الوضع الحالي وتطور الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية

الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية (SFRC) هي نوع جديد من المواد المركبة، تُصب وتُرش بإضافة كمية مناسبة من الألياف الفولاذية القصيرة إلى الخرسانة العادية. وقد شهدت هذه المادة تطورًا سريعًا محليًا وعالميًا في السنوات الأخيرة. تتغلب الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية على عيوب الخرسانة التقليدية، مثل ضعف مقاومة الشد، وقلة الاستطالة النهائية، وهشاشتها. تتميز بخصائص ممتازة، كمقاومة الشد، ومقاومة الانحناء، ومقاومة القص، ومقاومة التشقق، ومقاومة الإجهاد، والمتانة العالية. وقد استُخدمت في الهندسة الهيدروليكية، والطرق والجسور، والإنشاءات، وغيرها من المجالات الهندسية.

1. تطوير الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية
الخرسانة المسلحة بالألياف (FRC) هي اختصار للخرسانة المسلحة بالألياف. وهي عادةً مادة مركبة أساسها الأسمنت، تتكون من عجينة الأسمنت أو الملاط أو الخرسانة، بالإضافة إلى ألياف معدنية أو ألياف غير عضوية أو ألياف عضوية مقواة. تُعدّ الخرسانة المسلحة بالألياف مادة بناء حديثة، تتكون من ألياف قصيرة ودقيقة موزعة بشكل متجانس في مصفوفة الخرسانة، وتتميز بقوة شد عالية، واستطالة قصوى عالية، ومقاومة عالية للقلويات. يُمكن للألياف في الخرسانة الحد من ظهور الشقوق المبكرة فيها، ومنع اتساعها تحت تأثير القوى الخارجية، مما يُساهم في التغلب على عيوبها المتأصلة، مثل ضعف قوة الشد، وسهولة التشقق، وضعف مقاومة الإجهاد، كما يُحسّن بشكل كبير من خصائصها من حيث منع النفاذية، ومقاومة الماء، ومقاومة الصقيع، وحماية حديد التسليح. وقد حظيت الخرسانة المسلحة بالألياف، وخاصةً الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، باهتمام متزايد في الأوساط الأكاديمية والهندسية، نظرًا لأدائها المتميز. في عام 1907، بدأ الخبير السوفيتي ب. هيكبوكاب باستخدام الخرسانة المسلحة بالألياف المعدنية. في عام 1910، نشر إتش إف بورتر تقريرًا بحثيًا عن الخرسانة المسلحة بالألياف القصيرة، مقترحًا ضرورة توزيع ألياف الصلب القصيرة بالتساوي في الخرسانة لتقوية مواد المصفوفة. وفي عام 1911، أضاف غراهام من الولايات المتحدة ألياف الصلب إلى الخرسانة العادية لتحسين قوتها واستقرارها. وبحلول أربعينيات القرن العشرين، أجرت الولايات المتحدة وبريطانيا وفرنسا وألمانيا واليابان وغيرها من الدول أبحاثًا مكثفة حول استخدام ألياف الصلب لتحسين مقاومة الخرسانة للتآكل والتشقق، وتقنيات تصنيع الخرسانة المسلحة بألياف الصلب، وتحسين شكل ألياف الصلب لتعزيز قوة الترابط بين الألياف ومصفوفة الخرسانة. وفي عام 1963، نشر جيه بي روموالدي وجي بي باتسون ورقة بحثية حول آلية تطور الشقوق في الخرسانة المحصورة بألياف الصلب، وخلصا إلى أن مقاومة الشقوق في الخرسانة المسلحة بألياف الصلب تتحدد بمتوسط ​​تباعد ألياف الصلب الذي يلعب دورًا فعالًا في إجهاد الشد (نظرية تباعد الألياف)، وبذلك بدأت مرحلة التطوير العملي لهذه المادة المركبة الجديدة. حتى الآن، ومع انتشار وتطبيق الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، وبسبب التوزيع المختلف للألياف في الخرسانة، توجد أربعة أنواع رئيسية: الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، والخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة، والخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية متعددة الطبقات، والخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة متعددة الطبقات.

2. آلية تقوية الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية
(1) نظرية ميكانيكا المواد المركبة. تستند نظرية ميكانيكا المواد المركبة إلى نظرية المواد المركبة ذات الألياف المتصلة، وتتكامل مع خصائص توزيع ألياف الصلب في الخرسانة. في هذه النظرية، تُعتبر المواد المركبة مواد ثنائية الطور، حيث تمثل الألياف أحد الطورين، بينما تمثل المادة الأساسية الطور الآخر.
(2) نظرية تباعد الألياف. تُعرف نظرية تباعد الألياف، أو نظرية مقاومة الشقوق، بأنها نظرية مُقترحة بناءً على ميكانيكا الكسر المرنة الخطية. وتنص هذه النظرية على أن تأثير تقوية الألياف يرتبط فقط بتباعد الألياف الموزع بانتظام (الحد الأدنى للتباعد).

