لطالما استخدمت الخرسانة كمواد بناء لقوتها الانضغاطية العالية ومتانتها الجيدة وتكلفتها المنخفضة. ومع ذلك ، فإن كعب أخيل المعروف هو هشاشته وقوة الشد المحدودة. تم حل هذا الأمر بسهولة منذ حوالي قرن من الزمان باستخدام قضبان التسليح (حديد التسليح) من الفولاذ في جانب التوتر من الهياكل الخرسانية. يعتبر حديد التسليح الفولاذي فعالاً من الناحية الوظيفية وغير مكلف نسبيًا ، لذا فهو يقوم بعمل جيد في معظم الحالات. ومع ذلك ، فإن حديد التسليح الفولاذي له نقاط ضعفه الخاصة: القابلية للتآكل (الأكسدة) عند تعرضه للأملاح والمواد الكيميائية العدوانية والرطوبة. أثناء تآكله ، يتضخم حديد التسليح ويزيد من حمل الشد على الخرسانة ، والذي يبدأ في التصدع والتشظي ، مما يخلق فتحات تؤدي إلى مزيد من التدهور السريع للفولاذ والخرسانة. وهذا يتطلب إصلاحًا وصيانة مكلفًا ، وإذا سمح بإحراز تقدم كبير بما فيه الكفاية ، يمكن أن يعرض سلامة الهيكل للخطر. تم إدخال العديد من الطلاءات والاختراقات على مدى عقود للمساعدة في عزل الرطوبة من الخرسانة ، كما تمت ترقية حديد التسليح نفسه بطلاء إيبوكسي أو باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ. لكن ليس من الممكن دائمًا منع التآكل على المدى الطويل. علاوة على ذلك ، فإن ميل حديد التسليح لتوصيل المجالات الكهربائية والمغناطيسية يجعله غير مرغوب فيه في الخرسانة المحددة لتوليد الطاقة ، والتصوير الطبي / العلمي ، والتطبيقات النووية والكهربائية / الإلكترونية.
عرض قيمة FRP
هناك العديد من الأسباب التي تجعل حديد التسليح البوليمر المقوى بالألياف (FRP) منطقيًا في بعض الهياكل الخرسانية. بالنسبة للمبتدئين ، فإن حديد التسليح المركب لن يصدأ أو يتآكل ، لذا فهو مثالي للغطس الدوري أو طويل المدى في المياه العذبة أو المياه المالحة في تطبيقات مثل الجدران الاستنادية ، والأرصفة ، والأرصفة ، والأرصفة ، والقيسونات ، والطوابق ، والدعامات ، والحواجز ، والقنوات ، المنصات البحرية وأحواض السباحة وأحواض السمك. كما أنها محصنة ضد ملح الطرق والمواد الكيميائية الأخرى للتذويب ، مما يجعلها خيارًا أكثر متانة وأقل كثافة للصيانة للطرق والجسور ، وهياكل وقوف السيارات ، ومدارج المطارات ، وحواجز جيرسي ، والجدران والأساسات الاستنادية ، والقيود ، والحواجز ، والألواح على الصف. علاوة على ذلك ، فإنه يوفر مقاومة واسعة لمجموعة من المواد الكيميائية الأخرى الموجودة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي ، ومواقع النفايات الصلبة ، ومصانع البتروكيماويات ، ومصانع اللب والورق ، وخطوط الأنابيب ، والخزانات ، وأبراج التبريد والمداخن ، فضلاً عن البيئة القلوية للخرسانة نفسها.
