Influence of Recycled Waste Pet Fiber Geometry on the Destructive, Non-destructive, and Post-failure Characteristics of Structural Concrete

تعد الخرسانة المادة الأكثر انتشاراً في العالم المبني، فهي تشكل الهيكل العظمي لمدننا والأساس لمنازلنا. وهي عبارة عن خليط من الحجر المسحوق والرمل، يربط بينهما عجينة من الأسمنت والماء. وبينما يتفوق هذا الخليط في تحمل قوى الضغط الشديدة، إلا أنه يعاني من نقطة ضعف شهيرة: وهي الهشاشة. فمثل غصن جاف، تقاوم الخرسانة العادية الضغط جيداً، لكنها تتحطم فجأة عند السحب أو الانحناء، ولا تقدم أي تحذير قبل الانهيار. ولإصلاح ذلك، لجأ المهندسون منذ زمن طويل إلى الخرسانة المسلحة بالألياف، وهي نوع يتم فيه دمج خيوط صغيرة ومنفصلة داخل الخليط. تعمل هذه الألياف كشبكات أمان داخلية، حيث تجسر الشقوق أثناء تشكلها وتمسك المادة ببعضها البعض حتى بعد بدء تكسرها، مما يحول الانكسار الهش المفاجئ إلى فشل تدريجي يمكن السيطرة عليه.

لعقود من الزمن، ركز البحث عن هذه الخيوط المعززة على الفولاذ أو البوليمرات الاصطناعية، لكن هناك بحثاً متزايداً يطرح سؤالاً مختلفاً: هل يمكننا تحويل نفايات البلاستيك في العالم إلى أصل إنشائي؟ إن البولي إيثيلين تيريفثاليت، أو (PET)، هو البلاستيك الشفاف المستخدم في عدد لا يحصى من زجاجات المشروبات. وبينما توجد برامج لإعادة التدوير، لا يزال جزء كبير من هذه المادة ينتهي به المطاف في مكبات النفايات. وتكمن المشكلة في شكل البلاستيك؛ فالشرائح البلاستيكية القياسية المقطوعة من الزجاجات تكون ناعمة ومستقيمة. وفي البيئة الصخرية الخشنة للخرسانة، تميل هذه الألياف الناعمة إلى الانزلاق للخارج بدلاً من التشبث، مما يجعلها تفشل في توفير التعزيز اللازم. تستكشف هذه الدراسة، التي أجراها باحثون في جامعة لافلي بروفيسيونال في الهند وجامعة هاجي محمد دانيش للعلوم والتكنولوجيا في بنغلاديش، ما إذا كان إعادة تشكيل ألياف النفايات هذه إلى شكل متعرج (zigzag) يمكن أن يحل مشكلة التشبث، وكيف يؤثر هذا التعديل على قوة واختبار الخرسانة النهائية.

بدأ الباحثون بجمع زجاجات الصودا والمياه المستعملة، وإزالة أعناقها وقواعدها، وتقطيع أجسامها الأسطوانية إلى شرائح موحدة. وقد صنعوا نوعين متميزين من الألياف من هذه النفايات: ظل أحد النوعين مستقيماً وناعماً، بينما مر النوع الآخر عبر جهاز ميكانيكي لضغط نمط متعرج مستمر على البلاستيك. وقد قُطعت كلتا المجموعتين بطول 40 ملم. ثم خُلطت هذه الألياف في خرسانة قياسية من درجة M20، وهي خليط إنشائي شائع، بمعدل حلت فيه الألياف محل واحد بالمائة من حجم الركام الحجري الخشن. صب الفريق عشرات العينات الأسطوانية وعالجتها لمدة 28 يوماً في بيئة مفتوحة، معرضة لأشعة الشمس والمطر وتقلبات درجات الحرارة لمحاكاة ظروف البناء في العالم الحقيقي بدلاً من المناخ المحكوم للمختبر.

