يمكن للألياف النباتية أن تمنح منتجات الأسمنت مزيجًا مختلفًا من الخصائص. فقد تساعد في توزيع الشقوق الصغيرة، وتقليل الكثافة، وتحسين الأداء الحراري لبعض مواد الجدران. كما أنها تمتص الماء، وتتغير خصائص العديد من الألياف الطبيعية في البيئة شديدة القلوية التي يتميز بها أسمنت بورتلاند. يبدأ التصميم الناجح بتحديد الوظيفة المطلوبة من المنتج، ثم اختبار درجة معينة من الألياف في المادة الرابطة الفعلية.
في شركة شاندونغ جيانبانغ للألياف الكيميائية المحدودة، نوفر ألياف Ecocretefiber™ للمواد القائمة على الأسمنت. وتُعد مجموعة ألياف السليلوز التي نقدمها أحد الخيارات المتاحة عندما يرغب المنتج في استخدام ألياف ذات أصل نباتي. إلا أن هذا الاختيار لا يزال يتطلب تحديدًا واضحًا للتطبيق وإجراء تجربة خاضعة للرقابة. تُظهر دراسة استقصائية حول أبحاث ألياف القش والخيزران وسيقان بذور اللفت وغيرها من الألياف النباتية سبب عدم وجود خيار واحد “الخرسانة المصنوعة من الألياف النباتية”الوصفة".
ما الذي يُعتبر أليافًا نباتية في الخرسانة؟
الألياف النباتية هي خيوط أو أجزاء قصيرة مستمدة من مصادر طبيعية مثل القش، أو الخيزران، أو السيزال، أو الجوت، أو ألياف جوز الهند، أو السليلوز المعالج. وتتكون مكوناتها الرئيسية من السليلوز، والهيميسليلوز، واللجنين، وكميات أقل من الشمع ومركبات أخرى. وتتغير نسب هذه المكونات باختلاف الأنواع، والحصاد، والمعالجة، والتخزين. هناك منتجان يحملان علامة “ألياف السليلوز”وبالتالي، يمكن أن تختلف أبعادها وقدرتها على الامتصاص وسلوكها في الأسمنت اختلافًا كبيرًا.".
الشكل لا يقل أهمية عن المصدر. فالسيقان المقطعة، وجزيئات القش المطحونة، وخيوط السليلوز القصيرة المنقاة لا توفر نفس القدر من التعزيز. فقد تتمكن الخيوط الطويلة من سد شقوق أكبر، في حين توفر الألياف الدقيقة مساحة تلامس أكبر ويمكن أن تؤثر على تماسك الخلطة الطازجة. ولا يثبت أي من هذين الوصفين بحد ذاته القدرة الهيكلية. لذا يجب قياس الطول، ونسبة العرض إلى الارتفاع، وقوة الشد، والترابط، والجرعة، والتشتت للدرجة المختارة.
كما تختلف الألياف النباتية عن ألياف البولي بروبلين الدقيقة ومن إيثرات السليلوز القابلة للذوبان. خيوط أحادية PP يتميز بنمط امتصاص مائي مختلف، في حين أن إيثر السليلوز يغير سلوك الماء والتدفق في الملاط عندما يكون في صورة مسحوق. دليلنا إلى ألياف السليلوز وإيثيل السليلوزr ويوضح ذلك سبب عدم إمكانية استبدالها على أساس الوزن.
| شكل المادة | الدور الرئيسي الذي يتعين تقييمه | المشكلة الرئيسية المتعلقة بالمؤهلات |
| قش أو سيقان مقطعة في حالتها الخام | الكثافة المنخفضة، أو توزيع الشقوق، أو العزل في منتجات محددة | التركيب المتغير، وامتصاص الماء، والمواد المستخلصة، والاستقرار على المدى الطويل |
| ألياف السليلوز المعالجة | التحكم الدقيق في الشقوق وتماسك الخلطة | اتساق الدرجة، والجرعة، والتوزيع، والتوافق |
| الخيزران أو خيوط نباتية أخرى أطول | المحتمل سد الشقوق في مركب متطابق | الرابطة، والتوجيه، وحركة الرطوبة، والشيخوخة القلوية |
| ألياف دقيقة من البولي بروبيلين | السيطرة المبكرة على التشققات مع انخفاض امتصاص الماء في الألياف | الدرجة المحددة، والجرعة، واختبارات أداء المشروع |
توضح هذه المقارنة الأدوار التصميمية المحتملة، وليست نتائج مضمونة. وينبغي أن تحدد المواصفات اسم المنتج الفعلي وأدائه الذي خضع للاختبار، وليس مجرد فصيلته النباتية.
