العوامل المؤثرة على الخرسانة المسلحة بالألياف

ما هي الخرسانة المسلّحة بالألياف؟

الخرسانة عبارة عن خليط من الأسمنت وهي عبارة عن ركام مثل الحصى والماء. لمزيد من القوة، يتم إضافة ألياف الحديد في بعض الأحيان. الآن، يدّعي العلماء أن نوعًا جديدًا من الخرسانة المسلّحة بالألياف يمكن أن يعمل قريبًا كبديل أخف وأكثر اخضرارًا. تم تطوير مواد البناء التجريبية من قبل أمير حاجيسماعيلي، طالب دكتوراه يعمل في مختبر الصيانة والسلامة الإنشائية التابع لمعهد أبحاث (EPFL) في سويسرا. بدلاً من الألياف الفولاذية المعتادة، تشتمل على ألياف مصنوعة من نوع شديد الصلابة من البولي إيثيلين.

هذه لا توفر فقط نفس القدر من الدعم الهيكلي مثل ألياف الحديد، ولكنها أيضًا تلتصق جيدًا بالأسمنت. ونتيجة لذلك، يلزم ما يقرب من نصف كمية الأسمنت، مع وجود الحجر الجيري المتاح بسهولة والذي يشكل الفرق. هذا جدير بالملاحظة، حيث أن إنتاج الأسمنت البورتلاندي التقليدي هو مصدر رئيسي لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري. في الواقع يدّعي حاجيسماعيلي أن تصنيع الخرسانة المسلّحة بالألياف عالية الأداء تطلق 60 إلى 70 في المائة أقل من ثاني أكسيد الكربون مقارنة بمثيلاتها من الألياف الفولاذية العادية.

وكمكافأة إضافية، يُقال أيضًا أن المادة أخف بنسبة 10 بالمائة. الخرسانة المسلحة بالألياف هي مادة هيكلية جديدة تكتسب أهمية متزايدة. تعمل إضافة تقوية الألياف في شكل منفصل على تحسين العديد من الخصائص الهندسية للخرسانة. تُعتبر الخرسانة المسلحة بالألياف مثالية لتحسين أداء المتانة للخرسانة والملاط. تُساعد الألياف الموجودة في الخرسانة على تقليل تشققات الانكماش وزيادة القوة وزيادة امتصاص الطاقة وتقليل التشققات الخطرة في درجات الحرارة العالية. في هذه المقالة سيتم مناقشة متانة الخرسانة المسلّحة بالألياف.

ما هي العوامل المؤثرة على الخرسانة المسلّحة بالألياف؟

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على متانة الخرسانة المسلّحة بالألياف مثل درجة الحرارة، التجوية، التآكل، التجميد والذوبان وما إلى ذلك. متانة العنصر الملموس هي قدرة العضو على مقاومة البيئة العدوانية، والحدث العرضي، والتأثير والحفاظ على السلامة الهيكلية. فيما يلي العوامل التي تؤثر على متانة الخرسانة المسلحة بالألياف:

1. درجة حرارة الشديدة.
   
2. التجميد والذوبان.
   
3. التحلّل والتقصف بسبب هجوم القلويات وتأثير الحزمة.
   
4. التجوية والقياس.
   
5. المقاومة للتآكل.
   

1- تأثير درجة الحرارة الشديدة والنار على متانة الخرسانة المسلّحة بالالياف:

بشكل عام، تتمتّع الخرسانة بِمقاومة معقولة للحرارة الشديدة بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة، والسعة الحرارية الكبيرة، ولا تحترق بسهولة أثناء تعرّضها للنار. لا تتأثر المكونات الخرسانية على سبيل المثال أنواع الركام المحددة وكلنكر الأسمنت بارتفاع درجة الحرارة كيميائيًا وفيزيائيًا. ومع ذلك، هناك مكونات ملموسة أخرى تتأثر بتغيرات درجة الحرارة مثل منتج الماء. يتأثر بفقدان الماء والتشقق الدقيق والضرر من خلال التمدد التفاضلي. تعمل إضافة الألياف الفولاذية أو الألياف الاصطناعية أو مزيج من الاثنين إلى الخرسانة على تعزيز عناصر الخرسانة الهيكلية المقاومة للحرارة ودرجات الحرارة المرتفعة.

