Shandong Jiurunfa Chemical Technology Co., Ltd. manager@chemical-sales.com 86-153-18854848
يعتبر الخرسانة أساس البناء الحديث، مع التركيز الأساسي على التحسينات المستمرة في أدائها في الهندسة. لقد أدى ظهور الخرسانة المسلحة بالألياف (FRC) إلى جلب حيوية جديدة لهذه المادة الأساسية. ومع ذلك، فإنه يثير أيضًا أسئلة عديدة: ما هي الألياف بالضبط؟ ما الذي يميز الألياف الكبيرة عن الألياف الدقيقة؟ كيف ينبغي اختيار نوع الألياف والجرعة المناسبة؟ تقدم هذه المقالة استكشافًا متعمقًا للخرسانة المسلحة بالألياف، معالجة المخاوف العملية المتعلقة بالتطبيق وتقديم التوجيهات لبناء مباني أكثر متانة ودائمة.
تلعب الألياف دورًا حاسمًا في الخرسانة، حيث تعمل كمواد تقوية بدلاً من مجرد إضافات. كما هو محدد في ACI CT-18 (مصطلحات الخرسانة)، تعمل الألياف على سد الشقوق، وربط الخرسانة معًا وتعزيز أدائها العام بشكل كبير.
يكمن التمييز الأساسي بين الألياف الكبيرة والألياف الدقيقة في حجمها، والذي يتم قياسه عادةً بالقطر المكافئ أو الكثافة الخطية. في صناعة FRC، غالبًا ما يتم التعبير عن الكثافة الخطية بالدينير، والتي تمثل كتلة (بالجرام) من 9000 متر من الألياف.
تشمل الاختلافات الرئيسية بين الألياف الدقيقة والألياف الكبيرة:
توجد أنواع مختلفة من الألياف الكبيرة الاصطناعية، ولكل منها مزايا فريدة. بالإضافة إلى الخصائص الفيزيائية مثل قوة الشد أو معامل المرونة أو تكوين المواد أو الشكل، تشمل الاختلافات الأقل وضوحًا أداء الخلط، والنزعة إلى التكوير، وجودة التشطيب السطحي، وخصائص الترابط مع الخرسانة.
يكمن مفتاح الاستخدام الناجح للألياف الكبيرة الاصطناعية في اختيار الجرعات المناسبة التي تلبي متطلبات الأداء واحتياجات قابلية التشغيل/التشطيب. قد تتطلب الألياف الأقوى أو تلك التي تتمتع بخصائص ترابط أفضل كمية أقل من المواد من البدائل الأضعف. يجب على الشركات المصنعة توفير بيانات الاختبار لدعم توصيات الجرعات، مع التوصية بإجراء اختبارات تجريبية عند وجود شكوك.
تتحكم الألياف الدقيقة في المقام الأول في تشقق الانكماش البلاستيكي. تظهر الأبحاث أنها توفر قدرة تحمل حمل ضئيلة في الخرسانة المتصلبة عند الجرعات النموذجية. يمكن أن تؤدي جرعات الألياف الدقيقة الأعلى إلى تعقيد الخلط بسبب زيادة عدد الألياف والمساحة السطحية، مما قد يتسبب في مشاكل في قابلية التشغيل وفقدان كبير في الهبوط.
بالمقارنة مع الألياف الأقصر من نفس النوع، تتمتع الألياف الأطول بمساحة سطح أكبر، مما يحسن التثبيت في الخرسانة المتصلبة ويعزز الأداء بعد التشقق عند الجرعات المكافئة. ومع ذلك، يوجد طول مثالي لكل نوع من الألياف، اعتمادًا على الشكل المحدد وخصائص الصلابة وقوة انضغاط الخرسانة.
تساعد الخلطات التجريبية قبل المشروع والتي تأخذ في الاعتبار طرق التثبيت ومتطلبات التشطيب في تحديد أطوال الألياف المثالية، مما يمنع مشكلات مثل التكوير أو بروز الألياف السطحية.