كيف تؤثر الألياف على القوة وسلوك التشقق
يمكن للألياف أن تعبر الشق الناشئ وتحمل قوة الشد مع انفتاح مصفوفة الأسمنت. وقد يؤثر هذا «الجسر» على طريقة انهيار العارضة وعدد الشقوق التي تتشكل. ويمكن لشبكة دقيقة وموزعة بشكل جيد أن تساعد في الحفاظ على ضيق الشق. وتعتمد القوة الفعالة على ما إذا كانت الألياف تظل سليمة، وعلى ما إذا كانت الواجهة تنقل الحمل دون انزلاق مفرط أو تمزق مبكر.
مراجعة أجراها باي شيكي في عام 2020 في التقنيات والمنتجات الجديدة في الصين تمت مقارنة عدة أمثلة بحثية. أظهرت سلسلة من الخرسانة المضاف إليها ألياف القش انخفاضًا في قوة الضغط وقوة الشد الانشقاقي وقوة الانحناء مع زيادة نسبة القش فيها. في حين أظهرت تجربة منفصلة على ألياف الخيزران تحسنًا ملحوظًا في قوة الشد الانشقاقي. ويمكن أن تتعايش هذه النتائج معًا نظرًا لاختلاف الألياف وتصاميم الخلط ونطاقات الجرعات وطرق الاختبار. ولن نستخدم نتيجة تجربة ألياف الخيزران للتنبؤ بقوة خليط القش.
كما تصف الدراسة تجربة أجريت على سيقان بذور اللفت بجرعات منخفضة، بمستويات ألياف بلغت 0.1% و0.2% و0.3% و0.4%. وقد ارتفعت عدة مقاييس للقوة في البداية ثم انخفضت. وبلغت القيم القصوى المبلغ عنها لشد الانشقاق والانحناء حوالي 0.2% من حيث الحجم باستخدام ألياف يتراوح طولها بين 20 و30 ملم. وهذه النتيجة تتعلق بنظام معين لسيقان بذور اللفت. وهي لا لا ينبغي إدراج كمية السليلوز من نوع Ecocretefiber™ ونسبته المئوية الحجمية في ورقة الإنتاج القائمة على الكتلة دون إجراء حسابات لكثافة الألياف والمزيج.
لماذا قد يكون الإفراط في استخدام الألياف ضارًا؟ فزيادة كمية المواد النباتية قد تؤدي إلى سحب الماء من العجينة الطازجة، مما يقلل من قابلية التشكيل ويؤدي إلى تكوّن تكتلات. وقد يؤدي ذلك إلى احتباس الهواء في الخليط أو ظهور مناطق تحتوي على كمية ضئيلة جدًّا من العجينة حول الركام والألياف. وقد تكون الكثافة المنخفضة مفيدة في وحدات الجدران، إلا أن الفراغات الزائدة قد تقلل من مقاومة الضغط. يجب على المهندس تحديد الخاصية ذات الأولوية والحفاظ على الخصائص الأخرى ضمن الحدود المقبولة.
بالنسبة للقرارات الهيكلية، اطلب معرفة قيمة مقاومة الضغط المقاسة والاستجابة الكاملة للانحناء عند العمر المحدد. فذروة مقاومة الانحناء والحمل المتبقي بعد حدوث التشقق يجيبان على أسئلة مختلفة. ASTM C39/C39M-26 تتناول هذه المواصفات قوة الضغط لعينات الخرسانة الأسطوانية ذات الصلة. ASTM C78/C78M-22 يقيس مقاومة الانحناء عن طريق التحميل عند النقطة الثالثة. وعندما يكون الأداء المتبقي للعارضة أمرًا مهمًا،, ASTM C1609/C1609M-24 يقيّم الخرسانة المسلحة بالألياف من منحنى الحمل والانحراف الخاص بها. ويجب أن تتوافق طريقة الاختبار ونوع العينة مع المنتج قيد التأهيل.
