الخرسانة المسلحة بالألياف

الخرسانة المسلحة بالألياف ( FRC ) هي خرسانة تحتوي على مواد ليفية تزيد من متانتها الهيكلية. تتكون من ألياف قصيرة منفصلة موزعة بانتظام وعشوائية التوجيه. تشمل هذه الألياف أليافًا فولاذية، وأليافًا زجاجية ، وأليافًا صناعية ، وأليافًا طبيعية ^{[ 1 ]} ، حيث تُضفي كل منها خصائص مختلفة على الخرسانة. ^{[ 2 ]} بالإضافة إلى ذلك، تتغير خصائص الخرسانة المسلحة بالألياف بتغير أنواع الخرسانة، ومواد الألياف، وأشكالها الهندسية، وتوزيعها، وتوجيهها، وكثافتها. ^{[ 3 ]}

إن فكرة استخدام الألياف كعنصر تقوية ليست جديدة، فقد استُخدمت الألياف في هذا المجال منذ القدم. ^{[ 4 ]} تاريخيًا، استُخدم شعر الخيل في الملاط ^{[ 5 ]} والقش في الطوب اللبن . وفي مطلع القرن العشرين، استُخدمت ألياف الأسبستوس في الخرسانة. وفي خمسينيات القرن نفسه، ظهر مفهوم المواد المركبة ، وكانت الخرسانة المسلحة بالألياف من بين المواضيع التي حظيت باهتمام كبير. وبمجرد اكتشاف المخاطر الصحية المرتبطة بالأسبستوس، برزت الحاجة إلى إيجاد بديل لهذه المادة في الخرسانة ومواد البناء الأخرى. وبحلول ستينيات القرن العشرين، استُخدمت ألياف الصلب ^{[ 6 ]} والزجاج ( الخرسانة المسلحة بالألياف الزجاجية ) والألياف الاصطناعية (مثل البولي بروبيلين ) في الخرسانة. ولا تزال الأبحاث جارية حتى اليوم لتطوير أنواع جديدة من الخرسانة المسلحة بالألياف.

تُستخدم الألياف عادةً في الخرسانة للتحكم في التشققات الناتجة عن الانكماش اللدن والانكماش الناتج عن الجفاف. كما أنها تُقلل من نفاذية الخرسانة، وبالتالي تُقلل من نزف الماء . ^{[ 7 ]} تُنتج بعض أنواع الألياف مقاومة أكبر للصدمات والتآكل والتفتت في الخرسانة. ^{[ 8 ]} يمكن للألياف الفولاذية أو الاصطناعية الأكبر حجمًا أن تحل محل قضبان التسليح أو الفولاذ تمامًا في بعض الحالات. حلت الخرسانة المُدعمة بالألياف محل قضبان التسليح بشكل شبه كامل في صناعة الإنشاءات تحت الأرض، مثل قطاعات الأنفاق، حيث تُدعم جميع بطانات الأنفاق تقريبًا بالألياف بدلًا من استخدام قضبان التسليح. قد يعود ذلك جزئيًا إلى مشاكل تتعلق بأكسدة أو تآكل حديد التسليح. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} يمكن أن يحدث هذا في المناخات المعرضة للماء أو الرطوبة الشديدة والمتكررة، كما هو الحال في انهيار مبنى سيرفسايد . في الواقع، تُقلل بعض الألياف من مقاومة الخرسانة للضغط. ^{[ 12 ]} يمكن أن تتحلل الألياف الليغنوسليلوزية في مصفوفة الأسمنت بسبب تحلل الليغنين والهيميسليلوز. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