يمكن للألياف الكبيرة الاصطناعية (خاصة الخيوط الأحادية الكبيرة والخشنة) أن توفر قوة متبقية مماثلة للألياف الفولاذية، اعتمادًا على الجرعة. يجب أن تؤثر عوامل أخرى مثل التشوه المتوقع والظروف البيئية أيضًا على اختيار الألياف. بالنسبة لبعض التطبيقات الهيكلية التي تتطلب أليافًا فولاذية، لم يتم التحقق من صحة البدائل الاصطناعية.
في حين أن الألياف الكبيرة الاصطناعية عادة ما يكون لها قوة شد ومعامل مرونة أقل من الألياف الفولاذية، فإنها توفر أليافًا أكثر بكثير لسد الشقوق المحتملة. عند الجرعات الصحيحة، يجب أن تكون سعة نقل الإجهاد الكلية عبر الشقوق مكافئة. تعتمد القوة المقطعية الفعالة أيضًا على جودة رابطة مصفوفة الألياف — فالألياف عالية القوة ذات الترابط غير الكافي تجعل مرشحين ضعفاء للتقوية. يعكس أداء FRC السلوك المركب، وليس خصائص الألياف الفردية.
تشتمل الخرسانة المسلحة بالألياف (FRC) على ألياف منفصلة (عادة ما تصل إلى 2.5 بوصة أو 64 مم) في خرسانة الأسمنت الهيدروليكي. تستخدم البوليمرات المقواة بالألياف (FRP) أليافًا أطول بشكل كبير مضمنة في مصفوفات البوليمر بدون أسمنت أو ركام.
تعتمد كميات الألياف المطلوبة على معايير أداء FRC المحددة. بالنسبة للألياف الدقيقة التي تتحكم في الانكماش البلاستيكي، توجه نسب تقليل الشقوق (CRR) تحديد الجرعة لكل ASTM C1579. بالنسبة للألياف الكبيرة في الخرسانة المتصلبة، يجب أن تلبي الجرعات القوة المتبقية المحددة (ASTM C1399)، أو القوة الانحنائية المكافئة بعد التشقق (ASTM C1609)، أو قدرة امتصاص الطاقة (ASTM C1550)، مع مراعاة نوع/سمك العنصر، وقوة الخرسانة، ومواصفات التقوية، ومتطلبات التحميل.
يوفر العديد من الموردين أدوات تصميم (خاصة للألواح) لحساب الجرعات المناسبة.
بالنسبة للألواح، يتم تحديد الحد الأدنى من الجرعات عادةً من قبل الشركات المصنعة بناءً على اختبار المنتج القياسي لتلبية المتطلبات أو معايير الصناعة.
تحدد ANSI/SDI C-2017 للأسطح المعدنية المركبة الحد الأدنى من جرعات الألياف الكبيرة البالغ 4.0 رطل/ياردة مكعبة (2.4 كجم/متر مكعب) للألياف الاصطناعية و 25.0 رطل/ياردة مكعبة (14.8 كجم/متر مكعب) للألياف الفولاذية عند استخدامها للتحكم في درجة الحرارة/الانكماش. بموجب متطلبات UL، تبلغ الحدود القصوى 5.0 رطل/ياردة مكعبة (3.0 كجم/متر مكعب) للألياف الاصطناعية و 66.0 رطل/ياردة مكعبة (39.2 كجم/متر مكعب) للألياف الفولاذية. لا تحل تقوية الألياف حاليًا محل الفولاذ ذي العزم السالب في تجميعات الأسطح المركبة.
لا يُنصح باستخدام الجرعات التي تقل عن توصيات الشركة المصنعة أو متطلبات الكود. يجب على المهندسين استشارة الشركات المصنعة للألياف عندما يكونون غير متأكدين بشأن التطبيقات أو الجرعات.