ميزة أخرى هي أن قوة شد حديد التسليح FRP عادة ما تكون 1.5 إلى 2 مرة أعلى من الفولاذ ، لذلك فهي موازنة جيدة لقوة الضغط العالية للخرسانة. كما أنه يوفر مقاومة ممتازة للإجهاد ، مما يجعله مناسبًا لمواقف التحميل الدوري (مثل تلك على الطرق والجسور). علاوة على ذلك ، يبلغ وزن حديد التسليح المركب ربع وزن الفولاذ ذي الأداء المماثل. يوجد هنا عدد من الفوائد العملية. يقل التآكل والتلف على عمال البناء الذين يتعين عليهم حمله وتثبيته وحاجة أقل للرافعات ومعدات الرفع الثقيل الأخرى. يتم قطعها بسهولة باستخدام أدوات القطع الشائعة ، دون الإضرار بشفرات المنشار. يمكن سحب المزيد من حديد التسليح لكل حمولة شاحنة دون تجاوز حدود التحميل القانونية. بالنسبة للجسور والهياكل المماثلة ، توفر نسبة القوة إلى الوزن الأعلى قدرة تحمل أكبر لهيكل معين أو فرصًا محتملة لتقليل حجم ووزن الهيكل بأكمله. يعتبر حديد التسليح المركب مفيدًا أيضًا في التطبيقات الحساسة للوزن حيث يكون للتربة خصائص تحمل ضعيفة ، في المواقع النشطة زلزاليًا أو في المناطق الحساسة بيئيًا حيث يكون من غير المرغوب فيه نقل المعدات الثقيلة.
بالنسبة للتطبيقات الحساسة كهرومغناطيسيًا ، يعتبر كل من الزجاج (أكثر أنواع حديد التسليح شيوعًا) والبوليمر غير موصلين بطبيعتهما ، لذلك لن ينقلوا التيار أو يجتذبوا ضربات الصواعق أو يتداخلوا مع تشغيل الأجهزة الكهربائية القريبة. وهذا يجعلها خيارًا أكثر أمانًا في مصانع صهر الألمنيوم والنحاس ، ومحطات الطاقة النووية ، والهياكل العسكرية المتخصصة ، وأبراج المطارات ، وأبراج نقل الكهرباء والهاتف ، وفتحات التفتيش التي تحتوي على معدات كهربائية أو هاتفية ، والمستشفيات المزودة بأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ورسوم الطرق. صفائف الاستشعار وأكشاك التجميع. نظرًا لأن المركب المقوى بالزجاج رديء بنفس القدر عند النقل الحراري ، فقد يكون مفيدًا في الحفاظ على التحكم في المناخ في المباني وأسطح الفناء والطوابق السفلية.
على الرغم من أن التكلفة الأولية لحديد التسليح المركب أعلى عمومًا من حديد التسليح القياسي ويمكن مقارنتها تقريبًا بحديد التسليح الفولاذي المطلي بالإيبوكسي ، عند النظر إليها على أساس تكلفة دورة الحياة (LCC) ، يمكن أن تكون اقتصادية تمامًا - خاصة بالنسبة للتطبيقات الخرسانية غير المجهدة مسبقًا. لثني الأحمال والقص والضغط التي تتطلب عادةً إصلاحًا وصيانة متكررة أو في حالة وجود مشكلات أخرى في المعدن. لكل هذه الأسباب وأكثر ، بدأ حديد التسليح المركب ببطء في اكتساب حصة في سوق الهندسة المدنية.
لا تسجيلات ، لا تقدم
بدأ حديد التسليح المركب بدايته في اليابان في الثمانينيات ، مع تعزيزات ألياف الكربون والأراميد في مصفوفات بالحرارة ، وانتشر ببطء إلى المشاريع في كندا خلال أوائل التسعينيات ، كما يقول جون بوسيل من American Composites Manufacturers Assn. (ACMA ، أرلينغتون ، فيرجينيا). يتذكر أنها لم تنطلق حقًا حتى تم تطوير ونشر المواصفات لحديد التسليح المركب في أواخر التسعينيات. بوسيل ، مدير مبادرة نمو المركبات في ACMA ، كان لمدة 12 عامًا سكرتيرًا ثم رئيسًا للجنة 440 - FRP Reinforcement التابعة لمعهد الخرسانة الأمريكي (ACI ، فارمنجتون هيلز ، ميشيغان) ، خلال الوقت الذي طورت فيه المجموعة مواصفاتها وتصميمها الرائدين دليل لحديد التسليح FRP.
