بواسطة باحثين من جامعة أميركبير؛
حل تحديات الخرسانة ثلاثية الأبعاد المطبوعة بإضافة فقاعات هوائية
/ تمكن باحثون من جامعة أميركبير التكنولوجية من تطوير حلول مبتكرة للتحديات التي تواجه الخرسانة ثلاثية الأبعاد المطبوعة، وذلك باستخدام إضافات فقاعات هوائية.
ونظراً للبنية الطباقية لهذه الخرسانة التي تجعلها عرضة للتأثر بالعوامل البيئية، قدم الفريق البحثي هذه التقنية لتحسين متانة الخلطات الخرسانية المستخدمة في الطابعات ثلاثية الأبعاد.
وقام محمد رسول جيوکاشي، الخريج من الجامعة التكنولوجية أميركبير، بتنفيذ هذا المشروع البحثي تحت إشراف الأستاذ فرامرز مودي عضو هيئة التدريس بالجامعة، تحت عنوان «تقييم متانة الخلطات الخرسانية ثلاثية الأبعاد المطبوعة المحتوية على إضافات فقاعات هوائية».
وأوضح جيوکاشي: على الرغم من التطور الكبير في أساليب التصنيع بالعديد من الصناعات، لا تزال صناعة البناء والتشييد تعمل إلى حد كبير بالطرق التقليدية، بينما يمكنها الاستفادة من تقنيات حديثة عديدة. ومن أحدث هذه التقنيات في القطاع، طباعة المباني والبنى التحتية بتقنية ثلاثية الأبعاد.
وأضاف جيوکاشي موضحاً: تواجه هذه التقنية العديد من التحديات، أحدها يتمثل في متانة الخرسانة المنتجة بالطباعة ثلاثية الأبعاد أمام العوامل البيئية والظروف القاسية. وقد أظهرت الدراسات السابقة أن تأثر هذه الخرسانة بظاهرة التجمّد يشكل تحدياً رئيسياً. لذلك هدفت هذه الدراسة إلى تحسين متانة الخرسانة المطبوعة ثلاثياً من خلال تحليل تأثير إضافات الفقاعات الهوائية على خصائصها المختلفة.
وتابع الباحث قائلاً: توصلنا في هذه الدراسة إلى أنه باستخدام كميات مثالية من إضافات الفقاعات الهوائية وتصميم خلطة خرسانية مدروسة، لا يمكننا فقط تعزيز مقاومة الخرسانة للتجمّد، بل يمكننا أيضاً تحسين متانتها أمام العوامل الضارة الأخرى عبر تقليل النفاذية. كما تساهم هذه الإضافة في تحسين خصائص الخلطات الطازجة، وخاصة خصائصها الريولوجية.
وأكّد الباحث أن هذه النتائج تمثل خطوة مهمة نحو تطوير حلول عملية للتحديات التي تواجه تقنيات البناء ثلاثي الأبعاد، مع الحفاظ على المعايير الهندسية والهيكلية المطلوبة. وأشار الباحث إلى أن هذه التطورات قد تؤدي إلى إطالة العمر الافتراضي للمنشآت المبنية بهذه التقنية، مما يسهم في تعميم استخدامها في قطاع البناء. وأضاف جيوکاشي متطرقاً للتفاصيل التنفيذية: تُعتبر هذه الدراسة من الأبحاث الرائدة في مجال الخرسانة ثلاثية الأبعاد بالجامعة. تطلبت المرحلة الأولى توفير المعدات اللازمة، بينما ركزت المرحلة الثانية على تطوير خلطة خرسانية متوافقة مع متطلبات الطباعة ثلاثية الأبعاد، إذ لا يمكن استخدام أي خلطة عشوائية بسبب القيود الفنية في الطابعات ومواد البناء.
وتابع: يجب أن تتمتع الخلطة ثلاثية الأبعاد بقابلية الضخ، مع الحفاظ على استقرارها الهيكلي بعد ترسيب الطبقات. أما في المرحلة الثالثة، فأضفنا نسباً مختلفة من مادة الفقاعات الهوائية مع مراعاة المعايير الفنية، ثم صنعنا نماذج اختبارية لإجراء التجارب العملية.
