لصقات ألياف الكربون: تعزيز غير جراحي بالحد الأدنى للجسور والمباني

في الحياة اليومية، نستخدم الضمادات لعلاج الجروح والخدوش البسيطة – وهي بسيطة ومريحة. ولكن الآن، عندما تظهر شقوق دقيقة في عوارض الجسور وتبدأ جدران المباني القديمة بالتفكك تدريجيًا مع التقدم في العمر، يبرز مادة تبدو خفيفة الوزن كـ"القوة الرئيسية" في تعزيز الهياكل. وقد اعتمدت تقنية الهندسة أيضًا حلاً مشابهًا يُعرف بـ"الضمادة"—وهي قماش ألياف الكربون—التي تعمل بصمت على تدعيم الجسور والمباني من حولنا من خلال طرق غير جراحية.
عملية تصنيع القماش أحادي الاتجاه

يُعد القماش أحادي الاتجاه من ألياف الكربون مادة شائعة الاستخدام في مشاريع التسليح بألياف الكربون. وتشمل عملية تصنيعه بشكل أساسي ترتيب خيوط ألياف الكربون وتثبيتها وتشكيلها، ويتمحور الهدف الأساسي حول ضمان ترتيب الخيوط بشكل منظم في اتجاه واحد (عادةً الطولي) مع الحفاظ على خصائص مقاومة عالية. وتتمثل الخطوات المحددة بشكل عام في ما يلي:

الخطوة الأولى: إعداد خيط ألياف الكربون
تُصنَع خيوط أولية لألياف كربونية مبنية على البولي أكريلونيتريل (النوع السائد في السوق) من ألياف البولي أكريلونيتريل عن طريق عمليتي التأكسد المسبق والكربنة. وتتميز هذه الخيوط بقطر يتراوح بين 5 و7 ميكرومترات، كما تمتاز بقوة شد استثنائية عالية.
الخطوة الثانية: عملية اللف
من خلال آلة اللف، يتم ترتيب آلاف إلى عشرات الآلاف من خيوط الألياف الكربونية بشكل طولي متوازي ومنظم في طبقات لفّ، مع التحكم بدقة في الشد والمحاذاة لضمان الخصائص أحادية الاتجاه ومنع الانحراف العرضي.
الخطوة الثالثة: عملية النسج / التثبيت
باستخدام ألياف عرضية دقيقة جدًا (مثل الألياف الزجاجية أو النايلون)، تُثبت الخيوط الطولية عن طريق الحياكة أو الربط. أثناء عملية الحياكة، تُحاك خيوط اللحمة مع خيوط السداة بكثافة منخفضة (عدد قليل من الخيوط لكل سنتيمتر)، مشكلةً هيكل "سداة مشدودة، لحمة فضفاضة" يوفر تعزيزًا دون المساس بالمتانة. وبديلًا، يمكن استخدام مستحلب راتنج الإيبوكسي للالتصاق بالمادة وتكوين نسيج خالٍ من لحمة، رغم أن الحياكة تبقى الطريقة الأكثر شيوعًا.
الخطوة الرابعة: المعالجة السطحية
إزالة الشوائب، وزيادة خشونة السطح، أو تطبيق عامل اقتران لتحسين التصاق المادة بالغراء وزيادة توافقها مع الراتنج.
الخطوة الخامسة: التثبيت واللف
بعد التجفيف والتثبيت، تخضع المنتجات لفحص الجودة والتغليف لتصبح المنتج النهائي. وعلى طول هذه العملية، يكون التركيز على تحقيق أقصى استفادة من القوة العالية لألياف الكربون الطولية، بينما تؤدي الألياف العرضية وظيفة تثبيت مساعدة فقط.

يتمثل جوهر العملية بأكملها في ضمان المحاذاة المتوازية وقوة الشد العالية لخيوط ألياف الكربون الطولية، حيث تؤدي الألياف العرضية وظيفة تثبيت مساعدة فقط. ونتيجةً لذلك، تستفيد أقمشة ألياف الكربون أحادية الاتجاه بالكامل من خصائص الشد لألياف الكربون على طول محورها الطولي، مما يجعلها مناسبة للغاية للتطبيقات في التقوية الهيكلية التي تتعرض فيها للمجهودات الشدّية.