توفر العديد من المصادر إرشادات التصميم للخرسانة المقواة بالألياف الكبيرة في تطبيقات هيكلية مختلفة:
يمكن لمصنعي الألياف تقديم إرشادات إضافية خاصة بالمنتج.
يجب أن تكون مواصفات FRC للألياف الكبيرة قائمة على الأداء ومحددة للتطبيق، باستخدام طرق معتمدة من ACI 544.4R لحساب المعلمات المميزة مثل:
نموذج المواصفات: "يجب أن توفر جرعة الألياف قوة متبقية لا تقل عن 200 رطل لكل بوصة مربعة (1.4 ميجا باسكال) في خرسانة 4000 رطل لكل بوصة مربعة (28 ميجا باسكال)." يجب التحقق من الامتثال من خلال بيانات اختبار الشركة المصنعة وفقًا لمعايير ASTM ذات الصلة.
بالنسبة للخرسانة المرشوشة، يتم تحديد أداء الخرسانة المرشوشة المقواة بالألياف (FRS) من خلال قدرة امتصاص الطاقة (ASTM C1550 أو EN 14488-5). نموذج المواصفات: "يجب أن توفر جرعة الألياف امتصاص طاقة لا يقل عن 280 جول في 7 أيام في خرسانة مرشوشة 4000 رطل لكل بوصة مربعة (28 ميجا باسكال)."
يمكن تقييم أداء FRC بعد التشقق عبر ASTM C1609 أو C1399 أو C1550 (امتصاص الطاقة). يجب على المهندسين تحديد القيم المناسبة بناءً على التصميم المقصود ومستويات الأداء المطلوبة، مع الرجوع إلى ACI 544.4R للحصول على الإرشادات.
قد تتآكل بعض الألياف (مثل الفولاذ) بالقرب من الأسطح الخرسانية في البيئات المعرضة. في حين أن هذا التآكل الموضعي لا يعرض السلامة الهيكلية للخطر، يجب تقييم تأثيره الجمالي مسبقًا. الألياف الاصطناعية والطبيعية غير قابلة للتآكل وخاملة كيميائيًا، ولا تتأثر بالظروف البيئية.
في حين أن الألياف لا تزيد عادةً من قوة الانحناء للتشقق الأول للخرسانة (معامل الكسر، ASTM C78)، فإنها تعزز السعة الانحنائية للألواح وقوة الإجهاد. تمكن قيم المتانة الخاصة بالألياف المناسبة أقسام الخرسانة الرقيقة من دعم أحمال التصميم.
تسمح ANSI/SDI C-2017 للألياف الكبيرة الفولاذية أو الاصطناعية (بجرعات تحددها الشركة المصنعة وتفي بالحد الأدنى من المتطلبات) باستبدال تقوية الأسلاك الملحومة (WWR) للتحكم في الشقوق، وليس مقاومة الإجهاد الهيكلي.
بموجب تقييمات UL و ICC-ES، يتم التعرف على بعض الألياف الدقيقة كبدائل WWR في تجميعات الأرضيات/الأسقف المصنفة للحريق المحددة.
حدثت هذه المشكلة التاريخية في المقام الأول مع الألياف الدقيقة الاصطناعية عند استخدام تقنيات تشطيب غير صحيحة. تعمل الألياف الدقيقة أحادية الشعيرة الحديثة (التي تقتصر عادةً على 1.0–1.5 رطل/ياردة مكعبة أو 0.6–0.9 كجم/متر مكعب) والألياف الكبيرة على تقليل هذا التأثير. ينتج عن الخلط والوضع والتشطيب المناسبين أسطح ممتازة. لا يعرض بروز الألياف السطحية سلامة اللوح للخطر — يمكن لمشاعل الوردة أن تذيب الألياف المكشوفة إذا ظهرت مخاوف جمالية.
في حين أن بعض المواد الاصطناعية (مثل النايلون) تمتص كميات صغيرة من ماء الدُفعة، فإن ألياف البولي بروبيلين/البولي إيثيلين الشائعة كارهة للماء. ينتج انخفاض الهبوط الظاهر عند الجرعات الأعلى من عمل الألياف كعوامل تماسك بدلاً من امتصاص الماء.
