تحسين الأداء وبحوث التطبيقات الهندسية للخرسانة المسلحة بألياف البازلت المختصرة

في السنوات الأخيرة،هندسة الطرق السريعة في الصين بناء لقد تطورت بسرعة، وقد حققت تكنولوجيا الهياكل الخرسانية تقدماً كبيراً، تراكم العديد من الإنجازات التقنية المتقدمة والناضجة. يُستخدم تصميم الهياكل الخرسانية على نطاق واسع في مجال بناء البنية التحتية، مما يدل على أهميته. لكن، إلى جانب هذه الإنجازات، مشكلة تشقق الخرسانة أصبح هذا الأمر بارزاً بشكل متزايد. يؤدي وجود الشقوق إلى الإضرار بأداء الخرسانة، بشكل ملحوظ تقليلها قوة الشد، وهذا هو السبب الرئيسي للفشل الهش الذي يظهره الخرسانة. ألياف البازلت القصيرة، كمادة ليفية جديدة، أصبحت مادة ممتازة لتقوية الخرسانة بفضل خصائصها الميكانيكية الفريدة، استقرار جيد، وفعالية عالية من حيث التكلفة.ستركز هذه المقالة على خصائص الاختصارات ألياف البازلت واستكشاف تطبيقها العملي في تسليح الخرسانة وتقويتها.

2. خصائص ألياف البازلت القصيرة

2.1 التعريف

ألياف البازلت هي ألياف معدنية غير عضوية تتم معالجتها عن طريق تقطيع ألياف البازلت المتصلة إلى أطوال عادةً أقل من $50\text{مم}$. يمكن توزيعه بشكل متجانس داخل الخرسانة. بحسب طلبها، يمكن تصنيفها بشكل رئيسي إلى: ألياف مقاومة للتشقق للخرسانة ($\text{صديق}$) ألياف تقوية وتدعيم الخرسانة ($\text{BZ}$) وألياف مقاومة للتشقق للملاط ($\text{قوات الأمن الحدودية}$) من بين أمور أخرى.

2.2 أداء ألياف البازلت القصيرة

اختصار ألياف البازلت يتمتع بخصائص ممتازة قوة عالية و معامل مرونة عالي. يمكن أن تصل قوة الشد الخاصة به إلى $1050\text{-}1250\text{ميجا باسكال}$، ومعامل مرونته لا يقل عن $34\text{معدل تراكمي}$. إنه مقاومة درجات الحرارة العالية متميز، مما يسمح له بالعمل بشكل مستمر ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة -269∘ج ل 650∘ج. يتميز بمستوى عالٍ مقاومة التآكل و الاستقرار الكيميائي في الأوساط المسببة للتآكل مثل الأحماض، القلويات، والأملاح. وخاصة في الأوساط القلوية مثل المحاليل القلوية المشبعة والأسمنت، معدل احتفاظها بقوة الكسر أحادية الشعيرة أكبر من $75\%$، يُظهر مقاومة ممتازة للتآكل القلوي. ألياف البازلت القصيرة لديه توافق جيد باستخدام مواد رابطة غير عضوية، معدل امتصاص الرطوبة أقل من $1\%$، ولا تتغير خاصية امتصاصه للرطوبة بمرور الوقت. وهذا يثبت استقرارها المادي الجيد، عمر طويل، والتوافق البيئي أثناء الاستخدام. بالإضافة إلى، كما تتميز هذه الألياف بخصائص ممتازة مثل العزل، الترشيح بدرجة حرارة عالية، مقاومة الإشعاع، وقدرة على نقل الموجات. تظهر مؤشرات أدائها في الجدول 1.

3. تحليل استخدام ألياف البازلت القصيرة في الخرسانة

الخرسانة المسلحة بألياف البازلت القصيرة يتضمن ذلك دمج كمية معينة من ألياف البازلت القصيرة المتصلة أو المتقطعة في الخرسانة بطريقة مناسبة. مع الحفاظ على الميزة الأصلية لقوة الخرسانة في مقاومة الضغط، يمكن لهذه الطريقة أن تحسنها بشكل كبير صلابة و قوة الشد، وبالتالي تعزيز وتقوية الخرسانة بشكل فعال وإطالة عمر الخدمة للهيكل الهندسي.