عندما اختُبرت الخرسانة الطازجة من حيث قابلية التشغيل، أظهرت إضافة الألياف البلاستيكية تكلفة فيزيائية فورية. فقد قللت الألياف المستقيمة والناعمة من تدفق الخليط بنسبة عشرة بالمائة تقريباً، لكن الألياف المتعرجة تسببت في انخفاض أكثر حدة، حيث قللت التدفق بنسبة تقارب ثلاثة وثلاثين بالمائة. لقد خلق الشكل المتعرج للألياف تشابكاً فيزيائياً، مما جعل الخيوط البلاستيكية تتداخل مع بعضها البعض ومع الرمل والحجر المحيط، مما جعل الخليط أكثر صلابة وأصعب في الصب. ورغم هذا الفقد في سهولة التعامل، أثبتت الخرسانة المتصلدة قدرة مدهشة على الصمود. فعند سحقها في آلة اختبار، وصلت قوة عينة الخرسانة العادية إلى 20.20 ميجاباسكال. وحافظ الخليط ذو الألياف المستقيمة على 18.90 ميجاباسكال، وهو انخفاض طفيف، بينما حقق الخليط المتعرج 17.65 ميجاباسكال. وعلى الرغم من انخفاض القوة قليلاً، أكد الباحثون أن استخدام هذه الكمية الصغيرة من البلاستيك المعاد تدويره لم يمس القدرة الإنشائية للخرونة على تحمل الأحمال.

ظهر اكتشاف أكثر إثارة للدهشة عندما اختبر الفريق الخرسانة باستخدام طريقة غير مدمرة تُعرف باسم مطرقة "شميدت" الارتدادية (Schmidt rebound hammer). يعمل هذا الجهاز عن طريق إطلاق كتلة صغيرة تعمل بالزنبرك ضد سطح الخرسانة وقياس مدى ارتدادها؛ حيث يشير الارتداد الأعلى عادةً إلى سطح أكثر صلابة وقوة. في الخرسانة القياسية، توفر هذه الطريقة تقديراً دقيقاً إلى حد ما للقوة. ومع ذلك، في العينات المعززة بالألياف، قللت المطرقة باستمرار من تقدير القوة الحقيقية. فقد عملت الألياف البلاستيكية الناعمة القريبة من السطح كممتص للصدمات، مما أدى إلى تخميد تأثير المطرقة وجعل الارتداد أقل مما ينبغي. وبالنسبة للخليط المتعرج، أشارت المطرقة إلى أن الخرسانة كانت أقوى بنحو نصف قوتها الفعلية فقط. ولتصحيح ذلك، طور الباحثون عوامل تعديل محددة، مما يعني إنشاء "كتيب قواعد" جديد لكيفية تفسير قراءات المطرقة عند وجود ألياف بلاستيكية، لضمان عدم رفض المفتشين لبناء سليم عن طريق الخطأ.

ظهر الفرق الأكثر دراماتيكية عندما سُحقت الأسطوانات أخيراً حتى الفشل. تحطمت الخرسانة العادية فوراً، وتفتتت إلى كومة من الشظايا مع كسر قص مفاجئ وعنيف. وأظهر الخليط ذو الألياف المستقيمة تحسناً طفيفاً، حيث تشقق على طول الأسطوانة، لكن الألياف الناعمة سُحبت في النهاية من عجينة الأسمنت، مما ترك الغلاف الخارجي يتداعى. ومع ذلك، تصرف خليط الألياف المتعرجة بشكل مختلف. فبينما تشققت الأسطوانة، انغلق الخيوط البلاستيكية المتعرجة بإحكام في الأسمنت المحيط، تماماً مثل نتوءات قضبان الحديد الفولاذية. هذا التداخل الميكانيكي منع الألياف من الانزلاق للخارج، مما سمح للخرسانة بالتماسك حتى بعد تجاوز ذروة الحمل. لم تنهار العينة؛ بل حافظت على شكلها الأسطواني مع ظهور شبكة من الشقوق الدقيقة، مما أظهر نمط فشل مطيلي (مرن)، وهو ما يوفر أماناً أكبر في حالات الانهيار الواقعي.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يتطلب تحويل زجاجات البلاستيك المستعملة إلى تعزيز للخرسانة تعاملاً دقيقاً لإدارة صلابة الخليط، فإن النتائج واعدة. إن الهندسة المتعرجة هي المفتاح، حيث تحول الشريط البلاستيكي الزلق إلى مرساة قوية تحسن بشكل كبير قدرة الخرسانة على مقاومة التصدع والتماسك بعد الضرر. ومن خلال وضع طرق معايرة جديدة للاختبار غير المدمر، قدم الباحثون أيضاً أداة عملية للمهندسين لتقييم هذه المواد الجديدة بدقة في الميدان. ويشير هذا العمل إلى أنه مع الشكل الصحيح، يمكن لزجاجات البلاستيك المستبعدة أن تكون أكثر من مجرد نفايات؛ بل يمكن أن تصبح مكوناً حيوياً في جعل بنيتنا التحتية أكثر قوة وصموداً.