يُذكر أن هذه المنهجية البحثية تقدم حلولاً عملية لتحسين جودة الخرسانة المطبوعة، مع ضمان تلبيتها لمعاشيير المتانة والكفاءة الهيكلية المطلوبة في المشاريع الإنشائية الحديثة.
وأكد جيوکاشي أن التوسع في تطبيق هذه التكنولوجيا في القطاع الصناعي يتطلب أولاً حل التحديات القائمة. وعلى الرغم من أن هذه الدراسة تمثل خطوة متواضعة في هذا المسار، إلا أنها أسفرت عن نشر عدة أوراق بحثية مبتكرة وشاملة، منها:
1_ تأثير عملية الضخ على خصائص الخرسانة المطبوعة ثلاثياً المحتوية على عوامل تكوين الفقاعات الهوائية
(Effect of pumping process on the properties of 3D printed concrete containing air-entraining agent)
تحليل تأثير عمليات الضخ على أداء الخرسانة ثلاثية الأبعاد المعززة بالفقاعات الهوائية.
2ـ تأثير المادة المولدة للفقاعات على خصائص الخرسانة المطبوعة بعد التصلب، مع التركيز على النفاذية وبنية الفراغات الهوائية
(Effect of air entraining agent on hardened properties of 3D printed concrete with emphasis on permeability and air void structure)
تقييم تأثير الإضافات الهوائية على متانة الخرسانة وهيكلها الداخلي.
3ـ جدوى إنشاء المباني باستخدام خرسانة الطباعة ثلاثية الأبعاد: تحليل مقارن من حيث الجدوى الاقتصادية
(Feasibility of construction of buildings with the 3D printing concrete from different methods perspectives focusing on economic evaluation)
مقارنة بين تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد والطرق التقليدية بناءً على معايير متعددة.
4ـ تأثير أنواع الألياف المختلفة على خصائص الخرسانة والإسمنت البوليمري المطبوع ثلاثياً في الحالتين الطازجة والمتصلبة: مراجعة شاملة
(Effects of Different Types of Fibers on Fresh and Hardened Properties of Cement and Geopolymer-Based 3D Printed Mixtures: A Review)
تحليل شامل لدور الألياف في تعزيز خصائص الخلطات المطبوعة.
5ـ دراسة الانكماش والخصائص الميكانيكية للخرسانة ثلاثية الأبعاد تحت ظروف معالجة مختلفة
(Investigating Shrinkage and Mechanical Properties of 3D Printed Concretes Under Different Curing Conditions)
تقييم تأثير تقنيات المعالجة على أداء الخرسانة المطبوعة.
هذه الأبحاث تُسهم بشكل فعّال في تطوير معايير جديدة لتقنيات البناء الحديثة، مع التركيز على الجوانب العملية والاقتصادية. وأشار الباحث إلى أن هذه الدراسات أسفرت عن تحسين أداء الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد من خلال زيادة مقاومتها للتلف الناتج عن التجميد، وخفض معدل النفاذية، وتعزيز متانتها العامة. كما تم تحقيق تقدم في تطوير حلول مبتكرة لزيادة متانة هذه الخرسانة، مما يسهم في إطالة العمر الافتراضي للمنشآت المبنية بهذه التقنية وخفض تكاليف الصيانة بنسبة تصل إلى 30%.
وتمكن الفريق البحثي من تذليل العديد من التحديات التقنية وتوطين هذه التكنولوجيا محلياً، مع التركيز على ملاءمتها للظروف المناخية المتنوعة وتطوير معايير بناء متكاملة. هذه التطورات تساهم في تقديم حلول بناء متقدمة تلبي متطلبات المشاريع الإنشائية الكبرى، مع الحفاظ على المعايير الفنية والاقتصادية. وتميزت النتائج بقابليتها للتطبيق العملي في مختلف الظروف، حيث توفر خياراً بناءً مستداماً وفعالاً من حيث التكلفة، مع ضمان جودة الأداء الهيكلي على المدى الطويل.