تقلّ قوة الخرسانة التقليدية بشكل كبير إذا تعرّضت للحريق لفترة طويلة. يتضرّر معجون الأسمنت ورابط الركام في الخرسانة عند درجة حرارة 202 درجة مئوية وتنخفض حوالي نصف قوة الخرسانة عند درجة حرارة 427 درجة مئوية، ويتم فقدان 90% من قوة الخرسانة عند درجة حرارة أكبر من 927 درجة مئوية. لا يعيق توفير الألياف فشل الخرسانة في ظل هذه الحالة الشديدة ولكنه يزيد من الوقت الآمن للتعرّض للحريق.

يوفر تمديد الوقت الآمن للتعرّض للحريق مزيدًا من الوقت الذي يمكن خلاله إجراء عمليات الإخلاء وإطفاء الحريق بأمان. يُذكر أن استخدام مزيج هجين من الفولاذ وألياف البولي بروبلين في مواقد الموقد الخرسانية مُسبقة الصب أدّى إلى تشظي صغير أو غير متفجر. فيما يتعلّق بالتشظي الخرساني، عند تعرّض الخرسانة للحريق، تتغير المياه الزائدة داخل الخرسانة، والتي تستخدم لتوفير قابلية التشغيل أثناء البناء، إلى ضغط البخار.

إذا لم يتم تحرير الضغط داخل الخرسانة وتجاوز قوة الشد للخرسانة، فسيحدث انقسام متفجر. يعتمد التشظي الخرساني على كمية المياه المجانية وتوزيعها بينما يتعرّض العنصر الخرساني للنار. قد يخترق الضرر الناتج عن التشظي الخرسانة إلى حوالي 6 سم. يعتبر التشظي مشكلة خطيرة لأنه قد يعرّض حديد التسليح لدرجات حرارة عالية. ومن ثم، فإنّ حديد التسليح يتدهور بسرعة ممّا يؤدي في المقابل إلى انخفاض قدرة الحمل القصوى لعضو الخرسانة.

ثبت أنه عندما تتعرّض الخرسانة المقواة بألياف البولي بروبلين لدرجات حرارة عالية، يتم إذابة ألياف البولي بروبيلين ويتم إفراغ المسام الشعرية الدقيقة وهذا يؤدي إلى تحرير ضغط البخار المتراكم وتحافظ الخرسانة على قوتها. يزيد توفير الألياف الفولاذية من مقاومة الحرائق الصغيرة للبلاط الخرساني إلى ثلاثة إلى تسعة أضعاف تلك الموجودة في البلاطة الخالية من الألياف. أخيرًا، يمكن إضافة الألياف إلى الخرسانة لسد الشقوق والحفاظ على سلامة الهيكل للهيكل التالف.

2- تأثير التجميد والذوبان على متانة الخرسانة المسلّحة بالألياف:

في هذا القسم، سَيتم شرح مَتانة ثلاثة أنواع من الخرسانة المسلّحة بالألياف وهي الفولاذ والخرسانة الاصطناعية والسليلوز. ثبت أنه من بين عوامل مثل محتوى الألياف ومحتوى الهواء ومحتوى الأسمنت ونسبة الماء إلى الأسمنت، فإنّ محتوى الهواء يخلق تأثيرًا كبيرًا على مقاومة الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية ضد التجمّد والذوبان. علاوة على ذلك، فإنّ تقليل معامل التمزق في الخرسانة المسلّحة بالالياف بسبب التجميد والذوبان أقل من الخرسانة الخالية من الألياف.

يوصي المهندسين (Rider و Heidersbach) بأن مزيج تصميم الخرسانة المسلّحة بالالياف المستخدمة في البيئة البحرية يحتاج إلى محتوى مائي لا يزيد عن 0.45، ويجب ألّا يقل محتوى الأسمنت عن 519 كجم لكل م 3، ويتراوح محتوى الهواء من 6-7.5%. فيما يتعلّق بالخرسانة المسلّحة بالألياف الاصطناعية، تمت الإشارة إلى أن الألياف الاصطناعية لا تعمل فقط على تحسين مقاومة التجميد والذوبان للخرسانة المسلّحة بالالياف الاصطناعية، ولكنها تعزز أيضًا قدرة الخرسانة على مقاومة تحجيم إزالة الجليد.

علاوة على ذلك، يؤدي التجميد والذوبان إلى تقليل قوة الانحناء للخرسانة المقواة بألياف البولي أوليفين الدقيقة بحوالي 15% بينما تقل قوة الانحناء للخرسانة العادية بنسبة 30%. بقدر ما يتعلّق الأمر بألياف السليلوز، فقد وجد أن لوح الأسمنت المقوى بالألياف الاصطناعية وهو مادة مغلفة وتتكون من ألياف السليلوز والأسمنت والسيليكا والماء، يكون عرضة لفساد التجميد والذوبان بسبب مساميته العالية، الطبيعة المحبة للماء والجداول لألياف السليلوز، والطبيعة الرقائقية للمركّب.

