ما هي مادة CFRP؟ CFRP مادة مركبة تتكون من ألياف كربون عالية المقاومة مدمجة في مادة رابطة من راتنج بوليمري، غالباً الإيبوكسي أو الفاينيل استر. تتحمل الألياف الأحمال، وتقوم المادة الرابطة بتثبيتها ونقل الإجهادات بينها وحمايتها من البيئة، وتبلغ نسبة الألياف في الحجم عادةً حوالي 55% إلى 65%. وتُستخدم في الإنشاءات بأربعة أشكال رئيسية: قضبان تحل محل حديد التسليح الداخلي في الخرسانة الجديدة، وأوتار للخرسانة مسبقة الإجهاد، وصفائح وشرائح تُلصق على سطح العنصر الخرساني لتقويته، وأقمشة تُلف حول الأعمدة لزيادة التحصر وتحمل الزلازل. مقارنة الخواص تختلف الخصائص الدقيقة حسب المصنّع، والقيم التالية تقريبية. تبلغ مقاومة الشد القصوى للحديد 400 إلى 600 ميجاباسكال، في حين تبلغ لقضبان CFRP حوالي 1500 إلى 2500 ميجاباسكال. ومعامل المرونة للحديد حوالي 200 جيجاباسكال، ولـ CFRP حوالي 120 إلى 160 جيجاباسكال. وكثافة الحديد 7.85 غم/سم3 مقابل 1.5 إلى 1.6 غم/سم3 لـ CFRP، أي أنها أخف بنحو خمس مرات. ويتصرف الحديد بمرونة ثم خضوع ثم تصلب وينهار بمطيلية عالية، بينما تتصرف CFRP بمرونة خطية حتى الانهيار دون خضوع، وبانفعال انهيار يبلغ حوالي 1% إلى 1.5%. كما أن التمدد الحراري الطولي لـ CFRP قريب من الصفر، والأهم أنها لا تصدأ. فالمادة أقوى بكثير من الحديد وأخف منه، لكن سلوكها الإنشائي مختلف جوهرياً بسبب غياب الخضوع، وهو ما ينعكس على التصميم. المميزات أولاً: مقاومة التآكل والمتانة، فهي لا تصدأ ولا تتأثر بالكلوريدات والكبريتات، فيمتد العمر التشغيلي للمنشأ وتنخفض كلف الصيانة على المدى الطويل، ويمكن تقليل الغطاء الخرساني اللازم لحماية التسليح. ثانياً: مقاومة شد عالية جداً تتجاوز مقاومة الحديد بعدة أضعاف، مما يتيح مقاطع أصغر لنفس القوة، ويفيد في التسليح مسبق الإجهاد. ثالثاً: خفة الوزن، فيسهل نقلها ورفعها وتركيبها، وتنخفض كلفة العمالة والمعدات. رابعاً: أنها غير موصلة للكهرباء وغير مغناطيسية، فهي مناسبة لغرف أجهزة الرنين المغناطيسي والمختبرات الحساسة والمنشآت القريبة من خطوط الكهرباء. خامساً: أداء جيد تحت الأحمال المتكررة والإجهاد، وهذا مفيد في الجسور. سادساً: كفاءة عالية في التقوية والتأهيل، وهو أكثر استخداماتها انتشاراً، إذ تُلصق الصفائح والأقمشة على المنشآت القائمة لرفع قدرتها على الانحناء والقص والتحصر دون زيادة ملحوظة في الأبعاد أو الوزن وبمدة تنفيذ قصيرة. السلبيات والمحددات أولاً: السلوك الهش، فهي تنهار فجأة عند بلوغ مقاومتها دون إنذار، ولذلك تفضّل المواصفات تصميم المقاطع بحيث تنهار الخرسانة بالسحق قبل تمزق القضبان (مقطع زائد التسليح). ثانياً: انخفاض معامل المرونة، فتكبر الانحرافات وعروض الشقوق عند نفس القوة، وغالباً ما تحكم شروط التشغيل التصميم بدلاً من شروط المقاومة، مما يحد من الاستفادة من المقاومة العالية. ثالثاً: الكلفة المرتفعة، فسعرها أعلى بكثير من الحديد، لكن المقارنة العادلة تكون على أساس كلفة دورة الحياة الكاملة، وقد تميل لصالح CFRP في البيئات العدوانية. رابعاً: ضعف المقاومة العرضية والقص، فمساهمة القضيب في فعل الوتد ضئيلة، وهذا يؤثر على سلوك القص في الجسور والبلاطات. خامساً: صعوبة ثني القضبان في الموقع، إذ تُصنّع الكانات والأشكال المنحنية في المصنع وتكون مقاومتها عند الانحناءات أقل بكثير من الجزء المستقيم. سادساً: الحساسية للحرارة والحريق، فالمادة الرابطة تفقد صلادتها عند درجة التزجج التي تتراوح غالباً بين 65 و120 درجة مئوية، فتحتاج إلى حماية خاصة. سابعاً: التأثر بالأشعة فوق البنفسجية والتلف الميكانيكي، فتحتاج الأجزاء المكشوفة إلى طبقات حماية. ثامناً: احتمال التآكل الجلفاني للحديد عند تلامسه المباشر مع الكربون في وجود رطوبة وأملاح، فيجب عزلهما. تاسعاً: محدودية الأكواد والخبرة المحلية، إذ لا تتوفر في العراق أكواد وطنية خاصة بها ويُستعان بالمراجع الدولية. أسس التصميم تُعد المواصفة الأمريكية ACI 440.1R-15 والكندية CSA S806-12 من أبرز المراجع في تصميم الخرسانة المسلحة بقضبان FRP. ومن أهم الفروق عن تصميم الحديد أن انهيار الخرسانة بالسحق هو النمط المفضل، ويبلغ معامل تخفيض المقاومة نحو 0.55 لمقاطع تمزق القضبان ويرتفع إلى 0.65 للمقاطع التي يحكمها سحق الخرسانة. وتُخفَّض مقاومة الشد التصميمية بمعامل بيئي يبلغ لـ CFRP حوالي 1.0 للبيئات الداخلية و0.9 للخارجية و0.8 للعدوانية. ويُحدّ إجهاد الزحف والتمزق بحوالي 55% من مقاومة الشد القصوى. وتحكم شروط الخدمة من انحراف وعرض شقوق غالباً، وتكون أطوال التماسك والتثبيت أكبر منها في الحديد. 