد الألياف والهندسة والتوزيع والتوجيه والكثافات.

يستخدم تقوية الألياف بشكل أساسي في الخرسانة المرشوشة ولكن يُمكن استخدامه أيضًا في الخرسانة العادية. تستخدم الخرسانة العادية المدعمة بالألياف في الغالب للأرضيات والأرصفة على الأرض ولكن يُمكن اعتبارها لمجموعة واسعة من أجزاء البناء الحزم، الزردية والأساسات. إما بمفردها أو مع حديد التسليح المربوطة يدويًا.

الخرسانة المسلحة بالألياف والتي عادة ما تكون من الفولاذ أو الزجاج أو الألياف البلاستيكية أقل تكلفة من حديد التسليح المربوط يدويًا، مع استمرار زيادة قوة الشد عدة مرات. شكل وأبعاد وطول الألياف مهم. الألياف الرقيقة والقصيرة، على سبيل المثال الألياف الزجاجية ذات الشعر القصير، لن تكون فعّالة إلا في الساعات الأولى بعد صب الخرسانة (تقلل من التشقق أثناء تصلب الخرسانة) ولكنها لن تزيد من قوة الشد للخرسانة.

إنَّ أشهر أنواع الخرسانة المسلحة بالألياف هي الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية حيث أنه يتوفر عدد من أنواع الألياف الفولاذية كتعزيز فيها. ويتم إنتاج ألياف الفولاذ المستديرة من النوع الشائع الاستخدام عن طريق قطع الأسلاك المستديرة إلى طول قصير. الألياف مصنوعة من أسلاك الفولاذ الطري بقطر السلك الذي يتراوح من 0.3 إلى 0.5 مم.

تتوافر أيضًا الألياف المشوهة، التي يتم ربطها بشكل فضفاض بغراء قابل للذوبان في الماء على شكل حزمة. نظرًا لأن الألياف الفردية تميل إلى التجمع معًا، فإنَّ توزيعها المنتظم في المصفوفة غالبًا ما يكون صعبًا. يمكن تجنّب ذلك بإضافة حزم ألياف والتي تنفصل أثناء عملية الخلط.

التعبئة الكثيفة للمكونات الخرسانية:

التعبئة الكثيفة هي أساس آخر لتحقيق الخرسانة عالية الأداء. يقوم الملدّن الفائق بتوزيع جزيئات الأسمنت. وجزيئات دقيقة من مواد البوزولاني مثل دخان السيليكا تملأ الفراغ بين جزيئات الأسمنت المشتت والمعبأة عادة بشكل ناعم وخشن. والنتيجة الإجمالية هي بنية مجهرية أكثر كثافة. تظهر الخرسانة مسامية أقل مع عدم وجود دليل على المسام الشعرية ولا يُمكن رؤية سوى مسام هلام أقل من 0.5 مم فقط تحت التكبير العالي في المجهر الإلكتروني.

تأثير الألياف في الخرسانة:

تستخدم الألياف عادة في الخرسانة للتحكّم في تكسير الانكماش البلاستيكي وتجفيف تكسير الانكماش. كما أنها تُقلّل من نفاذية الخرسانة وبالتالي تُقلّل من نزيف الماء. تنتج بعض أنواع الألياف تأثيرًا أكبر ومقاومة للتآكل والكسر في الخرسانة. بشكل عام، لا تزيد الألياف من قوة الانحناء للخرسانة، لذلك لا يُمكن أن تحل محل حديد التسليح المقاوم أو الهيكلي. تُقلّل بعض الألياف من قوة الخرسانة.

يتم قياس كمية الألياف المضافة إلى مزيج الخرسانة كنسبة مئوية من الحجم الإجمالي للمركب (الخرسانة والألياف) المُسمّى حجم الجزء. يتراوح عادة حجم الجزء من 0.1 إلى 3% ويتم حساب نسبة العرض إلى الارتفاع بقسمة طول الألياف على قطرها. تستخدم الألياف ذات المقطع العرضي غير الدائري قطرًا مكافئًا لحساب نسبة العرض إلى الارتفاع.

إذا كان معامل مرونة الألياف أعلى من المصفوفة (الخرسانة أو المونة)، فإنَّها تُساعد على حمل الحمل عن طريق زيادة قوة الشد للمادة. عادةً ما تُؤدي الزيادة في نسبة العرض إلى الارتفاع للألياف إلى تقسيم قوة الانثناء وصلابة المصفوفة. ومع ذلك، تميل الألياف الطويلة جدًا إلى التكتّل في الخليط وخلق مشاكل في قابلية التشغيل.

أشارت بعض الأبحاث الحديثة إلى أن استخدام الألياف في الخرسانة له تأثير محدود على مقاومة تأثير المواد الخرسانية وهذه النتيجة مهمة جدًا حيث يعتقد الناس تقليديًا أن الليونة تزيد عندما يتم تعزيز الخرسانة بالألياف. كما أشارت النتائج إلى أن الألياف المجهرية أفضل في مقاومة الصدمات مقارنة بالألياف الأطول.

عمل الخرسانة المسلحة بالألياف:

يزيد من قوة الشد للخرسانة، يُقلّل من الفراغات الهوائية والماء يفرغ المسامية الكامنة في الهلام، يزيد من متانة الخرسانة. الألياف مثل الجرافيت والزجاج تتمتع بمقاومة ممتازة للزحف، في حين أن نفس الشيء لا ينطبق على معظم الراتنجات. لذلك، فإنَّ اتجاه وحجم الألياف لها تأثير كبير على أداء زحف التسليح إلى الأوتار.