فوائد العزل الحراري تتطلب مقارنة صحيحة
تتميز بعض المركبات المصنوعة من الألياف النباتية بموصلية حرارية أقل، وذلك لأن بنيتها تحتفظ بكمية أكبر من الهواء وتتميز بكثافة حجمية أقل. تصف الدراسة الاستعراضية لعام 2020 الخرسانة المصنوعة من سيقان بذور اللفت بأنها تتميز بمسام أكبر مقارنة بالخليط المرجعي، مع وجود اتجاه نحو انخفاض الموصلية الحرارية كلما زاد محتوى الألياف. ويمكن أن يؤثر هذا التغير في المسام على القوة وحركة الماء. ولذلك، يجب اختبار العزل والقوة معًا.
تشير إحدى المقارنات المذكورة إلى أن الموصلية الحرارية تبلغ 0.15 واط/(م·ك) للحصول على ماصّة كتلة إسمنتية من أوكسيكلوريد المغنيسيوم, ، مقابل 0.81 واط/(م·كلفن) للطوب الطيني و1.51 واط/(م·كلفن) للخرسانة المرجعية في ذلك المصدر. الرقم 0.15 ينطبق على كتلة الجدار المحددة تلك وسياق الاختبار الخاص بها. وهو لا يصف الخرسانة العادية المصنوعة من الأسمنت البورتلاندي، أو كل مزيج من الألياف النباتية، أو أي منتج من منتجات Ecocretefiber™.
يمكن أن يكون منتج الجدران خيارًا جذابًا عندما يكون الهدف هو تقليل تدفق الحرارة وتلبية متطلبات هيكلية معتدلة. أما الرصف أو العناصر المعرضة لأحمال ثقيلة، فتتطلب توازنًا مختلفًا. اطلب معرفة قيمة الموصلية عند مستويات الرطوبة والكثافة المحددة، وأبعاد الوحدة، ونتائج اختبارات الضغط والمتانة ذات الصلة. قد تؤثر الرطوبة على النتيجة الحرارية، لذا قد لا تعكس القيمة المختبرية التي تم الحصول عليها في ظروف جافة الأداء الفعلي لجدار معرض للعوامل الخارجية.
عندما يركز المنتج على الأداء الحراري، يجب مقارنة الوحدات أو الألواح الجاهزة بالكامل وفقًا لطريقة واحدة متفق عليها. ASTM C518-21 هي طريقة قياس تدفق الحرارة لتحديد خصائص الانتقال الحراري في حالة الاستقرار. اختر ترتيبًا مناسبًا للاختبار وسجل ظروف التكييف وحجم العينة وكثافتها ونسبة الرطوبة فيها.
يمثل امتصاص الماء التحدي الأول في تصميم الخلطة
غالبًا ما تحتوي الألياف النباتية على مسام ومجموعات مائية. ويمكنها امتصاص الماء قبل أو أثناء الخلط. وقد يؤدي ذلك إلى انخفاض كمية الماء الحر المتاحة لترطيب الأسمنت والركام، وتغيير درجة الانسياب أو التدفق، وتسبب اختلاف سلوك الدفعة المصنعة في المصنع عن الدفعة المختبرية الصغيرة. وأثناء الاستخدام، قد يؤدي الترطيب إلى انتفاخ الألياف، بينما يؤدي التجفيف إلى انكماشها. ويمكن أن تؤدي التغيرات المتكررة إلى إضعاف التفاعل بين الألياف والمصفوفة.
تصف الدراسة المذكورة مركبًا من ألياف القش ارتفع معدل امتصاصه للماء مع زيادة نسبة الألياف فيه. وأظهرت تجربة معالجة معينة أن الغسل أو المعالجة القلوية أدى إلى انخفاض الامتصاص مقارنةً بالنماذج غير المعالجة. وكان أقل قيمة تم الإبلاغ عنها هي 9.32% بعد نقع لمدة 12 ساعة لمزيج يستخدم 5% من الألياف المعالجة في محلول هيدروكسيد الصوديوم بنسبة 4%. وهذه نتيجة تجريبية محددة بدقة. وهي ليست تنبؤًا عامًّا لجميع أنواع الخرسانة المصنوعة من الألياف النباتية، ولا وصفة كيميائية موصى بها للمصانع.
