الخصائص الميكانيكية وآليات الفشل للخرسانة المسلحة بالألياف: تأثير نوع الألياف ومحتواها
الخرسانة هي الأكثر استخداما بناء مادةٌ تُقدّم مزايا عديدة، منها توافرها الواسع، وسهولة إنتاجها، وانخفاض تكلفتها، وسهولة تطبيقها. تُستخدم على نطاق واسع في مجالاتٍ مُختلفة، كالمباني والطرق والجسور والأنفاق والهندسة الهيدروليكية. ومع ازدياد عدد المشاريع الهندسية، ازدادت تدريجيًا الحاجة إلى أداء الخرسانة. ونتيجةً لذلك، ظهرت عيوب الخرسانة التقليدية، كضعف قوة الشد، وضعف مقاومة التشقق، وعدم استقرار الحجم. ولذلك، لطالما كان 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 الفولاذالألياف (SF)، والألياف الصناعية (مثل ألياف البولي بروبيلين)، والألياف المعدنية (مثل ألياف البازلت - BF)، وألياف الكربون (CF). وقد عزز هذا النهج أداء الخرسانة عالية الأداء (HPC) والخرسانة فائقة الأداء (UHPC).
يمكن للألياف، إلى حد ما، تحسين الخواص الميكانيكية للخرسانة. ومع ذلك، فإن اختلاف أنواع الألياف ومحتوياتها يؤدي حتمًا إلى اختلافات كبيرة في تأثيرها على الخواص الميكانيكية للخرسانة. حاليًا، لا يزال المحتوى الأمثل للألياف، والعلاقة الكمية بين المعايير ذات الصلة والخواص الميكانيكية، والآليات الأساسية للخرسانة المسلحة بالألياف، بحاجة إلى مزيد من التوضيح. تناولت هذه الدراسة ألياف الكربون (CF). ألياف البازلت تم استخدام ألياف الحديد (BF) والألياف الفولاذية (SF) كموضوعات بحثية، لإعداد عينات خرسانية ذات محتوى ألياف متفاوت. اختيرت هذه الألياف لما لها من تحسينات موثقة في أداء الخرسانة وتطبيقات واسعة النطاق. من خلال تجارب متغيرة مُتحكم بها، تم تحليل آثار نوع الألياف ومحتواها على قوة الضغط، ومعامل المرونة، ونمط انهيار الخرسانة بشكل منهجي. باستخدام تقنيات تحليل الصور الرقمية والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، رُصد سلوك تطور الشقوق في الخرسانة المسلحة بالألياف أثناء التجارب، مما أدى إلى الاستنتاجات التالية:
1. بالمقارنة مع الخرسانة العادية (PC)، فإن دمج ألياف الفولاذ (SF) وألياف الكربون (CF) و ألياف البازلت حسّنت ألياف الألياف (BF) بشكل ملحوظ الخواص الميكانيكية للخرسانة المسلحة بالألياف (FRC)، وغيّرت نمط فشلها. غيّرت هذه الألياف تماسك الخرسانة وخصائص انضغاط المسام الأولية. مع زيادة محتوى الألياف، تحوّل نمط الفشل من الهشاشة إلى اللدونة. كانت نقطة التحول الحرجة 0.5% لخرسانة ألياف الفولاذ (SFC)، و1.0% لكلٍّ من خرسانة ألياف الكربون (CFC) وخرسانة ألياف البازلت (BFC). ولتحقيق أقصى أداء ميكانيكي، كان المحتوى الأمثل لألياف الفولاذ 2.0%، وألياف الكربون 1.0%، وألياف البازلت 0.5%.
٢. على الرغم من أن محتوى الألياف يُحسّن من تماسك الخرسانة وقدرتها على التحمل، إلا أن ارتفاعه بشكل مفرط قد يؤدي إلى ظاهرة "التشبع"، مما يُسبب "تكتل" الألياف. وهذا يؤثر سلبًا على خصائص الخرسانة الفيزيائية ومتانتها وخصائص تشوهها. حققت خرسانة الألياف الفولاذية أداءً مثاليًا عند نسبة حجم ألياف ٢.٠٪، بينما حققت خرسانة ألياف الكربون وخرسانة ألياف البازلت أداءً مثاليًا عند ١.٠٪ و٠.٥٪ على التوالي. وبعد تجاوز هذه النسب المثالية، انخفض الأداء.
٣. كشف تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن الرابطة السطحية بين الألياف والمصفوفة الأسمنتية تؤثر بشكل كبير على الخواص الميكانيكية العيانية للخرسانة. تُشكل كمية مناسبة من الألياف بنية شبكية ثلاثية الأبعاد كثيفة داخل الخرسانة، مما يُعزز ترابط المصفوفة وأدائها العام. ومع ذلك، فإن المحتوى العالي جدًا من الألياف يؤدي إلى تكتل الألياف، مما يُضعف مناطق الواجهات ويقلل من كثافة الخرسانة ومتانتها. كانت التغيرات في البنية الدقيقة متوافقة بشكل كبير مع تطور الخواص الميكانيكية العيانية.
٤. غيّرت إضافة الألياف بشكل ملحوظ من نمط انهيار الخرسانة. بالمقارنة مع الخرسانة العادية، أظهرت الخرسانة المسلحة بالألياف سلامة أعلى بعد الانهيار، مع شقوق أقل وأضيق، ومتانة أعلى. كانت ألياف الفولاذ الأكثر فعالية في تثبيط التشققات، تليها ألياف الكربون وألياف البازلت. لعب "تأثير الجسر" للألياف دورًا حاسمًا في تثبيط انتشار التشققات، بينما كان لـ"تأثير السطح البيني الضعيف" تأثير سلبي على الخواص الميكانيكية.
