الخواص الميكانيكية وآليات فشل الخرسانة المسلحة بالألياف: تأثير نوع الألياف ومحتواها
الخرسانة هي الأكثر استخدامًا بناء تُعدّ الخرسانة مادةً أساسيةً لما تتمتع به من مزايا عديدة، منها توافرها الواسع، وسهولة إنتاجها، وانخفاض تكلفتها، وسهولة استخدامها. وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات متنوعة كالمباني والطرق والجسور والأنفاق والهندسة الهيدروليكية. ومع ازدياد عدد المشاريع الهندسية، تزايدت متطلبات أداء الخرسانة تدريجيًا. ونتيجةً لذلك، برزت عيوب الخرسانة التقليدية، كضعف مقاومتها للشد، ومقاومتها للتشقق، وعدم استقرار حجمها. لذا، يُعدّ تحسين أداء الخرسانة أحد أهمّ اتجاهات البحث في الهندسة المدنية.
لتحسين أداء الخرسانة، تُضاف الألياف عادةً لتحسين خصائصها الميكانيكية ومتانتها. ومن الأمثلة على ذلك: ألياف فولاذيةالألياف الاصطناعية (مثل ألياف البولي بروبيلين)، والألياف المعدنية (مثل ألياف البازلت)، وألياف الكربون. وقد ساهم هذا النهج في تعزيز أداء الخرسانة عالية الأداء والخرسانة فائقة الأداء.
يمكن للألياف، إلى حد ما، تحسين الخواص الميكانيكية للخرسانة. ومع ذلك، فإن اختلاف أنواع الألياف ومحتوياتها يؤدي حتماً إلى تباينات كبيرة في تأثيرها على الخواص الميكانيكية للخرسانة. حالياً، لا يزال تحديد المحتوى الأمثل للألياف، والعلاقة الكمية بين المعايير ذات الصلة والخواص الميكانيكية، والآليات الكامنة وراء الخرسانة المسلحة بالألياف، بحاجة إلى مزيد من التوضيح. وقد بحثت هذه الدراسة ألياف الكربون (CF). ألياف البازلت تم استخدام ألياف الخشب (BF) والألياف الفولاذية (SF) كمواد بحثية، حيث تم تحضير عينات خرسانية بنسب ألياف متفاوتة. وقد تم اختيار هذه الألياف نظرًا لتحسينها الموثق جيدًا لأداء الخرسانة وانتشار استخدامها. ومن خلال تجارب ذات متغيرات مضبوطة، تم تحليل تأثير نوع الألياف ونسبتها على مقاومة الضغط، ومعامل المرونة، ونمط انهيار الخرسانة بشكل منهجي. وباستخدام تقنيات تحليل الصور الرقمية والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، تمت ملاحظة سلوك تطور الشقوق في الخرسانة المسلحة بالألياف أثناء التجارب، مما أدى إلى الاستنتاجات التالية:
1. بالمقارنة مع الخرسانة العادية، فإن إضافة الألياف الفولاذية وألياف الكربون و ألياف البازلت أدى استخدام ألياف البازلت (BF) إلى تحسين الخواص الميكانيكية للخرسانة المسلحة بالألياف (FRC) بشكل ملحوظ، كما غيّر نمط انهيارها. فقد غيّرت هذه الألياف كثافة الخرسانة وخصائص انضغاط المسام الأولية. ومع زيادة نسبة الألياف، تحوّل نمط الانهيار من هش إلى مطيلي. وكانت نقطة التحول الحرجة 0.5% لخرسانة الألياف الفولاذية (SFC)، و1.0% لكل من خرسانة الألياف الكربونية (CFC) وخرسانة الألياف البازلتية (BFC). ولتحقيق أقصى أداء ميكانيكي، كانت النسبة المثلى للألياف الفولاذية 2.0%، وللألياف الكربونية 1.0%، وللألياف البازلتية 0.5%.
٢. على الرغم من أن محتوى الألياف يُحسّن من تماسك الخرسانة وقدرتها على التحمل، إلا أن ارتفاعه المفرط قد يؤدي إلى ظاهرة "التشبع"، مما يتسبب في "تكتل" الألياف. وهذا يؤثر سلبًا على الخصائص الفيزيائية للخرسانة، وقوتها، وخصائص تشوهها. وقد حققت الخرسانة المُدعمة بألياف الصلب الأداء الأمثل عند نسبة حجمية للألياف تبلغ ٢.٠٪، بينما بلغت الخرسانة المُدعمة بألياف الكربون والخرسانة المُدعمة بألياف البازلت الأداء الأمثل عند ١.٠٪ و٠.٥٪ على التوالي. وبعد تجاوز هذه النسب المثلى، انخفض الأداء.
3. كشف تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الرابطة البينية بين الألياف والمصفوفة الأسمنتية تؤثر بشكل كبير على الخواص الميكانيكية الكلية للخرسانة. تشكل كمية مناسبة من الألياف بنية شبكية ثلاثية الأبعاد كثيفة داخل الخرسانة، مما يعزز ترابط المصفوفة وأدائها العام. مع ذلك، يؤدي المحتوى العالي جدًا من الألياف إلى تكتلها، مما يخلق مناطق بينية ضعيفة ويقلل من كثافة الخرسانة وقوتها. تتوافق التغيرات في البنية المجهرية بشكل كبير مع تطور الخواص الميكانيكية الكلية.
4. أدى إضافة الألياف إلى تغيير نمط انهيار الخرسانة بشكل ملحوظ. فمقارنةً بالخرسانة العادية، أظهرت الخرسانة المسلحة بالألياف تماسكًا أفضل بعد الانهيار، مع عدد أقل من الشقوق وأضيقها، ومتانة محسّنة. وكانت ألياف الصلب الأكثر فعالية في تثبيط الشقوق، تليها ألياف الكربون ثم ألياف البازلت. ولعب "تأثير التجسير" للألياف دورًا حاسمًا في كبح انتشار الشقوق، بينما كان لـ"تأثير السطح البيني الضعيف" تأثير سلبي على الخواص الميكانيكية.