يؤدي إضافة الماء إلى تقليل قوة الخرسانة. عندما يؤثر المحتوى العالي من الألياف على قابلية التشغيل، يجب استخدام المواد المضافة الكيميائية — وليس الماء الإضافي.
تختلف نقاط الإضافة المثالية حسب شكل الألياف وصلابتها وجرعتها — فالبعض يؤدي أفضل أداء كمكونات أولى، والبعض الآخر بعد تحميل جميع المواد. يمكن للمصنعين تقديم التوجيهات، مع التوصية بإجراء تجارب قبل المشروع لتحديد التوقيت الأمثل للإضافة ومدة الخلط.
بالنسبة للخرسانة العادية، يوصى عادةً بـ 4–5 دقائق من الخلط بعد إضافة جميع المكونات لعمليات الخلط الجاهزة.
قد تتكوّر جميع أنواع الألياف بسبب عدم كفاية الخلط أو التسلسل غير الصحيح أو الإضافة إلى الخلطات شديدة الجفاف التي تفتقر إلى المواد الناعمة الكافية لتغطية الألياف. تساعد التجارب قبل المشروع في التحقق من توافق المزيج مع نوع الألياف والجرعة المقصودة.
تعتمد تأثيرات الهبوط على:
لاحظ أن قياسات مخروط الهبوط تشير إلى اتساق الدُفعة، وليس بالضرورة إلى قابلية التشغيل الفعلية. في حين أن الهبوط المرئي قد يبدو منخفضًا، فقد تتأثر قابلية التشغيل الفعلية بشكل أقل. تحدد التجارب قبل المشروع ما إذا كانت هناك حاجة إلى تعديلات في قابلية التشغيل.
قد تؤثر الألياف الدقيقة على الهبوط أكثر من الألياف الكبيرة عند نسب الطول إلى القطر والجرعات المكافئة بسبب ارتفاع عدد الألياف لكل رطل. بشكل عام:
يجب أن تعوض الملدنات (مخفضات المياه متوسطة أو عالية النطاق) فقدان الهبوط. قد تكون تعديلات المزيج ضرورية عند الجرعات العالية لضمان محتوى معجون كافٍ. تجنب الماء الزائد لمنع تقليل القوة والانفصال.
بشكل عام، لا تؤثر الألياف الكبيرة سلبًا على محتوى الهواء أو قوة الانضغاط. غالبًا ما تنبع التغييرات المتصورة من الإفراط في الخلط أو إضافة الماء أو اختلافات درجة الحرارة أو قياس الرطوبة غير الصحيح في الركام. قد ترتبط تقلبات الهواء أيضًا بالتغيرات الفعلية في الهبوط. قد تؤدي بعض المعالجات السطحية التاريخية للألياف إلى إدخال هواء غير مرغوب فيه، لكن هذا نادر الآن.
تعتمد التغييرات في وزن الوحدة على نوع الألياف وتعديلات تصميم المزيج. لا تغير الألياف الاصطناعية عادةً وزن الوحدة إذا ظل محتوى الهواء ثابتًا. قد تزيد الألياف الفولاذية عالية الكثافة من وزن الوحدة اعتمادًا على جزء الحجم وتعديلات المزيج.
في الخرسانة ذات الوزن العادي، لا تطفو الألياف المختلطة والمناسبة بشكل صحيح ولا تغرق بسبب الثقل النوعي للمادة ولزوجة الخرسانة المختلطة. تساعد الألياف بالفعل في تعليق الركام الأكبر ومنع الانفصال.
متوافق بشكل عام، ولكن قد تؤثر بعض مواد المعالجة أو التشطيبات الدورانية للألياف على المواد الكيميائية الخرسانية الأخرى. تحقق دائمًا مع الشركات المصنعة للألياف.