تُعبّر كمية الألياف المضافة إلى الخلطة الخرسانية عن نسبة مئوية من الحجم الكلي للمركب (الخرسانة والألياف)، وتُسمى "النسبة الحجمية" (Vf ₎ . تتراوح _Vf عادةً بين 0.1 و3%. تُحسب نسبة الطول إلى القطر (l/d) بقسمة طول الليف (l) على قطره (d). تُستخدم الألياف ذات المقطع العرضي غير الدائري قطرًا مكافئًا لحساب نسبة الطول إلى القطر. إذا كان معامل مرونة الليف أعلى من معامل مرونة المادة الرابطة (الخرسانة أو الملاط )، فإنه يُساعد على تحمل الحمل عن طريق زيادة مقاومة الشد للمادة. عادةً ما تؤدي زيادة نسبة الطول إلى القطر للألياف إلى تحسين مقاومة الانحناء ومتانة المادة الرابطة. يؤدي الطول الأكبر إلى تحسين المادة الرابطة داخل الخرسانة، بينما يؤدي القطر الأصغر إلى زيادة عدد الألياف. لضمان فعالية كل خيط من الألياف، يُنصح باستخدام ألياف أطول من الحد الأقصى لحجم الركام. تحتوي الخرسانة العادية على ركام بقطر مكافئ 19 مم (0.75 بوصة)، يشكل ما بين 35 و45% من الخرسانة. وتكون الألياف التي يزيد طولها عن 20 مم (0.79 بوصة) أكثر فعالية. مع ذلك، فإن الألياف الطويلة جدًا والتي لم تُعالج بشكل صحيح أثناء التصنيع تميل إلى التكتل في الخليط، مما يُسبب مشاكل في قابلية التشغيل.    

تُضاف الألياف لزيادة متانة الخرسانة على المدى الطويل. يتحلل الزجاج ^{[ 15 ]} والبوليستر ^{[ 16 ]} في الوسط القلوي للخرسانة، بالإضافة إلى العديد من الإضافات ومعالجات سطح الخرسانة.

تضمنت بطانات نفق الخط السريع 1 خرسانة تحتوي على 1 كجم /  م³ ^أو أكثر من ألياف البولي بروبيلين، بقطر 18 و32  ميكرومتر، مما يوفر المزايا المذكورة أدناه. ^{[ 17 ]} إن إضافة ألياف البولي بروبيلين ذات القطر الدقيق لا توفر فقط تقوية لبطانة النفق، بل تمنع أيضًا "التقشر" وتلف البطانة في حالة نشوب حريق نتيجة حادث. ^{[ 18 ]}

يمكن للألياف الزجاجية أن:

• تحسين قوة الخرسانة بتكلفة منخفضة.
• يضيف تقوية الشد في جميع الاتجاهات، على عكس حديد التسليح.
• أضف لمسة جمالية حيث أنها مرئية في سطح الخرسانة النهائي.

يمكن لألياف البولي بروبيلين ^{[ 19 ]} والنايلون أن :

• تحسين تماسك الخليط، مما يحسن قابلية الضخ لمسافات طويلة
• تحسين مقاومة التجمد والذوبان
• تحسين مقاومة التفتت الانفجاري في حالة نشوب حريق شديد ^{[ 20 ]}
• تحسين مقاومة الصدمات والتآكل
• زيادة مقاومة انكماش البلاستيك أثناء المعالجة
• تحسين القوة الهيكلية
• تقليل متطلبات تقوية الفولاذ
• تحسين الليونة
• تقليل عرض الشقوق والتحكم في عرضها بإحكام، مما يحسن المتانة

يمكن للألياف الفولاذية أن:

• تحسين القوة الهيكلية
• تقليل متطلبات تقوية الفولاذ
• تقليل عرض الشقوق والتحكم في عرضها بإحكام، مما يحسن المتانة
• تحسين مقاومة الصدمات والتآكل
• تحسين مقاومة التجمد والذوبان

يمكن للألياف الطبيعية (اللجنو السليلوزية، LC) و/أو الجسيمات ما يلي: ^{[ 21 ] [ 22 ]}

• تحسين الليونة
• المساهمة في مكافحة التشققات من خلال التجسير
• تقليل الأثر البيئي السلبي للمواد (GWP - إمكانية الاحترار العالمي)
• إنقاص الوزن
• يمكن أن تتحلل ألياف وجزيئات LC (النباتية) في مصفوفة الأسمنت ^{[ 23 ] [ 24 ]}

غالباً ما تُستخدم مزيجات من الألياف الفولاذية والبوليمرية في مشاريع البناء من أجل الجمع بين مزايا كلا المنتجين؛ التحسينات الهيكلية التي توفرها الألياف الفولاذية ومقاومة التفتت الانفجاري وتحسينات الانكماش البلاستيكي التي توفرها الألياف البوليمرية.