3. تحليل حالة تطوير الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية
1. الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية: هي نوع من الخرسانة المسلحة المتجانسة نسبيًا ومتعددة الاتجاهات، تُصنع بإضافة كمية صغيرة من الفولاذ منخفض الكربون، والفولاذ المقاوم للصدأ، وألياف البوليمر المقوى بالألياف (FRP) إلى الخرسانة العادية. تتراوح نسبة الألياف الفولاذية المضافة عادةً بين 1% و2% من الحجم، بينما تُضاف 70 إلى 100 كيلوغرام من الألياف الفولاذية لكل متر مكعب من الخرسانة وزنيًا. يجب أن يتراوح طول الألياف الفولاذية بين 25 و60 ملم، وقطرها بين 0.25 و1.25 ملم، والنسبة المثلى للطول إلى القطر هي 50 إلى 700. بالمقارنة مع الخرسانة العادية، لا تُحسّن الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية مقاومة الشد والقص والانحناء والتآكل والتشقق فحسب، بل تُعزز أيضًا بشكل كبير صلابة الكسر ومقاومة الصدمات، وتُحسّن بشكل ملحوظ مقاومة الإجهاد ومتانة الهيكل، وخاصةً الصلابة التي يمكن زيادتها من 10 إلى 20 ضعفًا. تُجرى مقارنة الخصائص الميكانيكية للخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية والخرسانة العادية في الصين. عندما تتراوح نسبة الألياف الفولاذية بين 15% و20% ونسبة الماء إلى الإسمنت 0.45، تزداد مقاومة الشد بنسبة تتراوح بين 50% و70%، ومقاومة الانحناء بنسبة تتراوح بين 120% و180%، ومقاومة الصدم بمقدار يتراوح بين 10 و20 ضعفًا، ومقاومة إجهاد الصدم بمقدار يتراوح بين 15 و20 ضعفًا، ومتانة الانحناء بمقدار يتراوح بين 14 و20 ضعفًا، كما تتحسن مقاومة التآكل بشكل ملحوظ. لذلك، يتمتع الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية بخصائص فيزيائية وميكانيكية أفضل من الخرسانة العادية.

4. الخرسانة الليفية الهجينة
تشير بيانات الأبحاث ذات الصلة إلى أن الألياف الفولاذية لا تُحسّن مقاومة الخرسانة للضغط بشكل ملحوظ، بل قد تُقلّلها. وبالمقارنة مع الخرسانة العادية، تتباين الآراء حول خصائص الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، من حيث منع النفاذية، ومقاومة التآكل، ومقاومة الصدمات، ومنع الانكماش اللدن المبكر، وذلك بين الإيجابية والسلبية (زيادة ونقصان)، وحتى الآراء المتوسطة. إضافةً إلى ذلك، تُعاني الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية من بعض المشاكل، مثل الحاجة إلى كميات كبيرة من الألياف، وارتفاع سعرها، وصدئها، وضعف مقاومتها للانفجار الناتج عن الحريق، مما أثّر على استخدامها بدرجات متفاوتة. في السنوات الأخيرة، بدأ بعض الباحثين المحليين والأجانب بالاهتمام بالخرسانة الهجينة المُدعّمة بالألياف (HFRC)، ساعين إلى مزج ألياف ذات خصائص ومزايا مختلفة، والاستفادة من تجارب بعضهم البعض، وتوظيف "التأثير الهجين الإيجابي" على مستويات ومراحل تحميل مختلفة لتحسين خصائص الخرسانة المتنوعة، بما يُلبي احتياجات المشاريع المختلفة. ومع ذلك، فيما يتعلق بخصائصها الميكانيكية المختلفة، وخاصة تشوهها الناتج عن الإجهاد وتلفها الناتج عن الإجهاد، وقانون تطور التشوه وخصائص التلف تحت الأحمال الساكنة والديناميكية والأحمال الدورية ذات السعة الثابتة أو المتغيرة، وكمية الخلط المثلى ونسبة خلط الألياف، والعلاقة بين مكونات المواد المركبة، وتأثير التقوية وآلية التقوية، وأداء مقاومة الإجهاد، وآلية الفشل وتقنية البناء، فإن مشاكل تصميم نسبة الخلط تحتاج إلى مزيد من الدراسة.