بالإضافة إلى ألياف البازلت، ألياف الكربون، الألياف الزجاجية، ألياف الأراميد، وقد تم استخدام مواد أخرى أيضاً كمواد تقوية في الخرسانة. لكن، تُظهر الممارسة طويلة الأمد أن هذه المواد تُسبب بعض المشاكل عند تطبيقها على الخرسانة. مما يجعل من الصعب تلبية طلب السوق على الخرسانة عالية الأداء. إن ظهور ألياف البازلت القصيرة يسد هذه الفجوة في المواد والأساليب، مما يعزز بشكل كبير تطوير تكنولوجيا تقوية وتدعيم الخرسانة. يتجلى دورها في تقوية الخرسانة وتدعيمها بشكل رئيسي في الجوانب التالية:

1. منع التشققات بفعالية: نظراً لمزاياها من حيث الكمية ومساحة السطح، يمكن لألياف البازلت القصيرة أن تحد بشكل فعال من الشقوق الدقيقة، منع اتصالهم وتوسعهم. في أثناء، فهو يتغلب على عيوب الألياف الاصطناعية الأخرى، مثل الكثافة المنخفضة، قوة شد منخفضة، ومعامل مرونة منخفض. لا ينفصل بسهولة أثناء انتشار الشقوق، مما قد يمنع بشكل كبير تطور الشقوق الدقيقة ويؤخر ظهور شقوق جديدة، مما يؤثر إيجاباً على تحسين نفاذية الخرسانة ومقاومتها للتجمد والذوبان.

2. يجمع بين معامل المرونة العالي وسهولة التركيب: لا تقتصر فوائد ألياف البازلت القصيرة على الاستفادة من مزايا مماثلة لمعامل المرونة العالي وقوة الشد العالية للألياف الفولاذية أحادية الشعيرة لمنع انتشار الشقوق فحسب، بل إنها تتغلب أيضاً بشكل فعال على عيوب الألياف الفولاذية، مثل سهولة التكتل أثناء الخلط وصعوبة الضخ والبناء.

3. قابلية جيدة للتشتت والتوافق: باعتبارها أليافًا غير عضوية أساسها السيليكات، تتمتع ألياف البازلت القصيرة بتوافق طبيعي مع المواد الأسمنتية. كثافتها (تقريبًا) 2.63-2.80جم/سم3) قريب من نسبة الخرسانة الإسمنتية والملاط، مما ينتج عنه قابلية جيدة للعمل. بعد الإضافة، يمكن أن ينتشر بشكل متجانس في جميع أنحاء الهيكل الخرساني.

4. متانة ممتازة: تُظهر ألياف البازلت القصيرة المعدلة سطحياً خصائص "الألياف الخاملة". يُظهر مقاومة فائقة لدرجات الحرارة العالية، تآكل، والتأثير. يحافظ على استقراره حتى في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والبيئات شديدة التآكل، ويمكن أن يعزز مقاومة التشوه لمصفوفة الأسمنت. لذلك، يمكنها التكيف مع البيئات القاسية لخلط الخرسانة، سكب، جلسة، ومراحل الخدمة، تحسين كبير متانة من الخرسانة.

في ملخص، يمكن لألياف البازلت القصيرة أن تحسن بشكل فعال مقاومة الخرسانة للصدمات، تقليل هشاشته، وتحسين خصائصها الميكانيكية بشكل شامل. خاصة، يعمل في الهياكل الخرسانية لمنع التشققات، منع التسرب، تعزيز المتانة، تحسين مقاومة الصدمات والشد، ويساعد على تحسين جودة السطح.

4. أساليب البناء والاحتياطات اللازمة للخرسانة الليفية البازلتية المختصرة

4.1 درجة حرارة البناء

ينبغي بناء الخرسانة الليفية البازلتية المختصرة عند درجات حرارة تتراوح بين -5∘ج و 25∘ج. قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة جدًا أو المنخفضة جدًا إلى عدم تجانس الخليط.

4.2 مراقبة جودة البناء

ينبغي أن تركز مراقبة الجودة في أعمال البناء باستخدام الخرسانة الليفية البازلتية المختصرة على فحص المواد الخام. دقة القياس، وجودة عملية الخلط.

4.2.1 تصميم نسب الخلط

في عملية البناء الفعلية، ينبغي اختيار جرعات مختلفة من ألياف البازلت القصيرة ضمن نطاق معقول بناءً على متطلبات المشروع. بما أن ألياف البازلت القصيرة لا تتفاعل كيميائياً مع مكونات الخرسانة الأخرى أو المواد المضافة، لا تؤدي جرعته عادةً إلى تغيير مبادئ تصميم نسب خلط الخرسانة الأصلية. أثناء عملية البناء، يجب تحديد جودة جميع المواد بدقة وفقًا لنسبة خلطة البناء وكمية الدفعة لخلطة واحدة. يقدم الجدول 2 مثالاً على نسبة الخلط المثلى للخرسانة المسلحة بألياف البازلت.

