كفاءة نظم التأريض للعوارض الخرسانية المسلحة المعززة في الانحناء باستخدام مركبات مقواة بألياف البازلت

لماذا تهم العوارض الأقوى

تختبئ داخل الجسور ومواقف السيارات وعمارات السكن عوارض خرسانية تتحمّل أعباء ثقيلة بصمت لعقود. مع مرور الوقت قد تتشقّق هذه العوارض وتضعف، خصوصاً مع زيادة حركة المرور أو تغيّر مواصفات البناء. تستكشف هذه الدراسة طريقة أحدث لمنح العوارض الخرسانية المتعبة حياة ثانية باستخدام صفائح رقيقة مصنوعة من ألياف البازلت، مادة مشتقة من صخور بركانية، وتركّز على كيفية تثبيت هذه الصفائح بحيث تُحسّن السلامة بالفعل.

أغطية جديدة للخرسانة القديمة

غالباً ما يعزّز المهندسون العوارض القائمة بلصق صفائح الألياف على الوجه السفلي، يشبه الأمر إضافة ضمادة رقيقة عالية القوة. الصفائح التقليدية تستخدم ألياف الكربون أو الزجاج؛ أما المركب المقوّى بألياف البازلت (BFRP) فيقدّم خياراً أرخص وأكثر صداقة للبيئة مع قوة عالية ومتانة جيدة. المشكلة أن هذه الصفائح قد تقشر فجأة عن الخرسانة قبل أن تصل إلى قوتها الكاملة، فشل هش يهدر المادة ويحدّ من مكاسب السلامة. هدف المؤلفين كان اختبار كيف يمكن لطرق التثبيت المختلفة، المسماة نظم التأريض، أن تبقي صفائح BFRP ملتصقة جيداً حتى تتحمّل العوارض أحمالاً أكبر دون تقشير مفاجئ.

كيفية إعداد الاختبارات

بنَت فريق البحث ثمانية عوارض خرسانية بالحجم الكامل، كل منها يزيد طولها قليلاً عن ثلاثة أمتار، مع تسليح فولاذي مطابق بداخلها. تُركت بعض العوارض بدون تقوية كمرجع، بينما تلقت أخرى طبقتين أو أربع طبقات من صفائح BFRP ملصوقة بالوجه السفلي وعلى أطوال مختلفة. لتثبيت الصفائح، جرّب الفريق نوعين رئيسيين من التأريض: اللفائف على شكل U، التي تلفّ BFRP حول جوانب العارضة مثل الحزام، ومرابط مسامية (spike anchors)، التي تجمع ألياف BFRP في دبابيس تُدخل في ثقوب بالخرسانة. ثُنيت كل العوارض في إعداد مختبري باستخدام حملين مركزين حتى فشلت، بينما تتبّع المستشعرات الانحراف والتشققات عبر الامتداد.

ما الذي حدث أثناء انحناء العوارض

مع ازدياد الحمل تصرفت العوارض أولاً بشكل مرن، ثم ظهرت تشققات انثناء رأسية بين الأحمال المطبقة، وأخيراً ضعفت عندما استسلم التسليح الفولاذي الداخلي. كانت العوارض المعزّزة أكثر صلابة من العارضة المرجعية بعد التشقق، وزادت سعتها القصوى للانحناء بما يصل إلى ثلث. ومع ذلك، لم تعنِ إضافة طبقات أكثر من BFRP بالضرورة زيادة كبيرة في القوة. في عدة حالات تقشّرت الصفائح من غطاء الخرسانة قبل أن تنكسر، فاستُغلت فقط جزء من قوتها الكامنة. أظهرت العوارض ذات الصفائح المثبتة بشكل مناسب تشققات أكثر تباعداً أصغر عرضاً، مما يشير إلى أن BFRP ساعدت في توزيع الشد على طول الامتداد.

لماذا يحدث الفرق مع التأريض

جوهر الدراسة كان مقارنة عوارض ذات توزيعات BFRP متشابهة لكن بتفاصيل تأريض مختلفة. عندما كانت صفائح BFRP طويلة بما يكفي لتستوفي قواعد طول التطوير من دلائل التصميم، تحوّل نمط الفشل من تقشير الصفائح إلى تمزق الصفائح، وارتفعت مقاومة العارضة للانحناء بنحو 29 بالمئة مقارنةً بالمرجع. أنتجت مرابط اللف على شكل U تأثيراً مشابهاً حتى عندما كان طول التقوية أقصر: غيّرت الفشل من انفصال عند الأطراف إلى تمزق BFRP وزادت القوة بحوالي 25 بالمئة. ساعدت المرابط المسامية فقط عندما كان عمق غرزها كبيراً؛ أما الدبابيس الضحلة فتصرفت كما لو لم تكن هناك مرابط على الإطلاق. عبر التكوينات، قلّلت التقوية من اللدونة، بمعنى أن العوارض انثنت أقل قبل الفشل، لكن الخسارة كانت عمومًا ضمن نحو 30 بالمئة من قابلية التشوه في العارضة الأصلية.

خلاصة لإصلاحات أكثر أماناً

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن لصق ألياف قوية على عارضة ضعيفة وحده لا يكفي. الطريقة التي تُثبت بها هذه الألياف إلى الخرسانة تقرّر إلى حد كبير ما إذا كانت ستساعد فعلاً في حالة طارئة. يمكن لصفائح ألياف البازلت أن تزيد بشكل ملحوظ من الحمولة التي يمكن للعارضة حملها بأمان، لكن بشرط أن يوفر المصممون طول لصق كافٍ أو مرابط فعّالة، مثل اللفائف على شكل U التي تقبض على جوانب العارضة. قد تنجح المرابط المسامية، لكن فقط عندما تكون مغروسة بعمق داخل الخرسانة. تشير الدراسة إلى أنه مع تفصيل حذر لهذه النظم التأريضية، يمكن للمهندسين استخدام المركبات القائمة على البازلت كأداة عملية وأكثر خضرة لتمديد عمر العديد من المنشآت الخرسانية اليومية.

الاستشهاد: Aziz, J., Ragab, M., Elgabbas, F. et al. Efficiency of anchorage systems for RC beams strengthened in flexure using basalt fiber reinforced polymers. Sci Rep 16, 16288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52540-5

الكلمات المفتاحية: مركب مقوّى بألياف البازلت, تقوية عوارض خرسانية, تأريض مركبات FRP, لفائف على شكل U, ترميم إنشائي