ومن الجسور الأولى إلى المبردات الحديثة، فإن كل هيكل مدني يتحمل دورة يومية من التدفئة والتبريد، وتدفئة الشمس ترتفع فيها مستويات الحرارة أثناء النهار؛ وفي الليل، تؤدي الخسائر في الحرارة السريعة إلى الانكماش، وقد تكون هذه الازدحامات والسحب غير مرئية للمرور، ولكن الضغوط الداخلية التي تولدها هي ضغوط هائلة، وعلى مدى عقود، يؤدي التدوير الحراري المتكرر إلى ظهور مسارات صغيرة، ويعجلة.

الآثار الحرجة للتوسع الحراري

ويزيد معامل التوسع الحراري من حجم المواد التي تنمو أو تنكمش في كل درجة مئوية، وفي المكونات الصغيرة، لا يُذكر هذا التوسع، ولكن في الجسور الطويلة، أو المصفوفات المعززة باستمرار، أو جدران السدود الضخمة، كثيرا ما تكون التغيرات المتراكمة ذات أهمية هيكلية.

وهذه الشقوق أكثر من كونها تجميلية، فهي تجعل المياه وأملاح الشحوم تصل إلى الصلب المتسارع، وتتسارع التآكل، وتتزايد تواتر موجات المياه، وتزيد من درجات الحرارة الداخلية، مما يؤدي إلى تسرب المياه والتسوية التفضيلية، وتتقلص دورات الصيانة، وتفرض تكاليف ثقيلة على إدارات النقل ومالكي المرافق، ويزيد تغير المناخ من حدة المشكلة: حيث ترتفع كميات الحرارة الدافئة إلى أبعد من الهياكل الأساسية إلى ما يتجاوز حدود التصميم التاريخية.

وتذكر مثال على المعالم الخرسانية المعززة باستمرار في الغرب الأوسط الأمريكي، حيث أن هذه المصفوفات، التي غالبا ما تبلغ 200 متر أو أكثر، تشهد تقلبات سنوية في درجات الحرارة تبلغ 60 درجة مئوية أو أكثر، وبدون تعزيزات ملائمة، يصبح التصدع عبر الأرضي حادا، ويتطلب استبدالا في شكل سلال باهظ التكلفة، وتفيد إدارة الطريق السريع الاتحادية بأن الضائقة ذات الصلة الحرارية تمثل نحو ثلث تكاليف إعادة تأهيل الرسامة.

عمليات الفرز المكثفة

ويعرض الخرسانة التقليدية مجموعة من المواد الكيميائية تتراوح بين 8 و12 دقيقة لكل درجة سيليسيوس، ويخضع معظمها للنوع الكلي والحصانة الرعوية، ويدفع ليمستون وبعض الصراصير القيمة إلى أدنى، بينما ترتفع المجاميع الغنية بالربع، وقد تجاوز الباحثون الاختيار الكلي لنظم ربط المحركات الهندسية التي تقلل من مساهمة المعجن في التوسع.

Engineered Cementitious Composites (ECC)

ECC, often called bendable concrete, represents a major leap. Micron-scale polyvinyl alcohol or polypropylene fibers distribute microcracks into a dense network of hairline fissures instead of allowing a single wide crack. This strain-hardening behavior, combined with optimized specemistry, tends the composite’s effective the lost tenrmal maintenance.

صانعة مزودة بموجات متعددة

وينتج عن إضافة البوليمرات المطاطية أو البكرية إلى جهاز التكتل المتعدد المعاطف التي تتراكم وتملأ الخزف، مما يقلل من الامتصاص في المياه ويقلل بشكل فعال من التراكمي لثاني أكسيد الكربون عن طريق سد الثكنات الميكروفية، وتدل المحاكمات في الشرق الأوسط، حيث يمكن أن تتقلص درجات الحرارة النهارية بأكثر من 30 درجة مئوية، على أن الخزات المحتوية على عدة مرات تقل في الإجهاد.

خدمات داخلية وأجهزة دعم

وكثيرا ما تتحول الشقوق الحرارية يدا بيد مع الانكماش الجاف، مما يزيد من حدة الإجهاد، وينتج عن العلاج الداخلي باستخدام مجاميع الوزن الخفيف أو البوليمرات الفوقية المياه ببطء، ويحافظ على الرطوبة النسبية العالية في العجين خلال فترة العلاج المبكر الحرجة، مما يقلل من الانكماش في التوليد وتقلّب من النسيج، مما يتيح للمركبة أن تقاوم الانكماش الحراري.