مبدأ التقوية
يتم ربط نسيج الألياف الكربونية بالسطح الإنشائي باستخدام لاصق راتنج متوافق، مشكّلاً هيكلًا مركبًا من مادة (CFRP) يعمل بالتعاون مع الهيكل الأصلي. وبما أن نسيج الألياف الكربونية يتمتع بمقاومة شد استثنائية (حوالي عشرة أضعاف مقاومة الفولاذ)، فإنه يتكامل بإحكام مع الخرسانة من خلال اللاصق الراتنجي. وهذا ينقل الأحمال الخارجية إلى نسيج الألياف الكربونية، مستفيدًا من خصائصه العالية في المقاومة لتعزيز قدرة الهيكل على تحمل الانحناء وقوى القص والنشاط الزلزالي، وفي الوقت نفسه يمنع انتشار التشققات.

إجراءات التنفيذ

الخطوة الأولى: إعداد السطح
نظّف سطح الخرسانة، وقم بطحن الطبقة الرخوة والبقع الزيتية لإنشاء سطح أساسي ناعم.
الخطوة الثانية: تطبيق مادة البولي إيبيوكسي الأساسية
طبّق طبقة أولية على الخرسانة لضمان التصاق النسيج بشكل آمن.
الخطوة الثالثة: تطبيق نسيج الألياف الكربونية
اغمر قماش الألياف الكربونية المقطّع مسبقًا في راتنج الإبوكسي وطبقه على المناطق الهيكلية التي تحتاج إلى تدعيم (مثل قاع العوارض، والأعمدة، والبلاطات الأرضية، وأجنحة الجسور).
الخطوة الرابعة: دمك بالدرفلة وإزالة الهواء
اضغط بشكل متكرر باستخدام أسطوانة لضمان انتشار المادة اللاصقة بالتساوي داخل الألياف وإخراج فقاعات الهواء، تمامًا كما تضغط بقوة على ضمادة جرح.
الخطوة الخامسة: التصلب والصيانة
بمجرد أن تتصلب المادة اللاصقة، تلتحم ألياف الكربون مع الخرسانة معًا، مشكلة طبقة خارجية قوية للغاية.

خصائص التدعيم

تعزيز القدرة على تحمل الأحمال: عند تطبيقها على سفط العوارض → تحسين مقاومة الانحناء؛ وعند تطبيقها على الأعمدة → تعزيز مقاومة الضغط والأداء الزلزالي.

التحكم في التشققات: يمنع قماش الألياف الكربونية حدوث تصدعات إضافية في الخرسانة، تمامًا كما تحمي الضمادة جرح الجلد من التفاقم.

عمر خدمة ممتد: مقاوم للتآكل، على عكس الفولاذ الذي يصدأ، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للبيئات مثل الجسور التي تتعرض لفترات طويلة.

خفة الوزن والكفاءة: سرعة بناء عالية، ولا يتطلب آلات ثقيلة ولا يضيف وزنًا هيكليًا كبيرًا إضافيًا.

لماذا أصبح قماش الألياف الكربونية الخيار الجديد للتعزيز؟

مقارنةً بطرق التعزيز التقليدية مثل تعزيز اللوحات الفولاذية أو توسيع المقاطع، فإن قماش الألياف الكربونية يوفر مزايا واضحة:

طبيعته الخفيفة لا تضيف أي حمل إضافي تقريبًا على البنية الأصلية. حيث يزن أقل من 300 جرام لكل متر مربع، وبالتالي يغير توزيع الحمولات في المبنى بشكل طفيف بعد التطبيق ، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لتعزيز الهياكل الحساسة بالنسبة للوزن الذاتي، مثل المباني القديمة والجسور.

تضمن مقاومته للتآكل أداءً مستقرًا في البيئات القاسية. سواء كان التعرض لتآكل رذاذ الملح على الجسور الساحلية أو الظروف الرطبة في دعامات وأعمدة الطوابق السفلية، فإن قماش الألياف الكربونية يحافظ على أداءٍ متسق مع عمر افتراضي يتجاوز 50 عامًا.

تقلل التركيبة الفعالة بشكل كبير من الجدول الزمني للمشروع. ولا تتطلب سوى تطبيق يدوي دون الحاجة إلى معدات ثقيلة، وعادةً ما يستغرق تعزيز مبنى بمساحة ألف متر مربع أسبوعًا إلى أسبوعين فقط، وهي فترة أقصر بكثير من الطرق التقليدية.