تشير الخرسانة المسلحة بالألياف - (FRC) إلى مادة مركبة قائمة على الأسمنت - مكونة من عجينة أسمنتية أو ملاط أو خرسانة كمصفوفة وألياف كتعزيز. تشير الخرسانة المسلحة بالألياف-، والمعروفة أيضًا بالخرسانة الليفية، عادةً إلى مادة مركبة ذات أساس أسمنتي- مكونة من معجون أسمنت أو ملاط أو خرسانة كمصفوفة وألياف قصيرة متقطعة أو ألياف طويلة مستمرة كتعزيز. يمكن للألياف التحكم في تطور الشقوق الإضافية في الخرسانة المصفوفة، وبالتالي تحسين مقاومة الشقوق. تعمل قوة الشد العالية واستطالة الألياف على تعزيز قوة الشد والانحناء والصدمة والاستطالة والمتانة للخرسانة. تشمل الأنواع الرئيسية من خرسانة الألياف أسمنت الأسبستوس، وخرسانة الألياف الفولاذية، وخرسانة الألياف الزجاجية، وخرسانة ألياف البولي بروبيلين، وخرسانة ألياف الكربون، وخرسانة الألياف النباتية، وخرسانة الألياف الاصطناعية ذات معامل المرونة العالية. وهو مصطلح عام للمواد المركبة المكونة من ألياف ومواد أساسها الأسمنت-(معجون الأسمنت، أو الملاط، أو الخرسانة). تتمثل العيوب الرئيسية لمعجون الأسمنت والملاط والخرسانة في انخفاض قوة الشد، وانخفاض الاستطالة النهائية، والهشاشة. يمكن التغلب على هذه العيوب بإضافة ألياف ذات قوة شد عالية، واستطالة نهائية عالية، ومقاومة جيدة للقلويات.
دور الألياف في الخرسانة:
تعتبر الخرسانة العادية مادة هشة، وتحتوي بالفعل على العديد من الشقوق الصغيرة قبل التحميل. وفي ظل القوى الخارجية المتزايدة، تتوسع هذه الشقوق الصغيرة تدريجيًا وتشكل في النهاية شقوقًا كبيرة، مما يؤدي إلى فشل المواد. إن إضافة كمية مناسبة من الألياف يمنع ويمنع نمو الشقوق الصغيرة، مما يحسن بشكل كبير من قوة الشد والانثناء، وكذلك طاقة الكسر، للمادة المركبة مقارنة بمصفوفة الأسمنت غير المقوى. تعمل أنواع مختلفة من الألياف على تحسين نفاذية الخرسانة، ومقاومة التجمد-والذوبان، ومقاومة اختراق أيونات الكلوريد، ومقاومة الكربنة بدرجات متفاوتة. تستخدم الخرسانة المسلحة بالألياف - في المقام الأول أليافًا قصيرة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع محددة (نسبة طول الألياف إلى القطر). ومع ذلك، يتم استخدام الألياف الطويلة (مثل الألياف الزجاجية المتجولة والأفلام المصنوعة من ألياف البولي بروبيلين) أو منتجات الألياف (مثل شبكة الألياف الزجاجية وحصيرة الألياف الزجاجية) في بعض الأحيان. ويمكن زيادة قوة الشد النهائية بنسبة 30-50%. تتمثل الوظيفة الأساسية للألياف في-الخرسانة المسلحة بالألياف في الحد من نمو الشقوق في مصفوفة الأسمنت تحت تأثير القوى الخارجية. في المرحلة الأولية من التحميل (الشد والثني)، عندما تكون المكونات مناسبة ويتم إضافة عامل اختزال مناسب -عالي الكفاءة-في الماء، تتحمل القاعدة الأسمنتية والألياف القوة الخارجية معًا، حيث يكون الأول هو الحامل الرئيسي للقوة الخارجية؛ عندما تتشقق القاعدة، تصبح الألياف الموجودة عبر الشقوق هي الحامل الرئيسي للقوة الخارجية. لنفترض أن محتوى حجم الألياف يتجاوز قيمة حرجة معينة. في هذه الحالة، يمكن أن تستمر المادة المركبة بأكملها في تحمل الأحمال الأعلى وتنتج تشوهات أكبر حتى يتم كسر الألياف أو سحبها من المادة الأساسية، مما يؤدي إلى تدمير المادة المركبة. بالمقارنة مع الخرسانة العادية، تتمتع الخرسانة المسلحة بالألياف بمقاومة شد وانثناء نهائية أعلى، وخاصة التحسن في المتانة.