في مرحلة الإنتاج، قم بتسجيل نسبة الرطوبة في الألياف عند استلامها وسلوكها في امتصاص الماء. قد تؤدي خطة الترطيب المسبق، أو التعديل المتحكم فيه لمستوى الماء، أو استخدام درجة مختلفة من الألياف إلى تحسين التماسك، ولكن يجب اختبار كل تغيير على حدة. قد تؤدي إضافة الماء حتى يبدو المزيج قابلاً للتشكيل إلى زيادة النسبة الفعالة للماء إلى المادة الرابطة وتقليل القوة. قد يكون تعديل مادة التليين الفائقة أكثر ملاءمة في بعض الخلطات، شريطة التحقق من توافقها.
يجب قياس كمية المياه المتسربة إلى الخرسانة بشكل منفصل عن كمية المياه التي تمتصها الألياف. ASTM C1585-20 يقيس معدل امتصاص الماء في الخرسانة الأسمنتية الهيدروليكية عبر سطح مكشوف. ويُعد هذا الاختبار مفيدًا عندما يتطلب التطبيق مقارنة محددة لمعدل الامتصاص. ولا يحل هذا الاختبار محل قياس الرطوبة بالألياف أو برنامج متانة المشروع.
لماذا قد يتباطأ عملية ترطيب الأسمنت
لا تحتوي الألياف النباتية على السليلوز وحده. فقد تطلق بعض السيقان والألياف الخام الأخرى سكريات قابلة للذوبان ومركبات من الهيميسليلوز أو اللجنين في ماء الخلط. وقد تؤدي هذه المواد المستخلصة إلى تأخير تفاعلات الأسمنت. تشير المراجعة الصادرة عام 2020 إلى أبحاث حول إطلاق الحرارة، حيث أدى استخدام القش إلى خفض معدل الترطيب الأقصى وتقليل الحرارة المنبعثة خلال الأيام السبعة الأولى. وتنطبق هذه الملاحظة على القش والمواد الرابطة التي خضعت للاختبار. وقد يتصرف السليلوز المنظف أو المعالج بشكل مختلف.
قد يؤدي استخدام خليط بطيء التصلب إلى تأخير إزالة القوالب أو التشطيب أو التحميل المبكر. كما قد يعقد عملية الإنتاج في الطقس البارد. يجب على المصنع مقارنة الخلطات العادية والخلطات الليفية التي تحتوي على نفس المادة الرابطة والماء والمواد المضافة ودرجة الحرارة وطريقة المعالجة. قم بتتبع التدفق الطازج، ووقت التصلب، والقوة المبكرة، والقوة اللاحقة. إذا كان المزيج يستخدم مواد أسمنتية تكميلية، فقم بتقييم نظام المادة الرابطة بالكامل بدلاً من افتراض أن تغيير محتوى الأسمنت يحل مشكلة عدم التوافق.
ASTM C403/C403M-23 يمكن قياس زمن التصلب من خلال مقاومة الاختراق بالنسبة لخلائط الخرسانة أو مكونات الملاط ذات الصلة. ويمكن أن يوفر القياس الحراري المتساوي الحرارة معلومات إضافية حول منحنى إطلاق الحرارة. وتُبيّن هذه الاختبارات للفريق ما إذا كان تحضير الألياف والمواد الرابطة يعملان معًا في ظل ظروف الإنتاج المخطط لها.
مشكلة المتانة في البيئات القلوية ومشكلة الالتصاق
يُعد محلول المسام في الأسمنت البورتلاندي العادي قلويًا. وبمرور الوقت، يمكن أن تؤدي هذه البيئة إلى تآكل مكونات بعض الألياف الطبيعية. وقد تزيد الرطوبة وعمليات التبليل والتجفيف المتكررة من حجم الضرر. وقد تناولت دراسة أجريت على السيزال في مصفوفات الأسمنت مسألة التحلل في ظل ظروف قلوية غنية بالمعادن، في حين قامت أبحاث تجريبية أخرى بقياس شيخوخة الألياف الطبيعية عند التعرض للبيئة القلوية. وتعتمد مدة خدمة المركب على نوع الألياف والمصفوفة الفعليين، لذا فإن نتيجة قوة جذابة بعد 28 يومًا ما هي إلا نقطة انطلاق. اقرأ دراسة تدهور مصفوفة الأسمنت و أبحاث تجريبية حول الشيخوخة.