في ظروف محددة، يمكن للألياف الفولاذية أو الألياف الاصطناعية الكبيرة ^{[ 25 ]} أن تحل محل قضبان التسليح الفولاذية التقليدية (" حديد التسليح ") في الخرسانة المسلحة بشكل كامل. ويشيع هذا الاستخدام في أرضيات المنشآت الصناعية، وكذلك في بعض تطبيقات الصب المسبق الأخرى. وعادةً ما يتم التحقق من ذلك من خلال اختبارات معملية للتأكد من استيفاء متطلبات الأداء. وينبغي الحرص على ضمان استيفاء متطلبات كود التصميم المحلي، الذي قد يفرض حدًا أدنى لكميات التسليح الفولاذي داخل الخرسانة. ويتزايد عدد مشاريع الأنفاق التي تستخدم قطاعات تبطين مسبقة الصب مُدعمة بالألياف الفولاذية فقط.

كما تم اختبار قضبان التسليح الدقيقة واعتمادها مؤخرًا لاستبدال التسليح التقليدي في الجدران الرأسية المصممة وفقًا للفصل 14 من ACI 318. ^{[ 26 ]}

يحمي ما لا يقل عن نصف الخرسانة في عنصر بناء نموذجي حديد التسليح من التآكل. ويمكن أن يؤدي استخدام الألياف فقط كحديد تسليح في الخرسانة إلى توفير كمية الخرسانة، وبالتالي الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري المرتبطة بها. ^{[ 27 ]} ويمكن تشكيل الخرسانة المسلحة بالألياف بأشكال متعددة، مما يمنح المصممين والمهندسين مرونة أكبر.

تُزعم الخرسانة المسلحة بالألياف عالية الأداء (HPFRC) قدرتها على تحمل التصلب الإجهادي حتى نسبة إجهاد تصل إلى عدة بالمئة، مما ينتج عنه مرونة للمادة أعلى بمرتبتين على الأقل مقارنةً بالخرسانة العادية أو الخرسانة المسلحة بالألياف القياسية. ^{[ 28 ]} كما تتميز HPFRC بسلوك تشقق فريد. فعند تحميلها بما يتجاوز نطاق المرونة، تحافظ HPFRC على عرض الشقوق أقل من 100  ميكرومتر، حتى عند تعرضها لإجهادات شد تصل إلى عدة بالمئة. وقد أظهرت نتائج ميدانية أجريت على HPFRC بالتعاون مع وزارة النقل في ميشيغان ظهور تشققات مبكرة. ^{[ 29 ]}

أظهرت دراسات حديثة أجريت على الخرسانة المسلحة بالألياف عالية الأداء في سطح جسر أن إضافة الألياف تُحسّن المقاومة المتبقية وتُقلل من التشققات. ^{[ 30 ]} وقد لوحظ وجود عدد أقل من التشققات وأضيق في الخرسانة المسلحة بالألياف، على الرغم من أن انكماشها كان أكبر من العينة المرجعية. وتتناسب المقاومة المتبقية طرديًا مع نسبة الألياف.

أصبح استخدام الألياف الطبيعية موضوعًا بحثيًا نظرًا لتأثيرها البيئي الإيجابي المتوقع، وإمكانية إعادة تدويرها، وجدواها الاقتصادية. ^{[ 31 ] [ 32 ]} ويُعدّ تحلل الألياف الطبيعية وجزيئاتها في مصفوفة الأسمنت مصدر قلق. ^{[ 33 ]}

أُجريت بعض الدراسات باستخدام ألياف السجاد المُستعملة في الخرسانة كاستخدام صديق للبيئة لنفايات السجاد المُعاد تدويرها. ^{[ 34 ]} يتكون السجاد عادةً من طبقتين: طبقة داعمة (عادةً ما تكون من خيوط شريط البولي بروبيلين)، موصولة بمطاط لاتكس _{ستايرين} -بوتادين (SBR) مملوء بكربونات الكالسيوم، وطبقة خارجية من الألياف (معظمها من خيوط النايلون 6 والنايلون 66 المُحكمة). يمكن استخدام ألياف النايلون والبولي بروبيلين هذه لتقوية الخرسانة. وتظهر أفكار أخرى لاستخدام مواد مُعاد تدويرها كألياف، مثل ألياف البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) المُعاد تدويرها. ^{[ 35 ]}

• البلاستيك المقوى بالألياف
• البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية
• الخرسانة المسلحة
• الخرسانة المرشوشة المقواة بالألياف الفولاذية
• الخرسانة المسلحة بالنسيج