تطبيقات الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية

ما هي الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية؟

الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية: هي مادة مركّبة لها ألياف كمكونات إضافية، مشتّتة بشكل موحد عشوائيًا بنسب صغيرة، أي بين 0.3% و 2.5% بالحجم في الخرسانة العادية. يتم تصنيع منتجات الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية عن طريق إضافة ألياف فولاذية إلى مكونات الخرسانة في الخلاط وعن طريق نقل الخرسانة الخضراء إلى قوالب. ثم يتم ضغط المنتج ومعالجته بالطرق التقليدية. يعتبر الفصل أو التكوير إحدى المشكلات التي تواجه أثناء خلط ودمك الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية. يجب تجنّب ذلك من أجل التوزيع المنتظم للألياف.

الطاقة اللازمة لخلط ونقل ووضع وإنهاء الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية أعلى قليلاً. يُعد استخدام الخلاط وموزع الألياف للمساعدة في الخلط بشكل أفضل وتقليل تكوين كرات الألياف أمرًا ضروريًا. الغرامات الإضافية والحد الأقصى لحجم الركام إلى 20 مم في بعض الأحيان، ومحتويات الأسمنت من 350 كجم إلى 550 كجم لكل متر مكعب مطلوبة عادة. تتم إضافة ألياف الفولاذ إلى الخرسانة لتحسين الخصائص الهيكلية، وخاصة قوة الشد والانثناء.

يعتمد مدى التحسّن في الخواص الميكانيكية المحققة مع الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية على تلك الخاصة بالخرسانة العادية على عدة عوامل، مثل الشكل والحجم والحجم والنسبة المئوية وتوزيع الألياف. تم العثور على الألياف العادية والمستقيمة والمستديرة لتطوير رابطة ضعيفة للغاية وبالتالي قوة انثناء منخفضة. لشكل معين من الألياف، وجد أن قوة الانحناء للخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية تزداد مع نسبة العرض إلى الارتفاع (نسبة الطول إلى القطر المكافئ).

على الرغم من أن النسب الأعلى للألياف أعطت قوة انثناء متزايدة، فقد وجد أن قابلية تشغيل الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية الخضراء تتأثر سلبًا بزيادة نسب العرض. ومن ثم فإنّ نسبة العرض إلى الارتفاع تقتصر بشكل عام على القيمة المثلى لتحقيق قابلية تشغيل وقوة جيدة. اقترح المهندس والباحث جراي أن نسبة العرض إلى الارتفاع التي تقل عن 60 هي الأفضل من ناحية التعامل مع الألياف وخلطها، ولكن من المستحسن استخدام نسبة عرض إلى ارتفاع تبلغ حوالي 100 من وجهة نظر القوة.

مع ذلك، اقترح الباحث شوارتز أن نسبة العرض إلى الارتفاع بين 50 و 70 هي قيمة أكثر عملية للخرسانة الجاهزة. في معظم التطبيقات الميدانية التي تم تجربتها حتى الآن، يتراوح حجم الألياف بين 0.25 ملم و 1.00 ملم في القُطر ومن 12 ملم إلى 60 ملم في الطول، وتراوح محتوى الألياف من 0.3 إلى 2.5 في المئة من حيث الحجم. كما تم اختبار مسابقات أعلى من الألياف تصل إلى 10%. أدّت إضافة ألياف الفولاذ بنسبة تصل إلى 5% من حيث الحجم إلى زيادة قوة الانحناء إلى حوالي 2.5 مرة من الخرسانة العادية.

كما هو موضح أعلاه، فإنّ خلط الألياف الفولاذية يحسن إلى حد كبير الخصائص الهيكلية للخرسانة، وخاصة قوة الشد والانثناء. تعتبر الليونة وقوة ما بعد التكسير ومقاومة التعب والتشظي والتآكل والتمزق في الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية أعلى ممّا هي عليه في حالة الخرسانة المسلّحة التقليدية. لذلك وجد أن الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية مادة متعددة الاستخدامات لتصنيع أنواع واسعة من المنتجات الجاهزة مثل أغطية غرف التفتيش وعناصر الألواح لأسطح الجسور والطرق السريعة والممرات وبطانات الأنفاق ووإطارات الأبواب والنوافذ وقواعد البايلات وتخزين الفحم المخابئ وصناديق تخزين الحبوب وحاويات السلالم وكسر المياه.

