تعزيز الانحناء للعوارض الخرسانية المسلحة باستخدام مونة مقوّاة بنسيج البازلت: تحقيق تجريبي وتحليلي

جسور ومباني أقوى بغلاف خارجي رقيق جديد

تعتمد العديد من الجسور المرّة ومواقف السيارات والمباني القديمة على عوارض خرسانية مسلحة لم تُصمم في الأصل لتحمّل حركة مرور أثقل أو فترات خدمة أطول كما هو الحال اليوم. واستبدال هذه العوارض بالكامل عمل مكلف ومُعطِّل، لذلك يبحث المهندسون عن طرق ذكية لترقية الهياكل القائمة من الخارج. تتناول هذه الدراسة إحدى هذه الطرق: تغليف العوارض بطبقة رقيقة من المونة الأسمنتية تحتوي ألياف البازلت مرتبة كنسيج، بهدف زيادة القوة والسلامة دون هدم واسع النطاق.

تغليف الخرسانة المتعبة بجلد غني بالألياف

ركز الباحثون على العوارض الخرسانية المسلحة، التي تحمل الأرضيات وطوابق الجسور. مع مرور الزمن قد يتآكل الحديد داخل هذه العوارض وتضعف الخرسانة، مما يقلص هامش الأمان. إحدى تقنيات الإصلاح الواعدة هي المونة المقواة بالنسيج (TRM)، حيث يُدمَج شبك من الألياف الدقيقة في طبقة رقيقة من المونة تُلصَق بسطح العارضة الخارجي. وعلى عكس بوليمرات المقواة بالألياف التقليدية التي تعتمد على راتنجات الإيبوكسي وقد تفقد قوتها مع الحرارة أو على الأسطح الرطبة، تستخدم TRM مونة أسمنتية تتحمّل الرطوبة ودرجات الحرارة العالية بصورة أفضل.

لماذا يعتبر نسيج البازلت خيارًا جذابًا

تتعمق هذه الدراسة في نوع محدد من TRM مصنوع من ألياف البازلت، ويسمّى المونة المقواة بنسيج البازلت (BTRM). تُستخلص ألياف البازلت من الصخور البركانية وتوفّر قوة عالية ومقاومة جيدة للتآكل وربما تكلفة أقل من الألياف الكربونية. رغب الفريق في معرفة كيف تؤثر اختيارات التصميم المختلفة—مثل عدد طبقات النسيج، وحجم فتحات الشبكة، وإدخال قضبان بازلت رفيعة داخل الغلاف، واستخدام مراسي ميكانيكية—على مقدار القوة والمتانة التي تضيفها طبقة BTRM إلى العوارض الخرسانية المسلحة المغلفة بها.

اختبار عوارض بالحجم الحقيقي

للإجابة على هذه الأسئلة، صبّ الباحثون ستة عوارض خرسانية بالحجم الكامل، طول كل منها 2.3 متر ومسلّحة بحديد داخلها كما في المنشآت الحقيقية. خدم أحد العوارض كمرجع غير معزّز، بينما غُلِّفت الخمسة الأخرى بأغلفة BTRM مختلفة مطبَّقة على شكل حرف U حول القاعدة والجهتين السفليتين. تلقت بعض العوارض ثلاث طبقات من النسيج البازلتي، وأخرى خمس أو حتى ثماني طبقات؛ استخدم بعضها شبكة دقيقة بفتحات 5 ملم وبعضها شبكة خشنة بفتحات 34 ملم؛ تضمنت نسخة قضبان بازلت إضافية داخل الغلاف؛ واستخدمت أخرى مراسي فولاذية مُلصقة بالخرسانة لمساعدة الغلاف على الثبات. حمِلت جميع العوارض في جهاز اختبار حتى الفشل بينما سجّلت الأجهزة مدى التحميل والانحناء.

