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

निर्माण की दुनिया में, कंक्रीट संपीड़न (compression) का एक चमत्कार है; यह दबने पर अविश्वसनीय रूप से मजबूत होता है, लेकिन खींचने पर आसानी से टूट जाता है। इस कमजोरी को दूर करने के लिए, इंजीनियर कंक्रीट के भीतर स्टील की छड़ें डालते हैं, जिसे सुदृढीकरण (reinforcement) की तकनीक के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, स्टील में एक दोष है: इसमें जंग लग जाता है। हाल के दशकों में, निर्माताओं ने एक अलग प्रकार के सुदृढीकरण की ओर रुख किया है जो हजारों सूक्ष्म कांच या कार्बन रेशों से बना है जिन्हें एक साथ गुंथा गया है। इन गुच्छों को 'रोविंग्स' (rovings) कहा जाता है, जिन्हें कपड़ों के रूप में बुना जाता है और फिर उन्हें कंक्रीट में कसकर स्थापित किया जाता है। इस प्रक्रिया को 'प्रीस्ट्रेसिंग' (prestressing) कहा जाता है, जो कंक्रीट पर निरंतर दबाव डालती है, जिससे संरचनाएं पतली, हल्की और दरारों के प्रति अधिक प्रतिरोधी हो पाती हैं। इस काम को सफल बनाने की कुंजी स्वयं उस कपड़े में निहित है। जब इन फाइबर गुच्छों को कसकर खींचा जाता है, तो वे केवल एक रबर बैंड की तरह खिंचते नहीं हैं; बल्कि उनका आंतरिक आकार बदल जाता है। गुच्छे के भीतर के हजारों व्यक्तिगत धागे खिसकते, फिसलते और खुद को पुनर्गठित करते हैं। यदि गुच्छा बहुत अधिक दब जाता है या गलत तरीके से अपना आकार बदल लेता है, तो यह आसपास के कंक्रीट पर अपनी पकड़ खो सकता है, जिससे पूरी संरचना कमजोर हो सकती है। तनाव के तहत ये गुच्छे कैसे विकृत होते हैं, इसे समझना यह अनुमान लगाने के लिए आवश्यक है कि कोई इमारत कितने समय तक टिकेगी और कितना भार सुरक्षित रूप से उठा सकती है।

पीटर द ग्रेट सेंट पीटर्सबर्ग पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इस अदृश्य पुनर्गठन को वास्तविक समय में देखने के लिए प्रयास किए। उन्होंने विशेष रूप से दो प्रकार के 'वार्प-निटेड' (warp-knitted) कपड़ों पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसी निर्माण विधि है जो खुली, जाली जैसी संरचनाएं बनाती है। एक प्रकार का कपड़ा "ट्रिकोट" (tricot) नामक स्टिच पैटर्न का उपयोग करता है, जो एक तिरछी, आपस में जुड़ी हुई संरचना बनाता है, जबकि दूसरा "पिलर" (pillar) स्टिच का उपयोग करता है, जो एक अधिक ऊर्ध्वाधर, श्रृंखला जैसी आकृति बनाता है। टीम ने कांच और कार्बन दोनों रेशों से बने कपड़ों का परीक्षण किया, और उन पर बढ़ते स्तर का तनाव डाला। उन्होंने कपड़े को टूटने तक केवल खींचा नहीं; इसके बजाय, उन्होंने सूक्ष्म निरीक्षण के लिए इसे विशिष्ट बिंदुओं पर—अधिकतम मजबूती के 25%, 50% और 75% पर—रोका। ऐसा करने के लिए, उन्होंने तेजी से जमने वाले रेजिन (resin) का उपयोग करके कपड़े को उसके खिंचे हुए अवस्था में जमा दिया, उसके सूक्ष्म टुकड़े काटे, और उन्हें एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे देखा। फिर उन्होंने प्रत्येक फाइबर की स्थिति को मैप करने के लिए कंप्यूटर सॉफ्टवेयर का उपयोग किया, जिससे लोड बढ़ने पर धागों की गति का एक विस्तृत सांख्यिकीय चित्र तैयार हुआ।

