Changing the Cross-Sectional Shapes of the Prestressed Rovings in Warp-Knitted Glass and Carbon Reinforcing Fabrics

في عالم البناء، يُعد الخرسان أعجوبة في تحمل الضغط؛ فهو قوي للغاية عندما يُضغط عليه، ولكنه يتشقق بسهء عند تعرضه للشد. ولإصلاح هذا الضعف، يقوم المهندسون بدمج قضبان فولاذية داخل الخرسانة، وهي تقنية تُعرف باسم التعزيز. ومع ذلك، فإن الفولاذ يعيبه أنه يصدأ. وفي العقود الأخيرة، اتجه البناؤون إلى نوع مختلف من التعزيز مصنوع من آلاف الألياف الزجاجية أو الكربونية الدقيقة المجمعة معًا. هذه الحزم، التي تسمى "الرواوينج" (rovings)، تُنسج في أقمشة يتم بعد ذلك شدها بقوة وتثبيتها داخل الخرسانة. هذه العملية، التي تسمى "السبق الإجهادي" (prestressing)، تضع الخرسانة تحت ضغط مستمر، مما يسمح ببناء هياكل أكثر رقة وخفة وأكثر مقاومة للتشقق. ويكمن المفتاح لإنجاح هذا العمل في النسيج نفسه؛ فعندما تُشد هذه الحزم من الألياف، فإنها لا تتمدد فحسب مثل الرباط المطاطي، بل يتغير شكلها الداخلي. حيث تتحرك آلاف الخيوط الفردية داخل الحزمة، وتنزلق، وتعيد ترتيب نفسها. وإذا انضغطت الحزمة بشكل مفرط أو تغير شكلها بطريقة خاطئة، فقد تفقد قبضتها على الخرسانة المحيطة بها، مما يضعف الهيكل بأكمده. إن فهم كيفية تشوه هذه الحزم تحت تأثير الشد أمر ضروري للتنبؤ بمدى عمر المبنى وكمية الوزن التي يمكنه حملها بأمان.

لقد سعى الباحثون في جامعة بيتر الأكبر سانت بطرسبرغ المتعددة التقنيات لمراقبة عملية إعادة الترتيب غير المرئية هذه في الوقت الفعلي. وقد ركزوا على نوعين محددين من الأقمشة المحبوكة بطريقة "التريكو" (warp-knitted)، وهي طريقة تصنيع تخلق هياكل شبكية مفتوحة. يستخدم أحد أنواع الأقمشة نمط غرزة يسمى "تريكو" (tricot)، والذي يخلق بنية متداخلة مائلة، بينما يستخدم النوع الآخر غرزة "العمود" (pillar)، التي تشكل نمطًا يشبه السلسلة أكثر عمودية. اختبر الفريق أقمشة مصنوعة من كل من الألياف الزجاجية والكربونية، وعرضها لمستويات متزايدة من الشد. لم يكتفوا بشد النسيج حتى ينقطع، بل توقفوا عند نقاط محددة — 25% و50% و75% من أقصى قوة للنسيج — لفحص ما يحدث في الداخل. وللقيام بذلك، قاموا بتجميد النسيج في حالته المشدودة باستخدام راتنج سريع التصلب، ثم قطعوا شرائح صغيرة وفحصوها تحت مجهر قوي. ثم استخدموا برامج حاسوبية لرسم خريطة لموضع كل ليف فردي داخل مقطع الحزمة، مما خلق صورة إحصائية مفصلة لكيفية تحرك الخيوط مع زيادة الحمل.

