Experimental Investigation on the Cyclic Behaviour of Nano Basalt Enhanced Epoxy Filler Modified Bamboo Reinforced Concrete Slabs

تُصمم المباني لتقف صامدة أمام وزن موادها والناس بداخلها، ولكن يجب عليها أيضاً أن تنجو من الضغوط المتكررة للحياة اليومية. فالرياح تضغط على ناطحة السحاب، وحركة المرور تسبب اهتزاز الجسور، والزلازل تهز الأرض تحت المنازل. وللتعامل مع هذه القوى، يعتمد المهندسون على مواد يمكنها الانحناء دون أن تنكسر وتمتص الطاقة بدلاً من أن تتحطم. ولأكثر من قرن، كان الفولاذ هو الخيار القياسي لتعزيز الخرسانة لأنه قوي ومرن. ومع ذلك، يتطلب إنتاج الفولاذ كميات هائلة من الطاقة ويترك بصمة كربونية ثقيلة. واستجابة لذلك، وجه الباحثون اهتمامهم نحو الخيزران (البامبو)، وهو نبات سريع النمو يتميز بقوة طبيعية وقابلية للتجدد. وكان التحدي دائماً يكمن في أن الخيزران يتصرف بشكل مختلف عن الفولاذ؛ إذ يمكن أن يتعفن عندما يبتل ولا يترابط بشكل مثالي مع الخرسانة، مما يؤدي غالباً إلى حالات فشل مفاجئة عندما تتعرض البنية للحدود القصوى.

لقد سعى فريق من الباحثين في الهند لحل هذه المشكلة عن طريق معالجة الخيزران بطبقة خاصة تجعله يتصرف مثل الفولاذ تحت تأثير الإجهاد المتكرر. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم ابتكار مادة بناء مستدامة يمكنها تحمل أنواع الاهتزاز والانحناء التي تحدث أثناء الزلازل أو الاستخدام الكثيف. ركز عملهم على نوع محدد من الألواح الخرسانية، وهي لوحة مسطحة تُستخدم في الأرضيات أو الأسطح، معززة بشرائح من الخيزران. وبدلاً من استخدام الخيزران الخام، قاموا بغمس الشرائح في راتنج الإيبوكسي، وهي مادة لاصقة قوية، وخلطوها مع جزيئات دقيقة من صخور البازلت والزجاج. صُمم هذا الخليط لملء الفجوات بين الخيزران والخرسانة، مما يخلق تماسكاً أوثق ويسمح للمادتين بالعمل معاً بشكل أكثر فعالية. كان الهدف هو اختبار ما إذا كان هذا الخيزران المعالج يمكنه الصمود أمام دورات متعددة من التحميل والتفريغ الثقيل دون فقدان قوته أو صلابته.

قام الباحثون بصب ألواح خرسانية صغيرة، يبلغ قياس كل منها 600 في 450 في 50 ملم، باستخدام خليط قياسي من الإسمنت والرمل. وأنشأوا عدة نسخ من هذه الألواح لمقارنة الأداء. احتوت بعض الألواح على أي تعزيز على الإطلاق، لتكون بمثابة خط أساس لإظهار كيف تفشل الخرسانة العادية. واحتوت ألواح أخرى على تعزيز بالفولاذ، وهو المعيار التقليدي. أما الألواح المتبقية فقد استخدمت شرائح الخيزران التي تلقت معالجات مختلفة: بعضها تُرك خاماً، وبعضها غُطي بالإيبوكسي فقط، وبعضها الآخر غُطي بالإيبوكسي الممزوج بالرمل أو الزجاج أو مزيج من الزجاج ومسحوق البازلت النانوي. وبمجرد معالجة الألواح لمدة شهر، وُضعت في آلة اختبار تضغط عليها بنقطتين من القوة، ثم تتركها، وتكرر هذه العملية مراراً وتكراراً. وقد حاكى هذا نوع الإجهاد المتكرر الذي قد تواجهه المباني أثناء العواصف أو الأحداث الزلزالية. وسجلت الآلة مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها الألواح، ومدى انحنائها، وكمية الطاقة التي امتصتها قبل أن تنكسر في النهاية.

