تطوير طوب إنشائي خفيف الوزن من البولي يوريثان والألياف المركبة لزيادة الأداء الميكانيكي

لماذا يهم وجود طوب أخف لمبانٍ أكثر أمانًا

في المناطق المعرضة للزلازل، قد يكون وزن المبنى الفارق بين أضرار طفيفة وانهيار كارثي. الجدران والأرضيات الثقيلة تولد قوى كبيرة عند اهتزاز الأرض. تستعرض هذه الدراسة نوعًا جديدًا من الطوب فائق الخفة المصنوع من بولي يوريثان شبيه بالرغوة معزز بألياف دقيقة. الهدف هو إنتاج وحدات بناء أخف كثيرًا من الطوب الطيني التقليدي أو الخرسانة، وفي الوقت نفسه قوية وجامدة بما يكفي لحمل الأحمال ومقاومة الزلازل.

تحويل الرغوة إلى طوب قادر على التحمل

بدأ الباحثون بنوع صلب من البولي يوريثان، وهو بوليمر يستخدم عادة في رغوات العزل. بمفرده، هذا المادَّة خفيفة وعاكسة للحرارة لكنها ليست قوية بما يكفي لتكون عنصرًا إنشائيًا رئيسيًا. لتعزيز أدائها، أضاف الفريق أليافًا قصيرة من الزجاج أو البازلت (ألياف صخرية) أو الكربون. تعمل هذه الألياف كعتبات تقوية مصغرة داخل الرغوة، ما يساعدها على حمل أحمال أعلى. من خلال تغيير كمية الألياف المضافة وطولها، تمكنوا من اختبار أي التركيبات تعطي أفضل توازن بين الخفة والمتانة بطريقة منهجية.

اختبار القوة تحت الضغط والانحناء

باستخدام كتل وعوارض مُحضرة بعناية من خليط الرغوة والألياف، قاس الفريق سلوك كل وصفة عند الضغط والانحناء. تم ضغط عينات الاختبار إلى انحراف صغير ومتحكم فيه وتحميلها في إعداد انحناء ثلاثي النقاط، يشبه وضع عارضة قصيرة على دعامتين والضغط في المنتصف. رغم أن القوى المطلقة كانت متواضعة مقارنة بالمواد المكعبة التقليدية—نحو 1 ميغاباسكال في الضغط لأفضل العينات—إلا أن المادة أخف بشكل كبير، ما يعني أن جدارًا أو لوحًا معينًا سيضع وزنًا أقل بكثير على إطار ومؤسسات المبنى.

أي الألياف تعمل أفضل داخل الرغوة

أظهرت النتائج أن ليست كل الألياف متساوية عندما تُدمَج داخل البولي يوريثان. العينات المعززة بألياف الزجاج والبازلت حملت أحمالًا أعلى وانثنت بجمود وتوقُّع أفضل مقارنةً بتلك المعززة بألياف الكربون. كانت الألياف الطويلة، بطول نحو 12 ملليمترًا، مفيدة بشكل خاص في تحسين الأداء، بينما غالبًا ما جلبت زيادات محتوى الألياف فوق مستوى منخفض عوائد متناقصة أو زيادة في التباين. ألياف الكربون، على الرغم من قوتها النظرية، أدت أداءً ضعيفًا هنا لأنها تجمعت معًا ولم ترتبط جيدًا بالرغوة المحيطة، ما أدى إلى مناطق ضعيفة يمكن أن تبدأ منها الشقوق بسهولة.

نظرة داخلية إلى المادة

لفهم سبب تفوق بعض الخلائط، فحص الباحثون البنية الداخلية لكتل الرغوة باستخدام مجاهر ضوئية ومجاهر إلكترونية ماسحة. في نسخ الزجاج والبازلت، توزعت الألياف بشكل معقول، وكانت خلايا الرغوة حولها تبدو منتظمة وغير متشوهة. في عينات ألياف الكربون، على النقيض، كانت الألياف تميل إلى التجمع في عناقيد كثيفة، تاركة فراغات مجاورة وخلايا رغوة مشوهة. عند تكبير عالٍ، بدت ألياف الكربون المسحوبة ناعمة ونظيفة، مما يدل على أن البولي يوريثان لم يتعلق بها جيدًا. بالمقابل، غالبًا ما حملت ألياف الزجاج والبازلت قطعًا من الرغوة المتصلبة على أسطحها، كدليل على رابطة أفضل وانتقال إجهاد أكثر فعالية.

نماذج حاسوبية تؤيد التجارب

خارج اختبارات المختبر، أنشأ الفريق محاكاة حاسوبية للطوب المركب باستخدام نمذجة العناصر المنتهية. تضمنت هذه الطوب الرقمية تجمعات ألياف مدمجة مماثلة لتلك الموجودة في العينات الحقيقية. عند الضغط، أظهرت الطوب المحاكاة المضاف إليها ألياف مقاومة داخلية أعلى للإجهاد وانحرافًا أقل مقارنةً بكتل البولي يوريثان الخالصة. في الانحناء وفي أحمال تشبه الانبعاج للعناصر النحيلة، كانت النماذج المعززة بألياف البازلت الأكثر صلابة، ما يعكس النتائج التجريبية. مع زيادة محتوى الألياف، أصبحت النماذج أصعب في التشوه، مؤكدة أن المضافات المختارة جيدًا يمكن أن تحول رغوة خفيفة إلى مادة إنشائية أكثر موثوقية.

ما معنى هذا للمباني المستقبلية

تشير الاختبارات والمحاكاة معًا إلى أن طوب البولي يوريثان المعزز بألياف زجاجية أو بازلت موزعة جيدًا يمكن أن يعمل كوحدات بناء خفيفة جدًا وعازلة وفي الوقت نفسه قادرة ميكانيكيًا. على الرغم من أن كل طوبة أضعف من الطوب الطيني التقليدي، فإن كثافتها المنخفضة تعني أن الجدران والأرضيات بأكملها ستزن أقل بكثير. هذا الانخفاض في الوزن يقلل من القوى الناتجة أثناء الزلزال وقد يساعد المباني على تحمل الاهتزازات بأمان أكبر. مع مزيد من التحسينات—وخاصة تحسين الترابط بين الألياف والرغوة وتصنيع أمثل—قد تصبح هذه الطوبة المدعمة بالألياف مكوّنًا عمليًا للهياكل موفرة الطاقة والمقاومة للزلازل.

الاستشهاد: Sak, Ö.F., Demir, S. & Şentürk, B.G. Development of lightweight structural brick with polyurethane and composite fibers to increase mechanical performance. Sci Rep 16, 11171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41331-7

الكلمات المفتاحية: طوب خفيف الوزن, مركبات البولي يوريثان, تقوية بالألياف, هياكل مقاومة للزلازل, البناء المستدام