الخرسانة المسلّحة نفسها هي مادة مركبة، حيث يعمل التعزيز كألياف تقوية والخرسانة كمصفوفة. لذلك من الضروري أن يكون السلوك تحت الضغوط الحرارية للمادة الواحدة متشابهًا بحيث يتم تقليل التشوهات التفاضلية للخرسانة والتعزيز. من المسلّم به أن إضافة ألياف صغيرة ومتقاربة ومشتتة بشكل متجانس للخرسانة ستكون بمثابة مانع تشقق وسيحسن بشكل كبير خصائصها الثابتة والديناميكية.

العوامل المؤثرة على خواص الخرسانة الليفية:

الخرسانة المسلحة بالألياف هي مادة مركّبة تحتوي على ألياف في مصفوفة الأسمنت بطريقة منظمة أو موزعة بشكل عشوائي. من الواضح أن خصائصه تعتمد على النقل الفعّال للضغط بين المصفوفة والألياف. تتم مناقشة العوامل بإيجاز تالياً.

• صلابة مصفوفة الألياف النسبية: يجب أن يكون معامل مرونة المصفوفة أقل بكثير من معامل الألياف لنقل الإجهاد الفعال. وبالتالي، من غير المحتمل أن يعطي معامل انخفاض الألياف مثل النايلون والبولي بروبيلين تحسنًا في القوة ولكن المساعدة في امتصاص الطاقة الكبيرة وبالتالي، يمنح درجة أكبر من المتانة والمقاومة للنقل. الألياف عالية المعامل مثل حديد التسليح والزجاج والكربون تضفي القوة والصلابة على المركب. تحدد الرابطة البينية بين المصفوفة والألياف أيضًا فعالية نقل الإجهاد، من المصفوفة إلى الألياف. الرابطة الجيدة ضرورية لتحسين قوة الشد للمركب.
  
• حجم الألياف: تعتمد قوة المركب إلى حد كبير على كمية الألياف المستخدمة فيه. إنَّ الزيادة في حجم الألياف تزيد بشكل خطي تقريبًا قوة الشد وصلابة المركب. من المرجح أن يُؤدي استخدام نسبة أعلى من الألياف إلى عزل وقساوة الخرسانة والملاط.
  
• نسبة الجَانب من الألياف: عامل آخر مُهم يُؤثّر على خصائص وسلوك المركب هو نسبة أبعاد الألياف. وقد أفيد أنه حتى نسبة العرض إلى الارتفاع 75، فإنَّ زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع تزيد الخرسانة النهائية بشكل خطي. بعد 75، يتم تقليل القوة والصلابة النسبية.
  
• اتجاه الألياف: أحد الإختلافات بين التعزيز التقليدي وتقوية الألياف هو أنه في التعزيز التقليدي، يتم توجيه القضبان في الاتجاه المطلوب بينما يتم توجيه الألياف بشكل عشوائي. لمعرفة تأثير العشوائية، تم اختبار عينات الملاط المدعمة بحجم 0.5% من الألياف. في إحدى العينات، تمت محاذاة الألياف في اتجاه الحمل وفي اتجاه آخر متعامد مع اتجاه الحمل وفي الثالث تم توزيعه عشوائيًا. ولوحظ أن الألياف المحاذية موازية للحمل المطبق توفر قوة وصلابة أكثر من الألياف الموزعة عشوائياً أو العمودية.
  
• قابلية ودمك الخرسانة: إنَّ دمج الألياف الفولاذية يُقلّل من قابلية التشغيل إلى حد كبير. يُؤثّر هذا الوضع سلبًا على دمج المزيج الطازج. حتى الإهتزاز الخارجي لفترات طويلة يفشل في ضغط الخرسانة. يعتمد حجم الألياف الذي يتم الوصول إليه عند هذا الموقف على طول وقطر الألياف. نتيجة أخرى لضعف قابلية التشغيل هي التوزيع غير المنتظم للألياف. بشكل عام، يتم تحسين معيار قابلية التشغيل والدمج للمزيج من خلال زيادة نسبة الماء إلى الأسمنت أو عن طريق استخدام نوع من اختلاطات تقليل الماء.
  
• حجم الركام الخشن: يجب أن يقتصر الحجم الأقصى للركام الخشن على 10 مم، لتجنّب الانخفاض الملحوظ في قوة المركب. الألياف سارية المفعول أيضًا، تعمل كركام. على الرغم من أن لها هندسة بسيطة، إلا أن تأثيرها على خصائص الخرسانة الطازجة معقّد. يتحكم الاحتكاك بين الجسيمات بين الألياف وبين الألياف والركام في توجيه الألياف وتوزيعها وبالتالي خصائص المركب. يُمكن أن تُؤدي الخلطات المخففة للاحتكاك والخلطات التي تحسن تماسك المزيج إلى تحسين المزيج بشكل كبير.
  

طرق خلط الخرسانة الليفية:

يحتاج خلط الخرسانة المسلحة بالألياف إلى ظروف دقيقة لتجنّب تمزّق الألياف والفصل بشكل عام وصعوبة خلط المواد بشكل موحد. إنَّ زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع ونسبة الحجم والكمية للركام الخشن تكثّف من الصعوبات وميل الكرة. يصعُب خلط محتوى الألياف الفولاذية الذي يزيد عن 2% من حيث الحجم ونسبة العرض إلى الارتفاع لأكثر من 100.

من المهم أن تنتشر الألياف بشكل موحد في جميع أنحاء الخليط. يُمكن القيام بذلك عن طريق إضافة الألياف قبل إضافة الماء. عند الخلط في خلاط المختبر، فإنَّ إدخال الألياف من خلال سلة شبكية سلكية سيساعد حتى في توزيع الألياف.