تقييم متانة وخصائص الحجب لخرسانة عالية القوة تحتوي على مواد محلية وإضافات كربونية

خرسانة تفعل أكثر من مجرد دعم المباني

من ناطحات السحاب المليئة بالإلكترونيات إلى الجسور المزودة بالمستشعرات، تحتاج المنشآت الحديثة إلى مواد ليست قوية فحسب بل ذكية أيضاً. تستعرض هذه الدراسة نوعاً جديداً من الخرسانة يمكنه أن يتحمل أحمالاً ثقيلة وفي الوقت نفسه يساعد على حماية المعدات الحساسة من الموجات الكهرومغناطيسية المتشتتة، وهي نفس طاقة الواي‑فاي والرادار والهواتف المحمولة. من خلال ضبط نسب الرمال المحلية وإضافة جسيمات دقيقة من الفولاذ والكربون، سعى الباحثون إلى ابتكار خرسانة قوية ومتينة وقادرة على إضعاف الإشارات غير المرغوبة — دون الاعتماد على مكونات مستوردة مكلفة.

لماذا تهم الخرسانة القوية و"الذكية"

تتيح الخرسانة عالية القوة للمهندسين بناء أبراج أطول وأنحف وجسور أطول عن طريق تعبئة قدرة تحمل أعلى في أعمدة و بلاطات أصغر. من جهة أخرى، اكتسبت "الخرسانة الموصِلة"، التي تنقل التيار الكهربائي بفضل إضافات معدنية أو كربونية، اهتماماً لاستخدامات مثل الأرصفة ذات التسخين الذاتي، وحسّاسات الإجهاد المدمجة، والحجب الكهرومغناطيسي. لكن دمج هاتين الخاصيتين في خلطة واحدة يمثل تحدياً: فالمواد التي تحسن التوصيل الكهربائي قد تضعف المادة أو تجعلها أكثر عرضة للتشرخ مع مرور الزمن. كان هدف هذا البحث سد تلك الفجوة وتطوير خرسانة عالية القوة موصلة تلبي متطلبات التحمل البنيوي مع إضافة سلوك كهربائي مفيد.

تشكيل الخلطة المناسبة باستخدام الرمال المحلية

بدأ الفريق بتصميم عدة خلائط من الخرسانة عالية القوة باستخدام مواد دقيقة فقط — الأسمنت، والنواتج الصناعية، ونوعين من الرمال — مع استبعاد الحصى الخشن. غيّروا نسبة "رمال الكثبان"، وهي رمل محلي ناعم جداً، ليرصدوا تأثيرها على القوة. بمقارنة توزيع أحجام الحبيبات لكل خلطة مع نماذج التعبئة الرياضية، وجدوا أن وصفة تحتوي على نسبة منخفضة نسبياً من رمال الكثبان شكلت البنية الداخلية الأكثف. هذه الخلطة، المسماة LDUNE في الدراسة، وصلت إلى مقاومات ضغط تقارب 100 ميغاباسكال (حوالي ثلاثة أضعاف خرسانة الهيكل الشائعة) وأظهرت أعلى مقاومة انحناء أيضاً. ببساطة، ساعدت كمية معتدلة من رمل الصحراء في ملء الفراغات، لكن زيادة النسبة أدت إلى فراغات إضافية أضعفت الخرسانة.

الألياف الفولاذية مفيدة، ومساحيق الكربون تضر بالهيكل

بعد تحديد أفضل خلطة أساسية، حول الباحثونها إلى ثلاثة متغيرات: LDUNE الأصلية، ونسخة مضافة لها ألياف فولاذية، وثالثة جمعت الألياف الفولاذية مع مساحيق كربونية دقيقة. عملت الألياف الفولاذية الرفيعة كـ"قضبان تعزيز" صغيرة موزعة داخل المادة. زادت قليلاً مقاومة الضغط العالية بالفعل، وعزّزت مقاومة الانحناء بنحو خمس تقريباً، وجعلت الخرسانة أكثر صلابة. وبقدر الأهمية نفسها، قلّلت من الانكماش والزحف طويلَي الأمد — الضيّق والتشوه البطيء الذي يمكن أن يؤدي للتشقق — بحوالي ربع وعُشر على التوالي. بالمقابل، عندما أُضيفت مساحيق الكربون مع الألياف، انخفضت المقاومة الكلية، وزاد الانكماش والزحف. تطلبت الجسيمات الكربونية الدقيقة ماء خلط أكثر ولم ترتبط جيداً بالمعجون المحيط، مما أنشأ نقاط ضعف نقضت الفوائد الميكانيكية للألياف.

كيف تتعامل الخرسانة الجديدة مع الموجات الكهرومغناطيسية

ركزت الاختبارات الكهربائية على مدى توصيل الخلطات للتيار وقدرتها على حجب الإشارات الراديوية. أظهرت الخرسانة المضاف إليها الألياف الفولاذية مقاومية كهربائية أقل بكثير من الخلطة عالية القوة العادية، مكونة مسارات داخلية تتفاعل مع الموجات المارة. عندما أُرسلت إشارات راديوية في نطاق الجيغاهيرتز عبر ألواح رقيقة، قطعت الألواح المحتوية على الألياف الفولاذية القدرة الصادرة أكثر بكثير من الخرسانة العادية، مقتربة من أداء بعض مواد الحجب الموجودة. وعلى نحو مفاجئ، لم تضف إضافة مسحوق الكربون فوق الألياف فائدة إضافية ذات مغزى: فقد أخفت ألواحها الإشارات تقريباً بنفس الدرجة كألواح الألياف فقط. على مدى عامين، فقدت كل الخلطات بعض قدرة الحجب مع استمرار تصلب الخرسانة وتغير رطوبتها الداخلية، لكن الألواح المموجة حافظت على أداء طويل الأمد أفضل من الألواح المسطحة.

ماذا يعني هذا للمباني والبنى التحتية المستقبلية

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أنه من الممكن إنتاج خرسانة تجمع بين القوة العالية والقدرة المعقولة على تخفيف الموجات الكهرومغناطيسية المتشتتة، ببساطة عبر تحسين الرمال المحلية وإضافة الكمية المناسبة من الألياف الفولاذية. هذه الخرسانة "متعددة الأغراض" تقاوم الأحمال جيداً، وتقاوم التشقق طويل الأمد، ويمكن أن تساعد في حماية الأجهزة والمساحات من الضوضاء الإلكترونية، دون اللجوء إلى بطانات معدنية أو أنظمة حائط متخصصة. أما محاولات تحسين الحجب عبر رشّ مساحيق الكربون فآتت ثماراً مقابل تنازلات: جعلت المادة أضعف وأكثر عرضة للتشوه طويل الأمد مع إضافة فوائد طفيفة لقدرتها على حجب الإشارات. بالنسبة لمصممي المباني الشاهقة والبنية التحتية الذكية والمرافق المملوءة بالإلكترونيات، تبرز الخرسانة عالية القوة المضاف إليها ألياف فولاذية والمصنوعة بمواد محلية من هذه الدراسة كخيار عملي ومتعدد الوظائف.

الاستشهاد: Othman, O., Yehia, S., Qaddoumi, N. et al. Evaluation of the durability and shielding properties of high-strength concrete incorporating locally available materials and carbon additives. Sci Rep 16, 10167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37449-3

الكلمات المفتاحية: خرسانة عالية القوة, خرسانة موصلة للكهرباء, تقوية بألياف فولاذية, الحجب الكهرومغناطيسي, الانكماش والزحف