قطعت الصين خطوات كبيرة في البحث والتطبيق العملي للتعزيز الهيكلي والتقوية باستخدام مركبات ألياف الكربون. تشمل الطرق الشائعة المستخدمة في الهندسة توسيع القسم، وتغليف الفولاذ، والإجهاد المسبق، وربط الألواح الفولاذية، والربط المركب بألياف الكربون. تعتبر طرق التسليح التقليدية قديمة بشكل عام، مع عمليات وتقنيات بناء معقدة يمكن أن تؤثر على وزن الهيكل والمساحة القابلة للاستخدام. في المقابل، توفر طريقة الربط المركبة بألياف الكربون مزايا مثل القوة العالية والكفاءة ومقاومة التآكل وسهولة البناء وعدم زيادة الأبعاد الهيكلية، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في المشاريع الهندسية.

1. مبادئ تقوية ألياف الكربون المركبة

إن تقوية الهياكل الخرسانية بألياف الكربون هي طريقة حديثة بدأت الأبحاث فيها في الثمانينيات وتم تقديمها إلى الصين في عام 1996. وسرعان ما اكتسبت اهتمامًا في المجتمع الهندسي، وأصبحت موضوعًا ساخنًا للبحث والتطبيق. تتضمن هذه الطريقة ربط مركبات ألياف الكربون بسطح الهياكل الخرسانية، مما يعزز قوتها ويحسن أدائها من خلال العمل التعاوني للألياف والهيكل.

2. المواد المركبة من ألياف الكربون

المواد الأساسية المستخدمة لتعزيز وإصلاح الهياكل الخرسانية بمركبات ألياف الكربون هي أقمشة ألياف الكربون والراتنجات المتوافقة. تُعرف مركبات ألياف الكربون بقوتها العالية، ومعامل المرونة العالي، ووزنها الخفيف، ومقاومتها الممتازة للتآكل، مع قوة شد تبلغ حوالي عشرة أضعاف قوة قضبان الفولاذ العادية. تشمل الراتنجات المتوافقة الراتنجات الأساسية وراتنجات التسوية وراتنجات الترابط. تعمل هذه الراتنجات على تحسين جودة ترابط ألياف الكربون وتساعد على تكوين جسم مادي مركب مع الخرسانة، مما يعزز مقاومة الهيكل للانحناء والقص.

2.1 أقمشة ألياف الكربون

يمكن تصنيف أقمشة ألياف الكربون بناءً على موادها الخام إلى أقمشة تعتمد على مِقلاة، وأقمشة فيسكوز، وأقمشة على أساس الأسفلت. كما أنها تختلف أيضًا حسب المواصفات، بما في ذلك 1K، 3K، 6K، 12K، و24K أو أكبر من أقمشة ألياف الكربون، ومن خلال عملية الكربنة إلى أقمشة جرافيتية، متفحمة، ومسبقة الأكسدة. بالإضافة إلى ذلك، فهي تختلف في طرق النسج، مثل الأقمشة المنسوجة، والتريكو، والمضفرة، والمشربة مسبقًا.

2.2 مواد الربط

تشمل المواد اللاصقة المستخدمة في تقوية مركب ألياف الكربون ثلاثة أنواع: التمهيدي (الراتنج الأساسي)، وراتنج الإصلاح (مادة التسوية أو المعجون)، والراتنج المشرب. يعمل التمهيدي على تقوية السطح الخرساني، مما يعزز الرابطة بين الخرسانة ومركبات ألياف الكربون. يعمل راتينج الإصلاح على تسوية السطح الخرساني، مما يسهل التصاق صفائح ألياف الكربون. يربط الراتينج المشرب ألياف الكربون معًا وبالخرسانة، مما يشكل مادة مركبة تقاوم القوى الخارجية. يعد أداء الراتنج المشرب أمرًا بالغ الأهمية للتعزيز الفعال للهياكل الخرسانية.

3. الأداء المتفوق للهياكل الخرسانية المسلحة بمركب ألياف الكربون

• قوة عالية ومعامل مرن:توفر مركبات ألياف الكربون قوة شد عالية، تعادل حوالي عشرة أضعاف قوة الفولاذ، ومعامل مرونة مماثل للفولاذ.

