الخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة

ما هي الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة؟

الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة: هي مادة مركّبة تتكون من الأسمنت والرمل والركام الخشن والماء والألياف. في هذه المادة المركّبة، يتم توزيع الألياف القصيرة المنفصلة بشكل عشوائي في جميع أنحاء الكتلة الخرسانية. الكفاءة السلوكية لهذه المادة المركّبة أعلى بكثير من تلك الخاصة بالخرسانة العادية والعديد من مواد البناء الأخرى ذات التكلفة المتساوية.

نتيجة لهذه الميزة، زاد استخدام الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة بشكل مطرد خلال العقدين الماضيين، ويشمل مجال تطبيقه الحالي، أرصفة المطارات والطرق السريعة والهياكل المقاومة للزلازل والمقاومة للانفجار وبطانات المناجم والأنفاق وتراكبات سطح الجسر والهياكل الهيدروليكية و تثبيت المنحدرات الصخرية.

الألياف المستخدمة في الخرسانة المسلّحة الهجينة:

من الملاحظ أن استخدام مزيج من الألياف المعدنية وغير المعدنية يُساعد في تحسين خصائص الخرسانة على نطاق واسع. يؤدي هذا أيضًا إلى تقليل التكلفة الإجمالية في إنتاج الخرسانة. يمكن تقسيم الألياف إلى مجموعتين:

1. الألياف التي لها قيمة معامل أقل من مصفوفة الأسمنت. الأمثلة هي: النايلون، السليلوز والبولي بروبيلين.
   
2. الألياف التي لها قيمة معامل أكبر من الأسمنت. ومن الأمثلة على ذلك الزجاج والصلب وألياف الأسبستوس وما إلى ذلك.
   

يُقال إن الألياف التي لها قيمة معامل أقل من مصفوفة الأسمنت تزيد من أداء الانفعال للخرسانة، بينما الألياف التي لها قيمة معامل أكبر من الأسمنت لها معامل أكبر من الأسمنت وتوفر أداء قوة أكبر للخرسانة. إضافة المزيد من الألياف إلى الخلطات الخرسانية تجعلها أكثر تجانسًا وخواصًا في طبيعتها. هذا يجلب تحويل الطبيعة الملموسة من حالة هشّة إلى حالة مطيلة. هذا يعزز سلوك ليونة الخرسانة تحت الأحمال الحرجة.

تركيبة خليط الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة:

تَستخدم خرسانة الألياف الهجينة أنواعًا مختلفة من الألياف التي تعتمد نتيجتها على نوع الاتجاه المحدّد للألياف في الخرسانة. هذا عامل رئيسي يتحكّم في استخدام مركّبات الكربون الهيدروفلورية. من المستحسن في الوضع المثالي أن يعرف المرء أنه يتحكّم في اتجاه الألياف بحيث يتم اكتساب القدرة على حمل الحمولة المطلوبة. تتمثل إحدى أفضل الطرق للحصول على حالة قدرة تحمل الأحمال المرغوبة في الحصول على مزيج من مركّبات الكربون الهيدروفلورية قابل للتدفق ومستقر بطبيعته. يجب أن يكتسب هذا المزيج أيضًا خصائص ريولوجية ثابتة.

وذلك لأن المزيج الذي يتدفّق بوزنه الخاص لا يمكنه إلّا تعزيز التصميم بالإضافة إلى التحكّم في اتجاه الألياف المراد استخدامها. إذا كان المزيج مدموكًا ذاتيًا، فيجب أن يكون قادرًا على تلبية هذا الطلب. مزيج الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة ذاتية الضغط عبارة عن مزيج قابل للتدفق. يجب تعديل هذه المصفوفة أثناء التحضير وتحسينها لأن دمج الألياف يجب ألّا يؤثر بشكل سيء على المصفوفة. لذلك، يتم اختيار كمية الأسمنت المُثلى ونوع الأسمنت الأمثل ونوع وكمية الركام الأمثل فيما يتعلّق بمجموعة الألياف والكمية المستخدمة.

عند التحليل على المستوى المجهري، من الضروري أن تكون مصفوفة الأسمنت حول كل ألياف مستخدمة في الخرسانة كثيفة بدرجة كافية بحيث يجب أن تستفيد بكفاءة من الألياف عندما يكون من الممكن حدوث انسحاب أثناء الفتح أو أي نوع من أنواع سد التشقق. يتم إجراء اختبار السحب على ألياف مفردة وقصيرة لتحفيز سد الشقوق بواسطة الألياف. يهدف هذا الاختبار أخيرًا إلى إحضار مصفوفة الأسمنت الأنسب للألياف التي تم تحديد استخدامها حتى يتم الحصول على استجابة فعالة للانسحاب.