3- تدهور وتقصف الألياف بسبب هجوم القلويات على الخرسانة:

تتناقص قوة الألياف المختلفة على سبيل المثال الزجاج والبوليمر والألياف الطبيعية على المدى الطويل بسبب التجوية. من المهم بشكل كبير معرفة التقليل المعتمد على الوقت لمتانة وقوة تلك الألياف في المناطق ذات الصلة من الناحية الهيكلية. ولهذا سيتم شرح آلية تدهور الألياف المختلفة في هذا القسم.

1- خرسانة الألياف الزجاجية:

تحتوي الخرسانة المسلّحة عادة على ألياف زجاجية مقاومة للقلويات تتراوح بين 3-5% من الوزن المركّب الكلّي. يُذكر أن تآكل الألياف هو آلية التحلّل الرئيسية. ومع ذلك، يُزعم أنه، بصرف النظر عن تأثير التآكل، هناك عوامل أخرى تؤثر على متانة خرسانة الألياف الزجاجية. يضاف إلى ذلك، في معظم الحالات، هيدروكسيد الكالسيوم، وهو أحد منتجات ترطيب الأسمنت، هو العامل المسؤول عن تقليل متانة خرسانة الألياف الزجاجية. هذا هو السبب في أن المحاولات المبذولة لتقليل هيدروكسيد الكالسيوم من أجل تحسين متانة خرسانة الألياف الزجاجية.

يمكن تقليل هيدروكسيد الكالسيوم إمّا عن طريق إضافة مواد إضافية مثل خبث أفران الصهر الحبيبي الأرضي ودخان السيليكا أو تجنّب استخدام الأسمنت البورتلاندي التقليدي خاصة تلك الأنواع التي تحتوي على ألومينات الكالسيوم أو ألومينات السلفو. باختصار، آليات تلف الخرسانة المسلّحة بالألياف الزجاجية هي هجوم كيميائي، هجوم ميكانيكي، كسر متأخر.

2- خرسانة ألياف السليلوز:

تؤدي دورات الترطيب والتجفيف إلى تحلّل ألياف السليلوز، ويحدث هذا التحلّل في آلية مختلفة تشمل التغيير في درجة ترابط الأسمنت الليفي وتمعدن الألياف. في الآلية السابقة، يؤدي نقل منتج الترطيب تحديدًا الجير داخل تجويف الألياف وحول الألياف إلى تقليل مسامية الواجهة. قد يكون هذا هو سبب زيادة رابطة الأسمنت الليفي وانخفاض الليونة المركّبة.

في الآلية الأخيرة، يُزعم أن تقصف الألياف يحدث نتيجة لاختراق منتج ترطيب الأسمنت في الألياف. أخيرًا، يمكن زيادة متانة ألياف السليلوز عن طريق تشريب الألياف بعوامل مانعة وعوامل طاردة للماء ختم نظام مسام المصفوفة. يجب الحد من محتوى Ca (OH) 2 في المصفوفة، ومجموعة من تشريب الألياف وتعديل المصفوفة.

4- تأثير التجوية والتحجيم على متانة الخرسانة المسلّحة بالألياف:

إنّ قشور الملح التي لا تزال غير واضحة حتى الآن تؤثر فقط على طبقة رقيقة من الخرسانة المكشوفة لا تتجاوز بضعة سنتيمترات. يُقال أن الألياف الحالية ونوع الألياف لا يؤثران على مقاومة تقشير الملح. علاوة على ذلك، يُشار إلى أن الألياف الفولاذية التي تلامس الخرسانة التي تعرّضت للتقشر والصدأ.

مقاومة التآكل للخرسانة المسلّحة بالألياف:

على عكس العارضة الخرسانية المسلّحة العادية، يتم توزيع الألياف في الخرسانة وقد يكون بعضها قريبًا أو على سطح الخرسانة. لذلك، قد تتآكل الألياف غير المحمية بالخرسانة. العامل الذي يمكن أن يؤدي إلى التآكل هو التآكل الناجم عن الكلوريد والتآكل بسبب انخفاض درجة الحموضة في مزيج الخرسانة. تبين أن الفولاذ منخفض الكربون وألياف الفولاذ المجلفن لا يتآكلان بتركيز الكلوريد الذي يزيد عن 2 في المائة من حيث الوزن. علاوة على ذلك، في حالة وجود أيونات الكلوريد الكبيرة، لا تتآكل الألياف المستخلصة الذائبة.