أظهرت الاختبارات أن زيادة جرعة الألياف لا تؤدي بالضرورة إلى مقاومة أفضل للتشقق. عندما لا تتجاوز الجرعة 1.2كجم/م3، تُظهر قوة الضغط للخرسانة اتجاهًا لزيادة أولية متبوعة بانخفاض (يُظهر قيمة ذروة) مع زيادة جرعة الألياف.

4.2.2 تسلسل وطريقة التغذية

أثناء عملية الخلط، ألياف البازلت القصيرة ينبغي إضافتها في نفس الوقت مع الركام مثل الرمل والحجر. يوصى برش الألياف بالتساوي في الرمل والحجر أثناء وضعها. ثم أضف الماء للخلط الرطب.

يمكن تقسيم طرق إضافة الألياف إلى التغذية اليدوية والتغذية الآلية:

• التغذية اليدوية: تتم إضافة ألياف البازلت الموزونة يدويًا بعد وضع الركام الساخن في الخلاط. تتطلب هذه الطريقة كثافة عمالية عالية، تجانس خلط منخفض نسبياً، ويتطلب ذلك تمديدًا مناسبًا لوقت الخلط لضمان تشتت الألياف بشكل متجانس.

• التغذية التلقائية: أوتوماتيكي ألياف البازلت تُستخدم آلة الجرعات للقياس الآلي والإضافة المتزامنة مع الركام الساخن للخلاط. عادةً ما تكون آلة جرعات الألياف مزودة بنظام قياس تلقائي، التشتيت المسبق، وآليات النقل الهوائي، يوفر مزايا الراحة، سريع، والجمع الدقيق. ينبغي اختيار الطريقة المناسبة بناءً على ظروف البناء.

4.2.3 تعديل الهبوط

تؤدي إضافة الألياف إلى زيادة طفيفة في لزوجة خليط الخرسانة، مما يؤثر على الركود. إذا لم يستوفِ الهبوط متطلبات البناء، يُفضل استخدام الملدنات أو عوامل تقليل الماء لإجراء التعديلات. لا ينبغي حل المشكلة بزيادة نسبة الماء.

4.2.4 التشكيل والمعالجة

لا توجد متطلبات خاصة لتشكيل الخرسانة المخلوطة بألياف البازلت القصيرة، لكن يجب ضمان الاهتزاز والضغط الكافيين. متطلبات معالجته هي نفسها متطلبات معالجة الخرسانة العادية.

دراسة حالة تطبيقية موجزة للخرسانة الليفية البازلتية المختصرة

يُعد طريق جينغ-تشو السريع (قسم أنيانغ إلى شينشيانغ) طريقًا رئيسيًا وطنيًا وجزءًا حيويًا من شبكة الطرق السريعة في مقاطعة خنان. نظراً لارتفاع مستوى ردم السد وضعف جودة التربة الأساسية في هذا الجزء، ظهرت عيوب أخرى، مثل عدم انتظام هبوط الطبقة التحتية، بعد فترة وجيزة من افتتاحها. في السنوات الأخيرة، مع ازدياد حجم حركة المرور وارتفاع عدد المركبات المحملة فوق طاقتها، لقد عانى الرصيف مراراً وتكراراً من عيوب مختلفة مثل الشقوق الطولية والعرضية، حفر في الطريق، مستعمرة، تشقق الشبكة، وتكسير التماسيح. هذا لا يهدد سلامة القيادة بشكل خطير فحسب، بل يشكل أيضاً صعوبة كبيرة في الصيانة اليومية. بالإضافة إلى، لقد فشل التصميم الأصلي ذو الأربعة مسارات لفترة طويلة في تلبية متطلبات النقل، مما يستلزم التوسع وإعادة البناء.

خرسانة ألياف البازلت قصيرة القطع تم تطبيقها في ردم الطبقة التحتية لهذا المشروع. وقد أظهرت الممارسة أن قوة الشد الخاصة بها قد زادت بأكثر من $30\%$، تحسنت مقاومتها للتعب بأكثر من $30\%$، وزادت مقاومتها للتخدد بأكثر من $300\%$. وقد أظهرت فعالية كبيرة في منع التشققات الطولية، منع تمدد الشقوق، وإطالة عمر خدمة الرصف.

بفضل خصائصه الميكانيكية الفريدة، ثبات ممتاز، وفعالية عالية من حيث التكلفة، أصبحت ألياف البازلت القصيرة مادة فعالة لتقوية الخرسانة. إن آفاق استخدام الخرسانة الليفية البازلتية المختصرة واسعة للغاية. من المتوقع أن تُسفر مزاياها الهامة في تحسين الأداء الهندسي وإطالة عمر الخدمة عن فوائد اقتصادية واجتماعية جيدة. مما يضعها كمادة بناء مهمة في مجال الهندسة المدنية في المستقبل.