المَعلمات الرئيسية التي تحكم هذه الاختبارات هي:

1. التركيبة الخرسانية: هي التركيبة التي يتم سحب الألياف منها للاختبار.
   
2. وجود الألياف الثانوية: وهي الألياف القصيرة المستخدمة.
   
3. زوايا الميل: الزاوية التي يتم فيها وضع الألياف والسحب للخارج.
   

مبادئ التصميم الأساسية لخرسانة الألياف الهجينة:

المبادئ الأساسية وراء تصميم مركّبات الكربون الهيدروفلورية هي:

1. استخدام ألياف فولاذية قصيرة وطويلة معًا في نفس المزيج الخرساني.
   
2. لضمان توزيع متجانس للألياف في الخليط.
   
3. لضمان استخدام كل الألياف المستخدمة في المزيج بشكل فعال.
   

1- استخدام ألياف الصلب الطويلة والقصيرة:

يعتمد هذا المعيار على آلية الكسر التي تَؤخذها الألياف في الخلطة الخرسانية. هذه هي حالة الألياف الفولاذية الطويلة أو القصيرة أو الألياف الفولاذية ذات النهايات المعقوفة.لافي البداية، تتشكّل الشقوق في المنطقة البينية مع حمل التوتر. تنتشر هذه الشقوق الدقيقة مع إضافة المزيد من حمل التوتر. ومن ثم فإنّ الشقوق سوف تتواصل لتشكل شروخًا أكبر وتتسبب في فشل الخرسانة. الألياف القصيرة رقيقة جدًا وستكون كبيرة العدد عند مقارنتها بالألياف الطويلة. هذا يساعدهم على سد الشقوق الدقيقة بشكل أكثر كفاءة.

تتيح الألياف القصيرة زيادة هائلة في مقاومة الشد إذا كان عامل الاعتبار هو تكوين التشققات الصغير وسد الشقوق. ولكن مع الحمل، تنمو هذه الشقوق الدقيقة إلى شقوق كبيرة أكبر. في هذه الحالة، تعمل الألياف ذات النهاية المعقوفة بشكل أكثر فاعلية في سد الشقوق الكبيرة. سيؤدي ذلك إلى زيادة الليونة وقوة الشد. يتم توفير استجابة ما بعد الذروة باستخدام ألياف طويلة. كلما زاد الحمل، اتّسع الشق. هذا الموقف يجعل الألياف القصيرة تنسحب بسهولة أكبر ممّا يجعلها غير نشطة. ومن ثم، فإنّ الجمع بين كل من الألياف يثبت أنه حل جيد ومثالي. ومن ثم، تزداد خاصية الشد والليونة.

2- التوزيع المتجانس للألياف في الخليط:

من الضروري جدًا وجود تجانس في جميع أنحاء العنصر الهيكلي على المستوى الهيكلي. يجب أن تكون التباعد بين الألياف المجاورة متساوية في جميع أنحاء الخليط. ومن ثم، يجب ألّا يكون هذا قريبًا جدًا ولا بعيدًا جدًا. سيؤدي الترتيب الوثيق جدًا إلى فصل الألياف. يمكن تحقيق هذه المتطلّبات بشكل أفضل من خلال استخدام الخرسانة ذاتية الدمك.

على هذا النحو تتدفّق الخرسانة الخاصة من خلال وزنها، فإنّ الألياف نفسها سوف ترتب في الاتجاه والتوجيه الصحيحين والمناسبين. سيؤدي ذلك إلى تجنّب الفصل والتغيير في الاتجاه بسبب الضغط. ومن ثم يتم الحصول على توزيع متجانس مناسب ومرغوب فيه للألياف.

3- الاستخدام الفعال لكل الألياف المستخدمة:

يؤدي إجهاد الشد في الخرسانة إلى حدوث تشققات. يمكن لكل ألياف موجودة أن تقاوم هذه التشققات الدقيقة أو الكلية. هذا يوفر مقاومة عالية ضد فتحة الشقوق. لا يمكن تحقيق هذه المقاومة إلا إذا تم استخدام قوة الشد لكل ألياف مستخدمة في الخرسانة بشكل كامل. هذا سوف يُسمّى كفاءة الألياف. تعتمد كفاءة الألياف على مصفوفة الأسمنت التي تكمن عليها الألياف. العوامل التي تحدد كفاءة الألياف هي نسبة الطول على العرض وميل زاوية الألياف ونوع وطول الألياف وعدد الألياف القصيرة وكمية الأسمنت.