عند تعرّض الخرسانة لضغط الشد، فإنّ الخرسانة التقليدية سوف تتشقق وتفشل. منذ منتصف القرن التاسع عشر، تم استخدام حديد التسليح للتغلّب على هذه المشكلة. كنظام مركّب، تم تصميم حديد التسليح لتحمل أحمال الشد. تم استخدام ألياف الفولاذ لغرض مماثل منذ السبعينيات. عند إضافة تقوية الألياف إلى مزيج الخرسانة، فإنّها تحول الخرسانة الهشّة إلى نظام مركّب مطيل قادر على تطوير قدرة تحمّل الشد.

تم تطوير التكنولوجيا الخاصة بهذا التصنيع لأغطية غرف التفتيش الخفيفة والمتوسطة والثقيلة الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية في الهند بواسطة مركز أبحاث الهندسة الإنشائية، تشيناي. أشارت التجارب الميدانية مع 2 في المائة من محتوى الألياف إلى أن ألواح مدارج الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية يمكن أن تكون حوالي نصف سماكة الألواح الخرسانية العادية لنفس تغطية حمولة العجلات.

أظهر معهد أبحاث الأسمنت في الهند أيضًا استخدام الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية في أحد خلجان الطائرات في مطار دلهي. التجارب الميدانية الأخرى التي تم استخدام الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية فيها هي ألواح مرآب السيارات في مطار هيثرو بلندن وحواف المجاري في السويد وحفر المناجم في ولاية يوتا الولايات المتحدة الأمريكية. توفر الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية مقاومة فائقة للتشقق وانتشار الشقوق بسبب زيادة قوة الشد في الهياكل الخرسانية.

ما هي تطبيقات الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية؟

من المعروف أن الخرسانة الأسمنتية العادية لا تتمتع بخصائص شد جيدة لمقاومة الانثناء في الأعضاء الهيكلية. في حالة حديد التسليح الخرساني، لا تزال الشقوق تظهر على وجه التوتر بسبب الانحناء. لذلك، لمنع تشقق الخرسانة، خاصة في حالة هياكل الاحتفاظ بالمياه، أو هياكل نقل المياه، فمن المستحسن تصميم الخرسانة الإنشائية كقسم غير متشقق. ينتج عن هذا تصميم هيكلي ثقيل ينتج عنه تكلفة عالية.

الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية هي حل منخفض التكلفة لتصميم الأجزاء غير المتشققة للأعضاء الخرسانية. يعزز استخدام تقوية الألياف الفولاذية في الخرسانة من قدرة العناصر الهيكلية على تحمّل ضغوط كبيرة. يزيد استخدام الألياف من صلابة الخرسانة تحت أي نوع من الأحمال. تتمتع الألياف في الخرسانة بالقدرة على امتصاص المزيد من الطاقة.

وفقًا لتوصية دليل التصميم بالخرسانة المسلّحة بالألياف، يتم استخدام الخرسانة المسلّحة بألياف الفولاذ كمواد إضافية لمنع التصدّع، لتحسين مقاومة الصدمات أو التحميل الديناميكي ولمنع تفكك المواد. كما تم نشر دليل لتصميم الهياكل الخرسانية مع تقوية الألياف الفولاذية من قِبل معهد الخرسانة الأمريكي. تطبيقات الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية متنوعة جدًا وواسعة الانتشار، بحيث يصعب تصنيفها.

فيما يلي التطبيقات الشائعة للإنشاءات الخرسانية المسلّحة بالألياف الفولاذية:

1. تثبيت الصخور والأنفاق والسدود والمناجم.
   
2. أقواس الجسور، هياكل القبة وبيوت الطاقة.
   
3. تثبيت المنحدرات لمنع الانهيارات الأرضية وإصلاح الأسطح الخرسانية المتدهورة وقنوات المياه وما إلى ذلك.
   
4. بطانات الأنفاق.
   
5. المناهل.
   
6. خزائن الدفن.
   
7. خزانات الصرف الصحي.
   
8. الصوامع.
   
9. أنابيب.
   
10. الخرسانة المضغوطة الأسطوانية بألياف فولاذية.
    

تطبيق الخرسانة المسلّحة بالألياف الفولاذية في الهياكل الأخرى:

1- أرصفة الطرق والمطارات:

1. إصلاح الرصيف.
   
2. تقليل سماكة الرصيف.
   
3. زيادة مقاومة التأثير.
   
4. زيادة تباعد المفاصل المستعرضة والطولية.
   
5. سطح ركوب أملس.
   

2- الهياكل الهيدروليكية:

1. مقاومة التجاويف أو أضرار التآكل.
   
2. إصلاح حوض الانسكاب.
   

3- الخرسانة المرشوشة الليفية:

يعمل إدراج ألياف الفولاذ في الخرسانة المرشوشة على تحسين العديد من الخصائص الميكانيكية للمادة الأساسية مثل المتانة ومقاومة الصدمات وقوة القص وقوة الانحناء وعامل اللدونة.