परिणामों ने दोनों स्टिच पैटर्न के बीच एक नाटकीय अंतर प्रकट किया। ट्रिकोट स्टिच से बने कपड़ों में, लोड बढ़ने के साथ फाइबर गुच्छे का क्रॉस-सेक्शन महत्वपूर्ण रूप से बदल गया। शुरुआत में, इन गुच्छों का आकार चपटा और अंडाकार था, जिसमें रेशे एक विस्तृत क्षेत्र में फैले हुए थे। जैसे-जैसे तनाव बढ़ा, गुच्छा दबने लगा, अपनी चपटापन खोने लगा और अधिक गोलाकार होने लगा। रेशे, जो कभी फैले हुए थे, गुच्छे के केंद्र की ओर अंदर की तरफ खिसक गए। यह पुनर्गठन खिंचाव के शुरुआती चरणों में, विशेष रूप से अधिकतम लोड के प्रारंभ और 25% के बीच सबसे तेजी से हुआ। जब तक कपड़ा अपनी 75% मजबूती तक पहुँचा, गुच्छा एक ऐसे आकार में बदल गया था जो वृत्त के बहुत करीब था, और रेशे बीच में कसकर पैक हो गए थे। इस बदलाव का अर्थ था कि गुच्छा आसपास की सामग्री के साथ संपर्क खो रहा था, जो एक महत्वपूर्ण कारक है क्योंकि फाइबर और कंक्रीट के बीच का बंधन सीमेंट को छूने वाले गुच्छे के सतही क्षेत्रफल (surface area) पर निर्भर करता है।

इसके विपरीत, पिलर स्टिच से बने कपड़ों ने बहुत अलग व्यवहार किया। ये गुच्छे लगभग गोलाकार आकार से शुरू हुए और पूरी खिंचाव प्रक्रिया के दौरान वैसे ही रहे। यहाँ तक कि जब तनाव अधिकतम शक्ति के 75% तक बढ़ गया, तब भी पिलर-स्टिच्ड गुच्छों का व्यास केवल थोड़ा सा ही सिकुड़ा। रेशे नाटकीय रूप से केंद्र की ओर नहीं बढ़े; इसके बजाय, उन्होंने अपना मूल, समान वितरण बनाए रखा। शोधकर्ताओं ने पाया कि पिलर स्टिच एक बहुत अधिक स्थिर ज्यामिति प्रदान करता है, जो ट्रिकोट नमूनों में होने वाले चपटेपन और आकार परिवर्तन का विरोध करता है। यह स्थिरता बताती है कि पिलर स्टिच कंक्रीट पर अधिक सुसंगत पकड़ प्रदान कर सकता है, क्योंकि लोड के तहत सुदृढीकरण का आकार मौलिक रूप से नहीं बदलता है।

अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि यह पुनर्गठन केवल गुच्छे के छोटा होने का मामला नहीं है; यह हजारों व्यक्तिगत तंतुओं (filaments) का एक जटिल आंतरिक प्रवास है। ट्रिकोट स्टिच में, रेशे बाहरी किनारों से कोर (केंद्र) की ओर बढ़ते हैं, जिससे प्रभावी रूप से "संपर्क लंबाई" (contact length) कम हो जाती है—जो गुच्छे का वह परिधि हिस्सा है जो कंक्रीट को छूता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि खिंचाव की पहली तिमाही में संपर्क लंबाई तेजी से गिरती है, जिसके बाद यह स्थिर हो जाती है। यह निष्कर्ष बताता है कि सबसे महत्वपूर्ण परिवर्तन शुरुआत में होते हैं, और कपड़े को एक निश्चित बिंदु से अधिक खींचने से आंतरिक व्यवस्था में और अधिक बदलाव नहीं आता है। कांच और कार्बन रेशों के बीच का अंतर भी नोट किया गया, जिसमें कार्बन गुच्छों में कांच के मुकाबले कहीं अधिक व्यक्तिगत तंतु थे, फिर भी दोनों ने अपने स्टिच पैटर्न द्वारा निर्धारित समान नियमों का पालन किया।

अंततः, यह कार्य इस बात का स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है कि उच्च-तकनीकी कपड़े तनाव के तहत कैसे व्यवहार करते हैं। यह दिखाता है कि स्टिच पैटर्न का चुनाव केवल एक निर्माण विवरण नहीं है, बल्कि एक मौलिक कारक है कि सुदृढीकरण कंक्रीट के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है। इंजीनियरों के लिए जो प्रीस्ट्रेस्ड कंक्रीट संरचनाओं को डिजाइन कर रहे हैं, इसका अर्थ यह है कि ट्रिकोट स्टिच, हालांकि सामान्य है, एक महत्वपूर्ण ज्यामितीय परिवर्तन से गुजरता है जो सामग्री के दीर्घकालिक प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है। पिलर स्टिच, अपना आकार बनाए रखकर, एक अलग यांत्रिक प्रोफाइल प्रदान करता है। शोध पुष्टि करता है कि इन आधुनिक संरचनाओं की मजबूती और स्थायित्व का अनुमान लगाने के लिए, हमें केवल रेशों की साधारण मजबूती को ही नहीं देखना चाहिए, बल्कि उन गुच्छों की जटिल, बदलती ज्यामिति को भी समझना चाहिए जो उन्हें एक साथ थामे रखते हैं।