كما أن سطح الألياف قد يجعل عملية الالتصاق صعبة. فقد تحد الشمعيات أو البقايا من التلامس مع عجينة الأسمنت. فالألياف التي تنسحب بسهولة شديدة لا يمكنها نقل حمل كبير عبر الشق. ومع ذلك، فإن الالتصاق القوي جدًّا بألياف هشة قد يؤدي إلى كسر الألياف. ويعتمد أفضل تفاعل بين السطوح على عرض الشق المطلوب ومرحلة التحميل.
تعد عمليات التنظيف، والمعالجة القلوية الخاضعة للرقابة، والطلاء، والمعالجة السطحية الميكانيكية أو بالبلازما من الأساليب الممكنة. وتختلف هذه الأساليب من حيث التكاليف والآثار. ويجب تقييم المعالجة من حيث تلف الألياف، والمواد الكيميائية المتبقية، وامتصاص الماء، وتوافق المزيج، والأداء على المدى الطويل. وتناقش هذه الدراسة البلازما الباردة كوسيلة لتغيير التركيب الكيميائي للسطح، لكنها لا تحدد عملية موحدة أو فائدة اقتصادية لكل درجة من درجات ألياف النباتات.
يمكن للمنتج أيضًا دراسة التغييرات في المواد الرابطة، بما في ذلك المواد الأسمنتية التكميلية المناسبة، كجزء من تصميم المتانة. ولا يعني ذلك تلقائيًّا أن المادة آمنة في جميع ظروف التعرض. يجب الجمع بين التكييف المعجل وخصائص الألياف والمواد المركبة المحتفظ بها، والتأكد من ظروف التشغيل مع المهندس.
أين يمكن استخدام الألياف النباتية وأين يلزم إجراء مزيد من الاختبارات
قد تتطلب الألواح الجدارية، والكتل خفيفة الوزن، وبعض الوحدات الجاهزة، والجص، وأنواع محددة من الملاط، مزيجًا من الكثافة المنخفضة، أو التماسك، أو الأداء الحراري. ومع ذلك، لا يزال كل منتج يحتاج إلى معايير القوة والرطوبة الخاصة به. أما العنصر الخرساني الهيكلي الذي يتحمل أحمالًا ثقيلة، فيحتاج إلى هيكل أقوى بكثير، خاصةً إذا كان التصميم يعتمد على الحمل المتبقي بعد حدوث التشقق. لا تعتبر كل ألياف نباتية بديلاً مباشراً عن حديد التسليح أو ألياف صناعية ماكرو مُصممة هندسيًّا.
نحن نقدم ألياف السليلوز Ecocretefiber™ خيار يتضمن أطوال القطع المنشورة ومعلومات عن الدرجة. إنه منتج مُعالج، وليس القش الخام أو عينات الخيزران الواردة في الدراسات المذكورة. يمكن أن تُثير صفحة المنتج نقاشًا حول الدرجة، في حين أن المزيج المختار يحتاج إلى التحقق منه بشكل منفصل. كما نقدم أيضًا مجموعة أوسع من الألياف عندما البولي بروبيلين (PP)، أو البولي فينيل أسيتال (PVA)، أو الفولاذ، أو أي مادة أخرى يتوافق بشكل أفضل مع هدف الأداء.
لإجراء تجربة مفيدة، حدد المنتج النهائي أولاً. اختر عينة مرجعية غير معالجة ومستويين على الأقل من الألياف. استخدم نفس المادة الرابطة، والركام، وعملية المعالجة، والتحكم في الماء لكل مجموعة. سجل رطوبة الألياف، والتشتت، والتدفق الطازج، ومحتوى الهواء، والوزن النوعي، والتصلب، وقوة الضغط، وسلوك الانحناء. أضف اختبارات الامتصاص والخصائص الحرارية والشيخوخة حيثما تكون هذه الخصائص ذات أهمية أثناء الاستخدام. قم بتصوير العينات المكسورة ولاحظ ما إذا كانت الألياف قد انسحبت أو انكسرت أو تجمعت.