1. إمكانية التطبيق عالمياً استُخدمت CFRP على نطاق واسع في تقوية الجسور والمباني القائمة وتحصير الأعمدة، وكانت جسور مثل Beddington Trail في كندا (1993) وStorchenbrücke في سويسرا (1996) من أوائل المنشآت التي اعتمدت أوتار CFRP في الخرسانة مسبقة الإجهاد. أما التسليح الداخلي فتُعد قضبان الزجاج (GFRP) الأكثر انتشاراً لقلة كلفتها، بينما تُستخدم ألياف الكربون أكثر في التقوية الخارجية والأوتار. وفي العراق قد تكون CFRP مجدية في حالات محددة، منها ارتفاع الأملاح في التربة والمياه الجوفية في المناطق الجنوبية، وهجوم الكبريتات والكلوريدات على الخرسانة، والحاجة إلى تأهيل جسور ومنشآت قديمة متضررة. وفي المقابل تواجه التطبيقات عقبات منها الكلفة المرتفعة وارتفاع درجات الحرارة صيفاً ونقص الكوادر المدربة والأكواد المحلية. ولذلك يُنصح حالياً باستخدامها في تقوية وتأهيل العناصر القائمة بوصفه أولوية أولى، وفي المنشآت الحساسة للتآكل أو التي يصعب صيانتها، وفي العناصر التي تتطلب عزلاً كهربائياً أو مغناطيسياً. أما استخدامها بديلاً كاملاً عن الحديد في المباني السكنية التقليدية فغير مجدٍ اقتصادياً في الوقت الراهن. الاستنتاجات تتفوق CFRP على حديد التسليح في مقاومة التآكل والمتانة وخفة الوزن ومقاومة الشد، مما يجعلها بديلاً جذاباً في البيئات العدوانية. غير أن سلوكها الهش وانخفاض معامل مرونتها يفرضان نهجاً تصميمياً مختلفاً بمقاطع زائدة التسليح وشروط خدمة صارمة، وتتطلب تفاصيل الثني والكانات والتثبيت عناية خاصة. والكلفة الأولية المرتفعة عائق رئيسي، وقد تبررها كلفة دورة الحياة في مشاريع معينة. ويبقى التطبيق الأوسع والأكثر نجاحاً حالياً هو التقوية الخارجية للمنشآت القائمة. التوصيات نوصي باعتماد CFRP في التقوية والتأهيل والمنشآت شديدة التعرض للتآكل مع دراسة جدوى على أساس دورة الحياة، وبتبنّي المواصفات الدولية (ACI 440 وCSA S806 وfib Bulletin 40) إلى حين وجود كود عراقي، وبإجراء دراسات مختبرية محلية لسلوكها تحت الحرارة المرتفعة وظروف التربة المالحة، وبتدريب المهندسين والفنيين على تصميم وتنفيذ أنظمة FRP، وبحماية الأجزاء المكشوفة من الأشعة فوق البنفسجية والحرارة والحريق. قدمه م.م أحمد سعيد حاكم المصادر 1. ACI Committee 440, ACI 440.1R-15: Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Bars, American Concrete Institute, 2015. 2. ACI Committee 440, ACI 440.2R-17: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, American Concrete Institute, 2017. 3. CSA S806-12 (R2017): Design and Construction of Building Structures with Fibre-Reinforced Polymers, Canadian Standards Association, 2012. 4. fib Bulletin 40: FRP Reinforcement in RC Structures, International Federation for Structural Concrete, 2007. 5. Bank, L. C., Composites for Construction: Structural Design with FRP Materials, John Wiley & Sons, 2006. 6. Nanni, A., De Luca, A., and Zadeh, H. J., Reinforced Concrete with FRP Bars: Mechanics and Design, CRC Press, 2014. 7. Teng, J. G., Chen, J. F., Smith, S. T., and Lam, L., FRP-Strengthened RC Structures, John Wiley & Sons, 2002. 8. Hollaway, L. C., and Leeming, M. B. (eds.), Strengthening of Reinforced Concrete Structures Using Externally-Bonded FRP Composites in Structural and Civil Engineering, Woodhead Publishing, 1999. 9. Benmokrane, B., Chaallal, O., and Masmoudi, R., “Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) Rebars for Concrete Structures,” Construction and Building Materials, Vol. 9, No. 6, 1995.