زيادات متواضعة في القوة، لكن نقطة ضعف عنيدة

حملت العوارض المعزَّزة ما بين 11 و18 في المئة من الحمل أكثر من عارضة التحكم غير المغلفة قبل الفشل، مما يؤكد أن BTRM يمكنه زيادة السعة الفورية. مع ذلك، لم تزداد القوة باستمرار مع إضافة مزيد من طبقات النسيج؛ فقد وصلت العوارض ذات الثلاث والخمس طبقات إلى حمولة قصوى شبه متساوية، ما يدل على أن الفائدة تتوقف عندما يصبح الترابط بين الغلاف والخرسانة هو نقطة الضعف الحاكمة. حجم فتحات الشبكة (5 مقابل 34 ملم) لم يؤثر كثيرًا على القوة الإجمالية، وحسّن إدخال القضبان البازلتيّة الأداء قليلاً فقط، أساسًا بجعل سلوك ما بعد التشقق أكثر سلاسة وماصًّا للطاقة. ساعدت المراسي الميكانيكية العوارض على الانحناء أكثر قبل الفشل، لكنها لم ترفع الحمولة العظمى كثيرًا لأن الفشل بقي يحدث عندما انقشع الغلاف بالكامل عن سطح الخرسانة. في غالبية العوارض المعزَّزة، بقيت طبقات المونة والنسيج سليمة وانفصلت نظيفًا عن الخرسانة، ما يكشف أن المشكلة الرئيسية تكمن عند واجهة الخرسانة–المونة.

أدوات تصميم أدق لترميمات أكثر أمانًا

بعيدًا عن اختبارات المختبر، راجع المؤلفون مدى دقة طرق الحساب القائمة في التنبؤ بقوة هذه العوارض المعزَّزة. كانت الصيغ التصميمية الشائعة تميل إلى التقليل من السعة الفعلية عندما استخدمت حدود إجهاد محافظة جدًا للنسيج، أو إلى المبالغة في الزيادة عندما افترضت ترابطًا تامًا بين الغلاف والخرسانة. من خلال مقارنة دقيقة بين التنبؤات وبيانات الاختبار، اقترح الباحثون معادلة معدّلة سهلة الاستخدام تعكس السلوك الفعلي بشكل أفضل عندما يكون الترابط غير كامل، واقترحوا زيادة آمنة للحد الأقصى المسموح لإجهاد النسيج المستخدم في التصميم. طابقت هذه الصيغة المعدّلة نتائج اختباراتهم وبيانات منشورة من مختبرات أخرى عن قرب.

ماذا يعني هذا للهياكل في العالم الحقيقي

بالنسبة لغير المتخصِّصين، الرسالة الأساسية أن تغليف العوارض الخرسانية القائمة بطبقة رقيقة من نسيج البازلت والمونة طريقة عملية لكسب حوالي 10 إلى 20 بالمئة قوة إضافية وتحسين آلية الفشل لتكون أكثر ليونة، مما يوفر وقتًا ثمينًا من حيث السلامة وعمر الخدمة. مع ذلك، الإمكانات الكاملة لألياف البازلت محجوزة حاليًا ليس بسبب الألياف نفسها بل بسبب مدى تمكّن الغلاف من الالتصاق بالخرسانة القديمة. سيكون تحسين إعداد السطح ومواد الربط وتفاصيل التثبيت الميكانيكي خطوات حاسمة لاحقة لجعل هذه التقنية أداة أقوى وأكثر قابلية للتنبؤ لتقوية البنية التحتية الخرسانية المتقادمة في العالم.

الاستشهاد: Shamseldein, A., ELgabbas, F., Kohail, M. et al. Flexural strengthening of RC beams using basalt textile reinforced mortar: experimental and analytical investigation. Sci Rep 16, 7382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37322-3

الكلمات المفتاحية: تعزيز الخرسانة المسلحة, مونة مقوّاة بنسيج البازلت, مونة مقوّاة بالنسيج, سلوك الانحناء للعوارض, ترميم هيكلي