تقنية جديدة تحول الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد إلى مادة أقوى وأكثر مرونة

نجح العلماء في تعزيز الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد أثناء عملية الطباعة، إذ أدى إدخال شبكة بوليمرية إلى زيادة قدرة الخرسانة على تحمل الأحمال بنسبة 41% وزيادة انحنائها قبل الانكسار بنسبة 552%.

وقد نُشرت الدراسة في مجلة Nature، ويمثل هذا التغيير تحولًا بالتقنية من نماذج هشة إلى عناصر هيكلية قادرة على امتصاص الإجهاد دون الانفصال.

القوة أثناء الطباعة

جلست الشبكة المرنة بين الطبقات المتجاورة تحت الخرسانة الطازجة بدلًا من وضعها على السطح بعد الطباعة.

داخل طابعة معدلة في جامعة جنوب أستراليا (UniSA)، جعل الفريق التعزيز جزءًا من مسار الطباعة، إذ تم تمرير الشبكة عبر فوهة ثانية مباشرة خلف فوهة الخرسانة، وضغطها في مكانها تحت وزن الطبقة.

أسباب فشل الخرسانة المطبوعة

تكسر الخرسانة المطبوعة غير المعززة فجأة عند ظهور الشقوق، لأن البناء الطبقي يمنحها دعمًا محدودًا عبر الانقسام.

يمكن للحديد حل هذه المشكلة في الخرسانة التقليدية، لكن القضبان غير ملائمة داخل الطباعة المتحركة وقد تتعرض للصدأ لاحقًا.

تتفادى البوليمرات المقواة بالألياف الصدأ وتتحرك بسهولة عبر معدات الطباعة، لكنها لم تُحل مشكلة التعزيز الموثوق بشكل كامل في الخرسانة المطبوعة حتى الآن.

تصميم خلطة الخرسانة

بدلًا من استخدام خلطة واحدة من الأسفل للأعلى، استخدمت الألواح خرسانة مدروسة وظيفيًا، طبقات مبنية من خلطات مختلفة لأغراض متنوعة.

شكلت طبقة غنية بالألياف الطبقات السفلى حيث يكون الانحناء أقوى، بينما جلست طبقة من الخبث منخفض الكربون أعلى لتقليل الانبعاثات.

وأظهرت الاختبارات السابقة أن هذه الطريقة تخفض الانبعاثات دون التضحية بالأداء.

من العمل اليدوي إلى الآلي

أظهرت الأعمال السابقة أن الألواح المطبوعة يمكن أن تصبح أكثر صلابة عند الانحناء، لكن الوضع اليدوي للشبكات أعاق البناء الآلي الكامل.

طباعة الشبكة عبر الطابعة نفسها حسّنت العملية، إذ يقلل التوقف لإدخال كل شريط من الوقت الضائع، رغم أن الأتمتة خلقت أضرارًا جديدة داخل الطبقات.

أداء الألواح

أظهرت الاختبارات أن الألواح المعززة استمرت في تحمل الأحمال بعد ظهور الشقوق، بينما انكسرت الألواح العادية فجأة. بعض العينات حافظت على مقاومتها أو زادت بعد الشق الأول، وهو ما يعزز السلامة الهيكلية.

نقاط ضعف الطبقات

ظهرت المشاكل عند التقاء طبقة مطبوعة بالأخرى، حيث قللت الشبكة من تماس الخرسانة الطازجة مع بعضها، وفقدت اللحامات قوة شد تصل إلى 43.6% و33.1% و35.5% حسب الخلطات.

كما أن تأخر الطباعة بين الطبقات المختلفة أدى إلى تكوين وصلات باردة، وهي نقاط ضعف في الترابط، ويعد التماسك بين الطبقات أساسيًا لتوزيع الإجهاد بفعالية.

تأثير الفراغات على الشقوق

أظهرت المسوحات زيادة المسامية بعد إدخال الشبكة، مع فراغات أكبر امتدت على طول اتجاه الطباعة، مما غير مسار الشقوق وفسر الكسور غير المنتظمة عند اللحامات.

الانزلاق عند الربط

أظهرت اختبارات السحب أن الشبكة تمسك بالخرسانة، لكن الانزلاق بدأ مبكرًا عند بعض الخلطات، ما ركز الإجهاد في شق رئيسي واحد بدلاً من توزيع الضرر.

وقد أعطت الأشرطة الأوسع نتائج أفضل، مما يشير إلى أهمية تصميم الشكل الذكي أكثر من زيادة المادة فقط.

أهمية الفكرة

نظرًا لأن التعزيز أصبح جزءًا من الطباعة نفسها، فإن الطريقة تشير إلى إمكانية بناء أجزاء تحتاج إلى توقف أقل وعدد أقل من العمال.

وقال البروفيسور يان تشوجي، مهندس الإنشاءات في UniSA “هذا أول مشروع بحثي في العالم يختبر إمكانية طباعة البوليمر المقوى بالألياف مع الخرسانة في الوقت ذاته”.

الخطوة التالية

تعزيز الخرسانة أثناء الطباعة أصبح عمليًا، مع زيادة واضحة في مقاومة الانحناء. لكن قبل الثقة في الهياكل الأكبر، يحتاج الباحثون لتحسين الترابط بين الطبقات وتعزيز يمتد عبر الطبقات، وليس مجرد التواجد بينها.