التصنيفات الشائعة للألياف
يمكن تصنيف الألياف على أساس خصائصها المادية:
① الألياف المعدنية، مثل ألياف الفولاذ (الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية) وألياف الفولاذ المقاوم للصدأ (مناسبة للخرسانة المقاومة للحرارة{{0}).
② ألياف غير عضوية، في المقام الأول ألياف معدنية طبيعية (كريسوتيل، كروسيدوليت، أموسيت، إلخ.) و-ألياف معدنية من صنع الإنسان (ألياف زجاجية مقاومة للقلويات-، وألياف كربون مثل الصوف المعدني المقاوم للقلويات-.
③ الألياف العضوية، الألياف الاصطناعية في المقام الأول (البولي إيثيلين، كحول البولي فينيل، النايلون، بوليميد العطرية، إلخ) والألياف النباتية (السيزال، الصبار، إلخ). لا يجوز استخدام الخرسانة المسلحة بالألياف الصناعية في البيئات التي تزيد درجات الحرارة فيها عن 60 درجة.
بناءً على معامل المرونة الخاص بها، يمكن تقسيم الألياف إلى فئتين رئيسيتين:
ويشار إلى الألياف ذات المعامل المرن الأصغر من المصفوفة الأسمنتية على أنها ألياف مرنة، بما في ذلك ألياف البولي بروبيلين وألياف النايلون وألياف السليلوز.
تسمى الألياف ذات معامل المرونة الأكبر من المصفوفة بالألياف الصلبة، مثل ألياف الفولاذ، والألياف الزجاجية، وألياف الكربون.
الألياف الخرسانية المشتركة وخصائصها
الألياف الفولاذية
تسمى الخرسانة المصنعة عن طريق دمج كمية مناسبة من ألياف الفولاذ في الخرسانة العادية خرسانة ألياف الفولاذ أو الخرسانة المسلحة بألياف الفولاذ. بالمقارنة مع الخرسانة العادية، تم تحسين قوة الشد، وقوة الانحناء، ومقاومة التآكل، ومقاومة الصدمات، ومقاومة التعب، والمتانة، ومقاومة الشقوق، ومقاومة الانفجار بشكل كبير. -قطع أسلاك فولاذية عالية القوة-ألياف من النوع الخطاف-والألياف من نوع الخطاف النهائي-المطحونة بالسبائك والألياف ذات الأشكال الخاصة-المقصوصة والألياف المسحوبة من سبائك الصلب المنخفضة-المذوبة-تكتسب تطبيقات واسعة النطاق في المشاريع الهندسية نظرًا لترابطها المعزز مع مصفوفة الخرسانة، مما يمنع التشققات بشكل كبير ويقوي الخرسانة ويقويها.
المزايا والعيوب
الميزة التقنية للألياف الفولاذية هي قدرتها على زيادة صلابة الخرسانة وقوة الشد. ومع ذلك، فإن الألياف الفولاذية تميل إلى التكتل أثناء الخلط، مما يؤدي إلى ضعف قابلية التشغيل، وصعوبة الضخ، وصعوبة البناء، والقابلية للصدأ. علاوة على ذلك، فإن خرسانة الألياف الفولاذية ثقيلة وتتطلب إنتاجًا كبيرًا من الفولاذ، مما يزيد من استهلاك الفولاذ وتكاليفه. الشكل الرئيسي لفشل الألياف الفولاذية أثناء الاستخدام هو سحبها للخارج بدلاً من كسرها، مما يدل على أن التصاق الألياف الفولاذية بالخرسانة غير كافٍ، مما سيؤثر على تحسين قوة الشد للخرسانة. مبدأ التشديد والتقوية هو أنه عند حدوث الشقوق، فإن المعامل العالي للفولاذ وقوة الشد العالية للألياف الواحدة تمنع الشقوق من التطور بشكل أكبر؛ ومع ذلك، نظرًا للعدد المحدود، فإن تأثير تقييد الشقوق الصغيرة ليس كبيرًا، كما أن تحسين مقاومة -التسرب، والتجميد-، والخصائص الأخرى ليس واضحًا. بالإضافة إلى ذلك، تكون كثافة الألياف الفولاذية عالية جدًا أثناء البناء، وغالبًا ما تغوص إلى قاع الخرسانة أثناء الاهتزاز والصب، مما يجعل من المستحيل توزيعها بالتساوي. وهذا هو السبب الرئيسي وراء كون استنتاجات البحث النظري جيدة، لكن تأثيرات التطبيق الفعلي تختلف اختلافًا كبيرًا.