سلوك الشد لخرسانة الألياف الهجينة:

الهدف الرئيسي فيما يتعلّق بمقاومة الشد للخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة هو تحقيق أقصى مقاومة للشد عند استخدام الألياف بأقل قدر ممكن. وبالتالي فإنّ الكمية المُثلى من الألياف التي سيتم استخدامها في الخرسانة تعتمد على القوة التي يتم الحصول عليها من الخرسانة. لهذا، يتم إجراء سلسلة من اختبارات قوة الشد. في البداية، لتحديد مجموعة الألياف المراد استخدامها، يتم إجراء اختبارات الانحناء. ويلي ذلك اختبارات الشد أحادية المحور، والتي يتم إجراؤها فقط على مركّبات الكربون الهيدروفلورية المُختارة. هذا لتقييم خصائص الشد في النهاية. توفر نتائج الاختبار الأساس الرئيسي لاستخدام خرسانة الألياف الهجينة.

العوامل الأساسية للألياف التي تؤثر على خصائص الشد لخرسانة الألياف الهجينة هي:

1. نوع الألياف.
   
2. كمية الألياف.
   
3. اتجاه الألياف.
   
4. عدد كل ليف.
   

ومن ثم، بعد تقييم خصائص الشد، سيتم تقييم كل عقار (مذكور أعلاه) بالتفصيل للتأكد الكامل. يمكن إجراء تحليل مفصّل ونتائج عملية التصدّع وسلوك الألياف في مركّبات الكربون الهيدروفلورية من خلال النمذجة التحليلية. توفر النمذجة التحليلية مساهمة كل نوع من الألياف المستخدمة في مركّبات الكربون الهيدروفلورية. يوفّر اختبار سحب الألياف الأحادي واختبار الشد أحادي المحور النتائج لنمذجة سلوك الشد الأحادي المحور. يتبع هذا النموذج تحليل رقم الألياف واتجاه كل منهما. يمكن تمكين الاستخدام المناسب لخرسانة الألياف الهجينة من خلال إنشاء علاقات ضغط إجهاد مناسبة. ستوفر اختبارات الشد أحادي المحور نتائج لذلك.

سلوك الضغط لخرسانة الألياف الهجينة:

من نتائج الاختبارات، وجد أن مقاومة الانضغاط للخرسانة التقليدية تبلُغ 53.1 ميجا باسكال. عند إضافة ألياف البولي بروبلين بنسب مختلفة، وجد أن الخرسانة التقليدية زادت أقصى قوة لها بحيث بلغت 56.03 ميجا باسكال والتي تزيد بنسبة 5.37% عن الخرسانة التقليدية بدون إضافة أي ألياف البولي بروبلين. من ناحية أُخرى، بينما تم تهجين كل من البولي بروبلين والألياف الفولاذية وعند إضافة الألياف الفولاذية بنسب مختلفة، لأنواع مختلفة من الخرسانة لديها قوة أعلى تبلغ 57.2 ميجا باسكال وجد أنها تزيد بنسبة 7.43% عن الخرسانة التقليدية.

سلوك الانحناء لخرسانة الألياف الهجينة:

من التحقيقات التجريبية على أعضاء هيكلية صُنعت من الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة مثل الحزم والأعمدة تم استخلاص النتائج التالية. من الخصائص الميكانيكية، وجد أن الألياف ذات الكسر الحجمي 2% لها خصائص أعلى بالمقارنة مع الخرسانة التقليدية. عند تحليل أداء الانحناء، تتمتع عوارض الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة بألياف فولاذية بنسبة 2% من الحجم بحمل أعلى مع انحراف ملحوظ في كل من العارضة والعمود. ومع ذلك، تُظهر حزم الخرسانة المسلّحة بالألياف الهجينة بألياف البولي بروبلين نتائج جيدة تحت ليونة.

لا يُحدث تهجين الألياف في حزم الخرسانة المسلّحة بالألياف أي تأثير على أداء الانحناء أكثر من مزيج الألياف الأحادية. تزداد ليونة عوارض الخرسانة المسلّحة بالألياف مع زيادة ليونة الخرسانة المستخدمة في الردم. في حالة عمود الخرسانة المسلّحة بالألياف تحت الحمل المحوري، لا يؤدي وجود الألياف إلى إحداث تأثير كبير في قدرة الحمل على العمود، وتحسين الحمل المحوري والانحراف المقابل في الألياف الأحادية والهجينة لا يزيد عن 5% عمود الخرساني التقليدي.

من ناحية أخرى، يظهر التشوه الجانبي لعمود الخرسانة المسلّحة بالألياف بألياف البولي بروبلين بشكل ملحوظ. لا ينتج عن تهجين المعامل المنخفض والألياف عالية المعامل أي تأثير في أداء الانحناء للحزم والحمل المحوري على العمود.