أظهرت النتائج فرقاً واضحاً بين المواد غير المعالجة والمعالجة. فقد تصدعت الألواح الخرسانية العادية وفشلت بسرعة، حيث لم تستطع تحمل أكثر من دورات قليلة من الضغط. وأدت الألواح المعززة بالخيزران الخام إلى أداء أفضل قليلاً، لكنها فقدت صلابتها بسرعة وفشلت بعد دورات قليلة. أما الألواح المعززة بالفولاذ فقد صمدت بشكل أفضل، حيث امتصت أكبر قدر من الطاقة وحافظت على شكلها لأطول فترة ممكنة، مما أكد موثوقية الطريقة التقليدية. ومع ذلك، فإن الألواح المعززة بالخيزران المعالج بخليط الإيبوكسي والبازلت النانوي جاءت قريبة بشكل ملحوظ من أداء الفولاذ. فقد تحمل لوح الخيزران المعالج بهذا الخليط حِملاً أقصى قدره 60.6 كيلونيوتن وامتص 76.8 كيلونيوتن-مليمتر من الطاقة، وهي أرقام قريبة جداً من الـ 62.6 كيلونيوتن والـ 83.3 كيلونيوتن-مليمتر التي حققتها الألواح المعززة بالفولاذ. وفي المقابل، عجزت الخيزران غير المعالج والمعالجات الأخرى الأقل تقدماً عن الوصول إلى هذه الأرقام بفارق كبير.

وبعيداً عن مجرد الأرقام، فإن الطريقة التي فشلت بها الألواح أخبرت قصة مهمة عن السلامة. فعندما فشلت ألواح الخيزران غير المعالجة، حدث ذلك بشكل مفاجئ وكارثي، حيث انقسمت إلى أجزاء دون سابق إنذار. أما الألواح المعالجة، فقد أظهرت تراجعاً تدريجياً أكثر بكثير. فمع زيادة الحمل، ظهرت شقوق انتشرت بالتساوي عبر السطح بدلاً من التركز في نقطة ضعف واحدة. هذا السلوك يعني أن الهيكل سيظهر علامات واضحة للضيق قبل انهياره بوقت طويل، مما يتيح للناس وقتاً للتحرك. كما حافظ الخيزران المعالج على صلابته بشكل أفضل بكثير من الخيزران الخام، حيث فقد حوالي 25 بالمائة فقط من جساءته بعد دورات متعددة، بينما فقد الخيزران الخام أكثر من النصف. تشير هذه القدرة على البقاء صلباً وامتصاص الطاقة بشكل متكرر إلى أن الطبقة قد نجحت في منع الخيزران من الانزلاق داخل الخرسانة، وهو سبب شائع للفشل في النسخ غير المعالجة.

ولضمان دقة هذه النتائج، قام الباحثون أيضاً ببناء نموذج حاسوبي للألواح لمحاكاة الاختبارات الفيزيائية. وطابقت المحاكاة الرقمية النتائج الواقعية عن كثب، مما أكد أن النماذج الرياضية المستخدمة للتنبؤ بكيفية تفاعل الخرسانة والخيزران كانت تعمل بشكل صحيح. وهذا التوافق بين التجارب الفيزيائية والمحاكاة الحاسوبية يعطي الثقة في أن النتائج موثوقة وليست مجرد صدفة مرتبطة بعينات محددة. وتخلص الدراسة إلى أنه باستخدام طبقة بسيطة من الإيبوكسي الممزوج بالبازلت والزجاج النانوي، يمكن تحويل الخيزران إلى بديل قابل للتطبيق للفولاذ لتعزيز الخرسانة في الهياكل التي تواجه هزات متكررة أو متوسطة. ورغم أنه لم يحل محل الفولاذ تماماً في كل المقاييس، إلا أنه أثبت أن مادة مستدامة مستمدة من النبات يمكن هندستها لتؤدي بمستوى من المتانة والسلامة يجعلها منافساً جاداً في عمليات البناء المستقبلية، لا سيما في المناطق التي يكون فيها الفولاذ باهظ الثمن أو يصعب توفيره.