ألياف الكربون
ألياف الكربونهي مادة مركبة يتم فيها توزيع ألياف الكربون بشكل موحد داخل قالب أسمنتي لتعزيز الخواص الفيزيائية والميكانيكية للخرسانة. تشمل الميزات الرئيسية للخرسانة المصنوعة من ألياف الكربون الخواص الميكانيكية الممتازة، والعزل المائي، ومقاومة تقلبات درجات الحرارة الطبيعية، والتي لا توجد في الخرسانة المسلحة التقليدية. كما أنه يُظهر خواصًا كيميائية مستقرة، وقوة ميكانيكية طويلة الأمد-، واستقرارًا للأبعاد في البيئات شديدة القلوية.
يؤدي استبدال الفولاذ بألياف الكربون إلى القضاء على تدهور وتدهور الخرسانة المسلحة الناتج عن المياه المالحة، مما يقلل من وزن مكونات البناء، ويسهل التركيب والتشييد، ويختصر الجداول الزمنية للبناء. تتميز ألياف الكربون أيضًا بخصائص تخميد-الاهتزازات، وامتصاص موجات الصدمة وزيادة المقاومة الزلزالية وقوة الانحناء بأكثر من عشر مرات. تتميز الخرسانة المصنوعة من ألياف الكربون بقوة شد عالية وقوة انثناء ومقاومة للكسر ومقاومة للتآكل. نظرًا لانخفاض معامل التمدد، فإن الخرسانة المصنوعة من ألياف الكربون تتميز بمقاومة ممتازة للحرارة والحد الأدنى من التشوه الحراري.
تتمثل الوظيفة الأساسية لألياف الكربون في خرسانة ألياف الكربون في منع انتشار الشقوق الصغيرة داخل الخرسانة ومنع حدوث وتطور الشقوق الكبيرة. لذلك، تم تحسين قوة الشد وقوة القص والانحناء والالتواء، والتي يتم التحكم فيها بشكل أساسي عن طريق إجهاد الشد الرئيسي، بشكل كبير؛ وفي الوقت نفسه، فهي تتمتع بمقاومة عالية لتشوه المصفوفة، وبالتالي تحسين قوة الشد والانحناء والصدمات. عندما يكون حجم ألياف الكربون 1.18%، تزيد قوة شد الانقسام للعينة بنسبة 1.2%. وفقا للقاعدة المركبة، فإن التأثير التسليح لألياف الكربون يجب أن يزيد مع زيادة محتوى الألياف في الأسمنت. وعندما تكون نسبة وزن ألياف الكربون أقل من 5%، تكون هذه العلاقة خطية تقريباً. عندما يزيد المحتوى بشكل أكبر، يصعب تفريق ألياف الكربون بالتساوي في المصفوفة، ولا يمكن تحقيق تأثير التعزيز، وحتى قوة الشد للخرسانة المصنوعة من ألياف الكربون تقل. بالإضافة إلى ذلك، تتميز الخرسانة المصنوعة من ألياف الكربون أيضًا بمقاومة جيدة للتآكل، ومقاومة النفاذية، ومقاومة التآكل، ومقاومة الانكماش، والمتانة.