• مقاومة التآكل والمتانة:تتميز مركبات ألياف الكربون بأنها مستقرة كيميائيًا ولا تتفاعل مع الأحماض أو القلويات أو الأملاح، مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل ومتانة للهياكل المعززة.

• معامل التمدد الحراري المنخفض:تتمتع مركبات ألياف الكربون بمعامل تمدد حراري منخفض جدًا، يصل إلى الصفر تقريبًا في اتجاه الألياف.

• سهولة البناء والكفاءة العالية:لا يتطلب التعزيز بأقمشة ألياف الكربون آلات ثقيلة أو معدات كبيرة، ويشغل مساحة صغيرة، ويسمح بالقطع المرن والتركيب السريع.

• جودة البناء المضمونة:تتميز أقمشة ألياف الكربون بالمرونة، ويمكنها الالتصاق جيدًا بالأسطح غير المستوية بعد الإصلاحات، مما يحقق معدل التصاق فعال يزيد عن 95%.

• الحد الأدنى من التأثير على الهياكل:الوزن الخفيف والشكل الرفيع لمركبات ألياف الكربون لا يزيد بشكل كبير من وزن أو أبعاد الهيكل الأصلي، مما يحافظ على المساحة القابلة للاستخدام.

• مجموعة واسعة من التطبيقات:مناسبة لتعزيز أنواع مختلفة من الهياكل والأشكال والمواد ونقاط الضعف المختلفة في العناصر الهيكلية.

4. تطبيقات تقوية ألياف الكربون المركبة في الهياكل الخرسانية

في الهندسة العملية، يتم استخدام أقمشة ألياف الكربون في المقام الأول للتعزيز. التكنولوجيا ناضجة ويتم تطبيقها على نطاق واسع في عدة مجالات:

• تعزيز قدرة القص:تساهم أقمشة ألياف الكربون في مقاومة القص المشابهة للركاب وتساعد على منع الخضوع المبكر للتسليح الرئيسي عن طريق تقييد الخرسانة وتحمل إجهاد الشد.

• زيادة قدرة الانحناء:من خلال ربط أقمشة ألياف الكربون بسطح الشد للعناصر الهيكلية، يتم تحسين قدرتها على الانحناء بشكل ملحوظ.

• تحسين الأداء الزلزالي:يمكن لأقمشة ألياف الكربون أن تعزز الليونة وقدرة امتصاص الطاقة للعناصر الخرسانية، خاصة في وصلات أعمدة العوارض والأعمدة تحت الحمل المحوري، مما يوفر تعزيزًا زلزاليًا ممتازًا.

• تعزيز مقاومة التعب:تحافظ العوارض الخرسانية المسلحة والعوارض الخرسانية سابقة الإجهاد المقواة بأقمشة ألياف الكربون على القوة والصلابة بعد دورات التحميل المتكررة، مما يؤدي إلى إطالة عمر التعب بشكل كبير وتقليل التشوه.

5. حدود تقوية مركبات ألياف الكربون في الهياكل الخرسانية

• هشاشة:ألياف الكربون مرنة خطية وهشة، وتتطلب تشوهًا كبيرًا في الهيكل للاستفادة الكاملة من خصائصها.

• قضايا الالتصاق:يمكن أن تتعرض تقوية ألياف الكربون لفشل في الترابط، مما يؤدي إلى أوضاع فشل هشة في الهياكل الخرسانية المسلحة.

• أبحاث محدودة حول الأداء طويل المدى:هناك نقص في الأبحاث حول أداء الخرسانة المسلحة بألياف الكربون تحت الأحمال طويلة المدى والصدمات.

• الفجوات النظرية:في حين أن هناك بحثًا مكثفًا حول آليات تقوية القص والانحناء لمواد ألياف الكربون في العوارض والأعمدة، إلا أن هناك فهمًا محدودًا لتطبيقها في جدران القص.

بشكل عام، توفر تقنية التعزيز المركبة بألياف الكربون فوائد اقتصادية واجتماعية وبيئية كبيرة. ومع تطور مواد ألياف الكربون، وانخفاض تكاليف الإنتاج، والأبحاث المستمرة، ستشهد هذه التكنولوجيا تطبيقًا متزايدًا في تقوية الهيكل الخرساني، مما يعد بمستقبل مشرق.