الأداء الانحنائي لعوارض الخرسانة المسلحة المعززة بألShield CFF وSCCFL تحت تحميل دوري

جسور ومباني أقوى لعالم يهتز

العديد من الجسور والمباني الخرسانية التي نعتمد عليها يومياً تتآكل بصمت تحت تأثير المرور والرياح وحتى الزلازل الخفيفة. هدمها وإعادة بنائها مكلف ومزعج، لذلك يبحث المهندسون عن طرق ذكية لإعطاء المنشآت القديمة حياة ثانية. تستكشف هذه الدراسة كيف يمكن لصقات رقيقة من ألياف الكربون — بعضها مطلي بالسيليكون — أن تُلصق بأسفل العوارض الخرسانية المسلحة لجعلها أقوى وأكثر ديمومة عندما تتعرض للشد والضغط بشكل متكرر، كما يحدث في المنشآت الفعلية أثناء الخدمة.

وضع "ضمادة" تقنية للعناصر الخرسانية المتعبة

تحتوي العوارض الخرسانية الحديثة عادةً على قضبان فولاذية مخفية من الداخل لتحمل الشد، ولكن مع مرور الوقت قد تتآكل هذه القضبان أو تتشقق العوارض تحت الأحمال المتكررة الكبيرة. بدلاً من إضافة دعامات جديدة ضخمة، يمكن للمهندسين الآن ربط صفائح مرنة من ألياف الكربون بسطح العارضة الخارجي، كما لو كانوا يضعون ضمادة طبية قوية. ألياف الكربون خفيفة للغاية ومع ذلك أقوى من الفولاذ في الشد، ولا تصدأ. في هذا العمل قارن الباحثون بين مادتين من هذا النوع: نسيج كربوني تقليدي وطبقة رقيقة أحدث مطلية بالسيليكون. تهدف طبقة السيليكون إلى تحسين الالتصاق بين الكربون والخرسانة وحمايته من العوامل البيئية.

كيف اختبر الفريق العوارض المعززة

صب الباحثون خمسة عشر عارضة خرسانية بأحجام مشابهة لتلك المستخدمة في الجسور الصغيرة أو أرضيات المباني. تركت ثلاث عوارض كما هي لتعمل كعينة تحكم. عُززت العوارض الأخرى بلصق طبقة واحدة أو طبقتين من نسيج ألياف الكربون أو من صفائح الكربون المطلية بالسيليكون على الجهة السفلية — الجهة التي تُشد عندما تنحني العارضة. وُضعت جميع العوارض بعد ذلك في إطار اختبار وتحميلها مراراً عند نقطتين على طولها. زاد وانخفض الحمل ببطء في دورات، بينما سجلت الأجهزة مقدار انحناء العوارض، وانتشار الشقوق، ومدى احتفاظها بالصلابة، وكمية الطاقة التي امتصتها قبل أن تتعرض لأضرار جسيمة.

ما حدث تحت التحميل المتكرر

تفوقت العوارض المعززة بوضوح على العوارض الخرسانية العادية. حملت العوارض المزوّدة بطبقة واحدة من نسيج ألياف الكربون نحو ثلث حمل أكثر من عوارض التحكم، وحققت العوارض ذات الطبقتين أداءً أفضل. كانت الصفائح المطلية بالسيليكون أكثر إثارة للإعجاب: سمحت طبقة واحدة للعوارض بتحمل حمل أعلى بنحو ثلثي الحمل مقارنة بعوارض التحكم، وطبقتان كادتا تضاعفان سعة التحميل. هذه العوارض المطورة انحنت أيضاً أقل تحت نفس الحمولة، وأظهرت شقوقاً أصغر وأكثر تلاصقاً، وأخّرت ظهور أول شق مرئي من نحو 1.5 كيلونيوتن في عوارض التحكم إلى أكثر من 4.5 كيلونيوتن للعوارض المزودة بالصفائح المطلية بالسيليكون. أظهرت قياسات منحنيات الحمل–الانحراف الحلقية أن الصفائح المطلية ساعدت العوارض على تبديد طاقة أكبر في كل دورة، وهو مؤشر على أداء أفضل تحت الاهتزاز أو المرور.

لماذا برزت صفائح ألياف الكربون المطلية بالسيليكون

بخلاف القوة البسيطة، كان لطريقة فشل العوارض أهمية أيضاً. انهارت عوارض التحكم عبر شقوق انحناء كبيرة وسحق الخرسانة في الجزء العلوي. تميل العوارض المزودة بنسيج الكربون العادي إلى الفشل عندما يبدأ النسيج في التقشر عن الخرسانة، وهو رابط ضعيف عند الواجهة. بالمقابل، ظلت الصفائح المطلية بالسيليكون ملتصقة بقوة أكبر. عندما فشلت تلك العوارض أخيراً، كان ذلك عادةً عبر سحق تدريجي للخرسانة أو تمزق للصفائح بعد العديد من دورات التحميل، وليس فصلًا فجائياً للالتصاق. يشير هذا السلوك إلى أن طبقة السيليكون تحسن القبضة بين الكربون والخرسانة، مما يساعد العوارض المعززة على الاحتفاظ بصلابتها وقدرتها على امتصاص الطاقة لفترة أطول تحت التحميل المتكرر.

ماذا يعني هذا للمنشآت اليومية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة واضحة: يمكن لأغلفة ألياف الكربون المطبقة بعناية أن تطيل بشكل كبير عمر وسلامة المنشآت الخرسانية القائمة، وتبدو الصفائح المطلية بالسيليكون الخيار الأكثر فاعلية في هذه الدراسة. من خلال تضاعف مقاومة الانحناء في بعض الحالات تقريباً، وتأخير التشقق، وتقليل فقدان الصلابة عبر دورات تحميل عديدة، توفر هذه الصفائح الرقيقة طريقة عملية لتجديد الجسور والمباني القديمة حتى تتحمل المرور والرياح والزلازل بشكل أفضل دون إعادة إنشاء كبيرة. مع مواجهة المدن لبنية تحتية متقادمة وطلب متزايد، يمكن أن تساعد مثل هذه طرق التقوية في إبقاء المنشآت الحيوية في الخدمة لفترة أطول وبأمان أكبر.

الاستشهاد: Sujitha, V.S., Sriram, A.G., Raja, S. et al. Flexural performance of RC beams strengthened with CFF and SCCFL sheets under cyclic loading. Sci Rep 16, 6491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35884-w

الكلمات المفتاحية: تقوية بألياف الكربون, عوارض خرسانية مسلحة, إجهاد تعبّي وتحميل دوري, تعديل منشآت هيكلية, متانة البنية التحتية