الألياف الزجاجية
الخرسانة المسلحة بالألياف الزجاجية (GFRC) هي مادة مركبة يتم تصنيعها عن طريق توزيع ألياف زجاجية مقاومة للقلويات بشكل موحد مع معامل مرونة عالي في ملاط الأسمنت أو الخرسانة التقليدية. نظرًا لأن قطر الألياف الزجاجية يتراوح من 5 إلى 20 ميكرومتر فقط، وهو ما يطابق تقريبًا جزيئات الأسمنت، فإن المادة الرابطة المستخدمة في GFRC عبارة عن معجون أسمنتي أو رمل ناعم، مع عدم وجود أي ركام خشن تقريبًا. ولذلك، فإن المواد المركبة المصنوعة من هذه المادة تُعرف أيضًا باسم الأسمنت المسلح. GFRC هو اتجاه التطوير المستقبلي في هندسة البناء. إنها لا تتغلب فقط على عيوب المنتجات الخرسانية التقليدية، مثل الوزن الثقيل، وقوة الشد المنخفضة، ومقاومة الصدمات الضعيفة، ولكنها تمتلك أيضًا خصائص غير موجودة في الخرسانة التقليدية. منتجات GFRC أرق وأخف وزنا. نظرًا لأنها تستخدم ألياف زجاجية ذات قوة شد عالية جدًا كتعزيز، فهي تمتلك قوة شد عالية. التوزيع الموحد للألياف الزجاجية في الخرسانة يمنع تشقق السطح. نظرًا لأنها تمتص قدرًا كبيرًا من الطاقة أثناء التلف، فإنها تظهر مقاومة ممتازة للصدمات وقوة انثناء عالية. توفر منتجات GFRC أيضًا خصائص تشكيل ممتازة وسهلة المعالجة، مما يجعلها قابلة للتكيف بسهولة مع الأشكال المختلفة.
خرسانة من ألياف البولي بروبيلين
خرسانة ألياف البولي بروبيلين هي مادة مركبة مصنوعة من خلال توزيع ألياف البولي بروبيلين المقطوعة بطول محدد بالتساوي داخل ملاط أسمنتي أو مصفوفة خرسانية تقليدية لتعزيز الخواص الفيزيائية والميكانيكية للمصفوفة. توفر هذه الخرسانة المسلحة بالألياف-مزايا مثل الوزن الخفيف وقوة الشد العالية ومقاومة الصدمات والتشققات. يمكن أيضًا أن تحل ألياف البولي بروبيلين محل حديد التسليح جزئيًا لتقليل وزن الخرسانة، وبالتالي زيادة مقاومة الهيكل للزلازل.
تعتبر الخرسانة المصنوعة من ألياف البولي بروبيلين هي الخرسانة الأكثر بحثًا وتطبيقًا على نطاق واسع. اعتمادًا على شكل الألياف وبنيتها، يمكن تصنيف ألياف البولي بروبيلين إلى خيوط أحادية، وحزم ألياف رجفان متوازية، وألياف فيلمية. تتميز الخيوط الأحادية بنسبة أبعاد عالية، في حين يمكن تشتيت حزم الألياف الرجفان المتوازية بسهولة داخل المصفوفة الأسمنتية. في حين أن الترابط الكيميائي محدود، فإن الترابط الميكانيكي قوي، مما يمنع الألياف من الانسحاب تحت الضغط.
في حين أن ألياف البولي بروبيلين تتمتع بقوة شد أعلى من الخرسانة التقليدية، فإن معامل المرونة الخاص بها منخفض نسبيًا، مما يجعلها عرضة للتشوه الشديد في ظل ظروف الضغط العالي. ومع ذلك، عند إضافة كمية مناسبة من ألياف البولي بروبيلين، فإن مقاومة الصدمات لهذه المادة المركبة تكون أكبر بكثير من مقاومة الخرسانة العادية. لقد وجد هذا طريقة واعدة جدًا لإنتاج مكونات ذات أحمال منخفضة ولكن ذات مقاومة عالية للصدمات ومتانة. بالإضافة إلى ذلك، فإن ألياف البولي بروبيلين مقاومة للصدأ-وتتمتع بمقاومة جيدة للأحماض والقلويات.