Shape Memory Alloys for Active Thermal Control

ويمكن لمحار الذاكرة الشاسعة أن يستعيد تشوهات كبيرة عندما يكون التسخين فوق درجة حرارة الانتقال الحرجة، ونيتينول )النيكل - التيتانيوم( هو أكثر المحاور دراسة للتطبيقات المدنية، وعندما يُدمج في الخرسانة أو يُستخدم كمنافذ للضغط على المنافذ، فإن أجهزة التفكك التي تُشكل بالتقلب الحراري يمكن أن تُعالج في مرحلة التحول إلى درجة حرارة الضغط على المصفوفة المحيطة.

وقد برزت محاور الذاكرة ذات الشكل الحديدي (Fe-SMAs) كبديل فعال من حيث التكلفة، مما يعرض ضغوطاً مماثلة على الاسترداد مع تجهيز الفولاذ التقليدي، كما استخدم الباحثون في إمبا، المختبرات الاتحادية السويسرية، شرائح من الأشعة فوق البنفسجية لتعزيز الحزم الخرسانية المدعمة التي تعاني من التكديس الحراري، حيث تُعدّل الخصمات بالارتداد، عندما تُطّة بعد التأثّم،

في اليابان، تم اختبار الأشعة المقطعية على أنها تعزيزات في تطبيقات الارتداد السيزمي، وقدرة الطين على تطبيق الإجهاد التعافي بعد التفعيل تساعد على التحكم في الارتدادات خلال أحداث حرارية وزلزالية كبيرة، مجتمع المهندسين المدنيين الياباني يقوم بوضع مبادئ توجيهية تصميمية للخرسانة المقوى، مع توصيات بشأن بروتوكولات التطهير الحراري التي تتجنب الكسب.

Composites Hybrid with Tailored CTE

- البوليمر المقوى في منطقة ريبرين، لا سيما مركبات الكربون والمحرر الزجاجي، يسمح للمهندسين بفرز البوليمرات الكيميائية عن طريق تعديل الميل الألياف وكسر الحجم، ويمكن أن يكون للشركة غير المباشرة تركيز على نحو قريب من الصفر أو سلبي على طول اتجاه الألياف، مما لا يقدر على تعزيز الخرسانة في البيئات العنيفة الحرارية بدلا من ذلك استخدام الإجهاد الناتج عن التراكمي.

(ب) أُسس الجسر المختلط المختلط المختلط المستخرج من حواجز الجسور المحتوية على مسامير متحركة، وقد استخدمت جسر الطاحون الغربي في المملكة المتحدة لوحات سلاسل التردد العالمية مع تركيبات مصممة، مما يدل على التوافق الحراري المميز وتقليص حجمها، وتسمح هذه النظم بمفاصل أصغر من المفاصل، وتلغي أحياناً مفاصلاً من الطوابع، ونشرت الإدارة الاتحادية العليا مبادئ توجيهية للتصميم وبيانات أداء بشأن هياكل محددة من مواقع الترددات الترددات.

ويسمح نظام " BFRP " (BFRP) ببدائل ناشئة ذات تكلفة وسيطة وأدوية حرارية، ويضم نظاماً تقنياً يتراوح بين 10 و6 درجات مئوية، ويطابق بشكل وثيق الخرسانة، ويعرض مقاومة كبيرة، وقد أظهرت التجارب الميدانية على أسطح الجسر الخرسانية في النرويج أن تعزيزات نظام BFRP تزيل التشقق الحراري عند نهاية الرقبة، حيث كثيراً ما تؤدي التعزيزات الفولاذائية إلى الإجهاد المحلي.

التكتل الحراري والمواد المتعلقة بالنقل إلى مرحلة

وبدلا من تغيير المادة المتأصلة في مركز تكنولوجيا المناخ، يدير نهج آخر درجة الحرارة التي تختبرها، وتعكس المعاطف الحرارية العالية الأداء الإشعاع الشمسي والحرارة الارتجاعية بسرعة، مع الحفاظ على التبريد تحت الغطاء، كما أن المعاطف الرطبة، التي تستند إلى موازين الكريسليك أو التكسين مع الخنازير المعكسة، يمكن أن تقلل درجات الحرارة السطحية بمقدار 10-15 درجة مئوية.