يوضح Busel: "إن طرح المنتجات التي لا يدعمها الاختبار والبحث لا يعمل فقط مع المهندسين المدنيين". "إن إقناعهم يتطلب الكثير من البيانات ، والحصول على ذلك يستغرق وقتًا." في ضوء هذا الواقع ، تم إنشاء اللجنة 440 في أوائل التسعينيات واستغرقت ما يقرب من عقد من الزمن لتطوير الإصدار الأول ، الذي نُشر في عام 1999 ، وتم تحديثه في عام 2006 ، مع تحديث آخر في عام 2012. "الآن لديك معايير للمهندسين المعماريين والمهندسين ، ويمكن للمقاولين وضع خططهم على مستوى العالم "، كما يقول بوسيل ، مشيرًا إلى أن" معيار ACI 440.1R أثبت أنه أحد أشهر أدلة المواصفات وأكثرها استخدامًا في العالم وكان بالتأكيد يستحق كل هذا العمل ".
"لقد كان ACI 440 ارتباطًا ديناميكيًا ونشطًا للغاية" ، كما يشير زميل Busel منذ فترة طويلة ، دوغ جريميل. لم نميز ضد أي بحث في أي مكان في العالم. إذا استطعنا أخذها ودمجها في مدوناتنا ، فإننا نفعل ذلك ". Gremel - مدير شركة Non-Metallic Reinforcing في شركة Hughes Brothers Inc. ، وهي شركة تابعة لشركة HughesAslan Pacific Ltd.(كلا من Seward ، Neb.) ورئيس لجنة الإدارة في Omaha ، Neb.-based Composite Insulated Concrete Systems LLC - يضيف ، "ليس لدينا فخر بالملكية عندما يتعلق الأمر بهذه المعرفة."
على الرغم من هذا الكم المتزايد من العلم والخبرة في منتصف إلى أواخر التسعينيات ، كان النمو في استخدام حديد التسليح FRP بطيئًا. لم يظهر التثبيت الأول في الولايات المتحدة حتى عام 1996 في جسر ماكينليفيل / بوفالو كريك في مقاطعة بروكس بولاية فيرجينيا. اكتسب حديد التسليح FRP أخيرًا قوة جذب في أمريكا الشمالية بعد إدراجه في رمز جسر الطريق السريع الكندي ، حيث أصبح الحل الافتراضي لـ التعامل مع التآكل الناجم عن طقس كندا القاسي. وقد أدى ذلك بدوره إلى العمل من قبل الرابطة الأمريكية لمسؤولي النقل والطرق السريعة بالولاية (AASHTO) لتطوير مواصفات لاستخدام الأسطح الخرسانية المصنوعة من الزجاج FRP (GFRP) ودرابزين المرور. من تلك النقطة ، كان لدى المهندسين والمحددون في وزارة النقل الأمريكية (DoT) دليل تصميم خاص بهم يتوافق مع ACI 440. ونتيجة لذلك ، كما يقول Busel ، فإن كندا والولايات المتحدة لديها الآن ما يقرب من 400 جسر مع حديد التسليح FRP في بعض جوانب بنائهم. المنشآت الأوروبية تنمو ، ولكن بوتيرة أبطأ.
يقول Gremel - الذي يعمل صاحب عمله Hughes Brothers ، وهو مورد عالمي لحديد التسليح FRP - إن المعايير تشكل الإطار الموضوعي لضمان الجودة. يقول: "يتعين علينا تقديم شهادات الإنتاج كدليل على أن أي" تشغيل طاحونة "لحديد التسليح يلبي أو يتجاوز الخصائص المنصوص عليها في معايير ASTM". "نحن نجري اختبارات معامل الشد والضغط على كل حصة نجريها ، تمامًا مثل عمال الصلب."
قد يكون تقدم مجتمع الهندسة المدنية نحو الراحة مع حديد التسليح FRP بطيئًا ، لكنه لم يثبط السعي وراء طرق جديدة لتصنيعه ، والتي يمكن ، كما تشير الأمثلة التالية ، أن تجعل الجيل التالي من حديد التسليح المركب بديلاً أكثر جاذبية للصلب .