5. الخرسانة المسلحة بألياف فولاذية متعددة الطبقات
يُعدّ الخرسانة المسلحة بالألياف المتجانسة صعبة الخلط، كما أن الألياف فيها سهلة التكتل، وكميتها كبيرة، وتكلفتها مرتفعة نسبيًا، مما يحدّ من استخدامها على نطاق واسع. وبناءً على العديد من الدراسات الهندسية والنظرية، تم اقتراح نوع جديد من الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية، وهو الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية الطبقية (LSFRC). تُوزّع كمية صغيرة من الألياف الفولاذية بالتساوي على السطحين العلوي والسفلي للوح الطريق، بينما تبقى الطبقة الوسطى من الخرسانة العادية. يتم توزيع الألياف الفولاذية في LSFRC عادةً يدويًا أو آليًا. تتميز الألياف الفولاذية بطولها، حيث تتراوح نسبة الطول إلى القطر عادةً بين 70 و120، مما يُظهر توزيعًا ثنائي الأبعاد. لا يؤثر هذا النوع من الخرسانة على الخواص الميكانيكية، فهو لا يقلل فقط من كمية الألياف الفولاذية المستخدمة، بل يمنع أيضًا ظاهرة تكتل الألياف أثناء خلط الخرسانة المسلحة بالألياف المتكاملة. بالإضافة إلى ذلك، يؤثر موضع طبقة الألياف الفولاذية في الخرسانة بشكل كبير على مقاومتها للانحناء، حيث يكون تأثير تقوية طبقة الألياف الفولاذية في أسفل الخرسانة هو الأفضل. مع ارتفاع طبقة الألياف الفولاذية، يقل تأثير التسليح بشكل ملحوظ. تزيد مقاومة الانحناء للخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية الخفيفة (LSFRC) بنسبة تزيد عن 35% عن مقاومة الخرسانة العادية بنفس نسبة الخلط، وهي أقل قليلاً من مقاومة الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية المتكاملة. مع ذلك، توفر الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية الخفيفة (LSFRC) الكثير من تكاليف المواد، ولا تُسبب أي صعوبة في الخلط. لذا، تُعد الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية الخفيفة (LSFRC) مادة جديدة ذات فوائد اجتماعية واقتصادية كبيرة وآفاق تطبيق واسعة، ما يجعلها جديرة بالتعميم والتطبيق في إنشاء الطرق.

6. الخرسانة الليفية الهجينة متعددة الطبقات
الخرسانة الهجينة متعددة الطبقات المقواة بالألياف (LHFRC) هي مادة مركبة تتكون من إضافة 0.1% من ألياف البولي بروبيلين إلى أساس الخرسانة الليفية الفولاذية منخفضة الكثافة (LSFRC)، وتوزيع كمية كبيرة من ألياف البولي بروبيلين الدقيقة والقصيرة ذات مقاومة الشد العالية والاستطالة القصوى العالية بالتساوي في طبقتي الخرسانة الليفية الفولاذية العلوية والسفلية، وفي طبقة الخرسانة العادية في المنتصف. تُعالج هذه التقنية ضعف طبقة الخرسانة العادية الوسيطة في الخرسانة الليفية الفولاذية منخفضة الكثافة، وتمنع المخاطر المحتملة التي قد تحدث بعد تآكل الألياف الفولاذية السطحية. تُحسّن الخرسانة الهجينة متعددة الطبقات المقواة بالألياف (LHFRC) مقاومة الانحناء للخرسانة بشكل ملحوظ. فمقارنةً بالخرسانة العادية، تزيد مقاومة الانحناء بنسبة 20% تقريبًا، ومقارنةً بالخرسانة الليفية الفولاذية منخفضة الكثافة، تزيد بنسبة 2.6%، ولكن تأثيرها على معامل المرونة الانحنائية للخرسانة ضئيل. فمعامل المرونة الانحنائية للخرسانة الهجينة متعددة الطبقات المقواة بالألياف (LHFRC) أعلى بنسبة 1.3% من معامل المرونة الانحنائية للخرسانة العادية، وأقل بنسبة 0.3% من معامل المرونة الانحنائية للخرسانة الليفية الفولاذية منخفضة الكثافة. يمكن للخرسانة المسلحة بالألياف الخفيفة (LHFRC) أن تعزز بشكل كبير مقاومة الخرسانة للانحناء، حيث يبلغ مؤشر مقاومة الانحناء فيها حوالي 8 أضعاف الخرسانة العادية و1.3 ضعف مقاومة الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية (LSFRC). علاوة على ذلك، ونظرًا لاختلاف أداء نوعين أو أكثر من الألياف في الخرسانة المسلحة بالألياف الخفيفة، يمكن، وفقًا للاحتياجات الهندسية، الاستفادة من التأثير الهجين الإيجابي للألياف الاصطناعية والفولاذية في الخرسانة لتحسين مطيلية المادة ومتانتها وصلابتها ومقاومتها للتشقق ومقاومتها للانحناء ومقاومتها للشد بشكل كبير، مما يحسن جودة المادة ويطيل عمرها الافتراضي.

—— الملخص (عمارة شانشي، المجلد 38، العدد 11، تشن هويكينغ)