ألياف البازلت
ألياف البازلت المستمرة (CBF) هي مادة ألياف غير عضوية مصنوعة من الصخور البركانية الطبيعية النقية. يتم سحبه بسرعة بعد صهره عند درجة حرارة عالية تتراوح بين 1450-1500 درجة. إنه ذو مظهر بني ذهبي وأداء شامل ممتاز وسعر منخفض.
خصائص الألياف البازلتية:
(1) طبيعة المواد الخام. وبما أن المواد الخام لإنتاج CBF تعتمد على الصخور البركانية الطبيعية، بالإضافة إلى ثباتها الكيميائي والحراري العالي، فإنها لا تحتوي على أي مكونات ضارة بصحة الإنسان.
(2) الأداء الشامل. تعتبر ألياف البازلت أليافًا "متعددة -" وظيفية حقًا. على سبيل المثال، فهو مقاوم للأحماض-، والقلويات-، و-مقاوم لدرجات الحرارة المنخفضة-، و-مقاوم لدرجات الحرارة العالية-، وعازل للحرارة-، وعازل للكهرباء، وعازل للصوت-. تتجاوز قوة الشد تلك الخاصة بألياف الكربون-القطرية الكبيرة، كما أن استطالتها عند الكسر أفضل من قوة الشد-الصغيرة من ألياف الكربون. يتمتع CBF بسطح قطبي وقابلية ممتازة للتبلل البيني عند تفاقمه بالراتنج. يحتوي CBF أيضًا على -أبعاد جزيئية ثلاثية الأبعاد، والتي تتميز، بالمقارنة مع ألياف البوليمر الخطية ذات الأبعاد الجزيئية-أحادية البعد، بقوة ضغط أعلى، وقوة قص، وقدرة على التكيف مع البيئات القاسية ومقاومة الشيخوخة، من بين خصائص شاملة ممتازة أخرى.
(3) منخفضة التكلفة. سعر ألياف البازلت المستخدمة في الخرسانة الأسمنتية ليس مرتفعًا، وأقل بكثير من سعر ألياف الفولاذ، وألياف الكربون، وما إلى ذلك، ويمكن مقارنته بالألياف الاصطناعية.
(4) التوافق الطبيعي. ألياف البازلت هي ألياف سيليكات نموذجية. من السهل أن تتفرق عند خلطها مع الأسمنت والخرسانة والملاط. تتميز خرسانة ألياف البازلت المخلوطة حديثًا بحجم ثابت وقابلية تشغيل جيدة ومتانة جيدة. إنه يتمتع بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية-، ومقاومة التسرب والتشققات، ومقاومة الصدمات. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر الألياف البازلتية أكثر مقاومة للقلويات-من الزجاج المقاوم للقلويات-.
تطبيقات -الخرسانة المسلحة بالألياف
يتم استخدام الخرسانة المسلحة بالألياف- في مجموعة متنوعة من التطبيقات، اعتمادًا على قدرة المنشئ والباني على استغلال الخصائص الثابتة والديناميكية للمادة. تشمل بعض التطبيقات مدارج الطائرات، ومواقف السيارات، والأرصفة، وبطانات الأنفاق، واستقرار المنحدرات، والأصداف، والجدران، والأنابيب، وأغطية غرف التفتيش، والسدود، والهياكل الهيدروليكية، والجسور، والطرق، والجسور، وأرضيات المستودعات.
تلعب الألياف دورًا حيويًا في تحسين أداء ومتانة الخرسانة. سواء كانت ألياف فولاذية، أو ألياف زجاجية، أو ألياف بولي بروبيلين، أو ألياف طبيعية، فإن كل نوع له مزايا فريدة ومناسب لاحتياجات البناء المختلفة. من خلال تحديد نوع الألياف وكميتها بشكل صحيح، لا يتمكن المهندسون من تحسين مقاومة الخرسانة للتشقق والمتانة والقوة على المدى الطويل-بشكل فعال فحسب، بل يمكنهم أيضًا تقليل تكاليف الصيانة اللاحقة بشكل كبير. مع استمرار تقدم تكنولوجيا البناء، أصبحت الخرسانة المسلحة بالألياف-حلاً رئيسيًا لإنشاء هياكل أقوى وأكثر أمانًا واستدامة.