ثم قم بإجراء تجربة خلط وصب على نطاق المصنع. يجب أن يتم تغذية الألياف بشكل متسق، وأن تتوزع دون تكوين كتل، وأن تحافظ على المظهر النهائي المطلوب. إذا تطلبت قابلية التشغيل مزيدًا من الماء، فقم بإعادة التصميم وإجراء الاختبار من جديد بدلاً من تغيير التركيبة المعتمدة دون إشعار. الوصفة الفائزة هي تلك التي تفي بجميع الخصائص المطلوبة بتكلفة وعملية قابلتين للتكرار.
الأسئلة الشائعة
هل الخرسانة المُعززة بالألياف النباتية أقوى دائمًا من الخرسانة العادية؟
لا. فهناك بعض الألياف والجرعات المنخفضة التي تعمل على تحسين قيم معينة للشد أو الانحناء، في حين أن بعض الخلطات الأخرى تؤدي إلى فقدان القوة. كما أن وجود كمية زائدة من الماء أو الهواء، أو سوء التشتت، قد يقلل من مقاومة الضغط. قارن النوع المختار مع عينة مرجعية عادية باستخدام نفس طريقة الاختبار.
هل تعمل كل الألياف النباتية على تحسين العزل الحراري؟
لا. فالكثافة، وبنية المسام، والرطوبة، والمواد الرابطة، وهندسة المنتج كلها عوامل مهمة. والمثال الذي يبلغ 0.15 واط/(م·كلفن) ينطبق على كتلة واحدة من أوكسيكلوريد المغنيسيوم المصنوعة من القش، ولا يمكن تطبيقه على منتج آخر.
هل يمكننا استخدام الجرعة المُبلغ عنها البالغة 0.2 في المائة لألياف السليلوز؟
ليس بشكل مباشر. كان هذا الرقم يمثل نسبة الحجم في تجربة محددة أجريت على سيقان بذور اللفت. اطلب معرفة كثافة الدرجة، وحدد ما إذا كان نظام الإنتاج الخاص بك يستخدم الجرعات الحجمية أم الكتلية، وحدد نطاقًا تجريبيًّا في ملفك.
هل ستحل المعالجة بالقلويات مشكلة المتانة على المدى الطويل؟
قد يؤدي المعالجة إلى تحسين إحدى الخصائص وإلحاق الضرر بخصائص أخرى. اختر عملية محددة، ثم قم بقياس امتصاص الماء، وسلامة الألياف، والتصلب، والقوة، والخصائص المتبقية بعد فترة التقادم ذات الصلة. اتبع إجراءات التعامل مع المواد الكيميائية المناسبة في المصنع.
هل ألياف السليلوز المعالجة هي نفسها إيثر السليلوز؟
لا. تظل ألياف السليلوز خيوطًا مادية يمكنها المساهمة في سد الشقوق. أما إيثر السليلوز فهو مسحوق قابل للذوبان أو للترطيب يُستخدم بشكل أساسي لتعديل قدرة الاحتفاظ بالماء وتدفق الخلطة الطازجة. وتحتاج هاتان المادتان إلى مواصفات مختلفة.
الخاتمة
يمكن أن تكون الألياف النباتية مفيدة في منتجات الأسمنت، لا سيما عندما يكون لتوزيع الشقوق، أو تماسك الخليط، أو الوزن، أو الأداء الحراري أهمية كبيرة. كما أن امتصاصها للماء، وكيمياء سطحها، وتأثيرات الترطيب، ومقاومتها للقلويات قد تحدّ من أدائها أيضًا. وتشير الأمثلة البحثية المذكورة إلى قاعدة عملية، وهي: تحديد مواصفات درجة معينة من الألياف في مادة رابطة محددة، وقياس الخصائص التي سيستخدمها العميل فعليًّا.
يمكن لشركة شاندونغ جيانبانغ للألياف الكيميائية المحدودة توفير عينات من ألياف السليلوز Ecocretefiber™ ومناقشة خيارات الألياف الأخرى المناسبة لمنتجكم. اتصل بفريقنا مع تحديد الاستخدام المستهدف، والمادة الرابطة، وطريقة الخلط، والاختبارات المطلوبة، حتى نتمكن من مساعدتك في اختيار عينة تجريبية مناسبة.