كشفت النتائج عن اختلاف صارخ بين نمطي الغرزتين. ففي الأقمشة المصنوعة بغرزة "التريكو"، تغير المقطع العرضي لحزمة الألياف بشكل كبير مع زيادة الحمل. في البداية، كانت هذه الحزم ذات شكل بيضاوي مفلطح، حيث كانت الألياف منتشرة على مساحة واسعة. ومع ارتفاع التوتر، بدأت الحزمة في الانضغاط، وفقدت تسطحها وأصبحت أكثر دائرية. وبدأت الألياف، التي كانت منتشرة ذات يوم، في الهجرة نحو مركز الحزمة. حدثت إعادة الترتيب هذه بسرعة أكبر في المراحل الأولى من الشد، وتحديدًا بين البداية و25% من الحمل الأقصى. وبحلول الوقت الذي وصل فيه النسيج إلى 75% من قوته، كان قد تحول إلى شكل أقرب بكثير إلى الدائرة، وكانت الألياف متراصة بإحكام بالقرب من المنتصف. هذا التحول يعني أن الحزمة تفقد اتصالها بالمادة المحيطة، وهو عامل حاسم لأن الرابط بين الليف والخرسانة يعتمد على مساحة سطح الحزمة التي تلامس الأسمنت.

وفي المقابل تمامًا، تصرفت الأقمشة المصنوعة بغرزة "العمود" بشكل مختلف تمامًا. فقد بدأت هذه الحزم بشكل دائري تقريبًا وظلت كذلك طوال عملية الشد. وحتى مع زيادة التوتر إلى 75% من أقصى قوة، انكمش المقطع العرضي لحزم غرزة العمود قليلاً فقط في القطر. ولم تهاجر الألياف بشكل دراماتيكي نحو المركز؛ بل حافظت على توزيعها المنتظم الأصلي. ووجد الباحثون أن غرزة العمود توفر هندسة أكثر استقرارًا، حيث تقاوم التسطح وإعادة التشكيل التي حدثت في عينات التريكو. ويشير هذا الاستقرار إلى أن غرزة العمود قد توفر قبضة أكثر اتساقًا على الخرسانة، حيث لا يخضع شكل التعزيز لتحول جذري تحت الحمل.

كما سلطت الدراسة الضوء على أن إعادة التشكيل هذه ليست مجرد مسألة تقلص حجم الحزمة، بل هي هجرة داخلية معقدة لآلاف الخيوط الفردية. ففي غرزة التريكو، تتحرك الألياف من الحواف الخارجية إلى اللب، مما يقلل فعليًا من "طول التلامس" — أي محيط الحزمة الذي يلمس الخرسانة. وحسب الباحثون أن طول التلامس ينخفض بشكل حاد في الربع الأول من عملية الشد، وبعد ذلك يستقر. تشير هذه النتيجة إلى أن التغييرات الأكثر أهمية تحدث في وقت مبكر، وأن شد النسيج إلى ما بعد نقطة معينة لا يغير الترتيب الداخلي بشكل أكبر. كما لوحظ الفرق بين الألياف الزجاجية والكربونية، حيث تحتوي حزم الكربون على عدد أكبر بكثير من الخيوف الفردية، ومع ذلك اتبعت كلتاهما نفس القواعد العامة التي يمليها نمط الغرزة.

في نهاية المطاف، توفر هذه الدراسة خريطة واضحة لكيفية سلوك هذه الأقمشة عالية التقنية تحت الإجهاد. وهي تظهر أن اختيار نمط الغرزة ليس مجرد تفصيل تصنيعي، بل هو عامل أساسي في كيفية تفاعل التعزيز مع الخرسانة. وبالنسبة للمهندسين الذين يصممون هياكل الخرسانة سابقة الإجهاد، فإن هذا يعني أن غرزة "التريكو"، رغم شيوعها، تخضع لتحول هندسي كبير قد يؤثر على الأداء طويل الأمد للمادة. أما غرزة "العمود"، فمن خلال حفاظها على شكلها، تقدم ملفًا ميكانيكيًا مختلفًا. وتؤكد الأبحاء أنه للتنبؤ بقوة ومتانة هذه الهياكل الحديثة، يجب النظر إلى ما وراء القوة البسيطة للألياف وفهم الهندسة المتغيرة والمعقدة للحزم التي تمسكها معًا.