وبالنسبة للهياكل الصلبة، فإن الحواجز القائمة على الهرم والزجاجات ذات القاعدة الهرمية تخدم أدوار مزدوجة في مجال حماية الحرائق والإدارة الحرارية، وتشمل التركيبات الجديدة مواد للتغير التدريجي التي تستوعب الحرارة الكامنة خلال النهار، وتخفض درجة الحرارة القصوى وتطلقها في الليل، وتظهر الدراسات أن المعاطف المحسنة للتحكم في المواد الكيميائية يمكن أن تقلل من التغيرات في درجات الحرارة الدهنية في أحجار صندوق الصلب بأكثر من 30 في المائة، مما يقلل بدرجة كبيرة من الحمولات الإشعاعية في التكنولوجيا الممتنة.

وقد أدمجت مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المحتوية على البارافين في الميكروبات في تركيبات ملموسة، وعندما ترتفع درجات الحرارة المحيطة، تذوب هذه المادة، وتمتص الطاقة وتباطؤ زيادة الحرارة داخل الكتلة الخرسانية، مما يؤخر الإجهاد الحراري الذي يصل إلى ذروته ويقلل من الإجهاد الأقصى، وقد قام مركز البحوث والتطوير التابع للجيش الأمريكي بتقييم الخرساني في مجال إنتاج المواد الكيميائية المزودة بمقياس 25٪.

آليات الصحة الذاتية للتعقب الحراري

وحتى مع المواد المنخفضة القدرة على إحداث الاحترار، فإن آليات التلقيح الذاتي تغلق الحلقة.

إن التثبيتات الكريستالية توفر مساراً للشفاء غير العضوي، وهذه المواد الكيميائية تتفاعل مع المياه وهدرات الإسمنت لتشكل بلورات شبيهة بالأبر وتملأ الخزف والثكنات الدقيقة، وتظل مهاجراً إلى أن يخترق الماء شقاً، ثم ينشط النمو البلوري، ويضع الختم الدائم، وهذا فعال بشكل خاص بالنسبة للهياكل التي تستهلك المياه مثل الخزانات والأنفاق المزمنة.

وتعتمد مجموعة أخرى من نهج التعافي الذاتي على عوامل الشفاء المكبوتة، حيث يمكن أن تُنتشر البوليوريثان أو النيوكسي المزودة بالمايكروبوسفير في المصفوفة الخرسانية، وعندما تُنشر الشق وتكسر غطاء، تُدخل أجهزة التكسير في الشققق، حيث تُعالج وتربط الوجوه، وقد صممت نظم الباحثون في جامعة بود.

المواد الكيميائية للإدارة الحرارية الدقيقة

ويعاد تحديد الكائنات المركبة القائمة على الأسمنت، كما أن نانو - سيليكا، ونانووب الكربون، وأكسيد الغرافيين يصقلان الهيكل القطبي لرأس الأسمنت الصلب ويعززان الممتلكات الميكانيكية، ويسهم تأثيرها على التوسع الحراري بنفس القدر من الأهمية، ويعزز التكوين الهوائي للهيدرات الكالسيومية ويزيد من منطقة التحول الاقتصادي بين الأجناس.

(ج) إنَّ النانووبات الكربونية ذات الحساسية العالية ونسبة الجانب، تعمل كعامل منفذ مصغر للتثبيت في الارتفاع في النانو - ثكنات، وتُحدث البحوث الأخيرة في Cement و " Concrete Research، وهي تشير إلى أنَّ تركيبات الخلايا النترولية يمكن أن تُظهر تخفيضات في المواد الكيميائية تصل إلى 15 في المائة مقارنة بأسعار المراعي، وترتبط بقدرات المصغرة.

وقد برزت النانولوز، المستمد من الألياف النباتية، كبديل فعال من حيث التكلفة للمواد النانوية القائمة على الكربون، كما أن الخلية المصغرة المستخرجة من المصابيح تشكل شبكة كثيفة في معجون الأسمنت تقلل من الانكماش الجاف وتوفر الرش على نطاق المقياس الفرعي، وتبين الدراسات أن 0.1 في المائة من الفول الفلوري من خلال زيادة القدرة على تحمل الكتلة الهاونية بنسبة 8 إلى أخرى.

4D Printing and Functionally Graded Materials

فالحد بين الابتكار المادي والتصميم الهيكلي غير واضح. فالأجسام المطبوعة من نوع 4D-3D التي تتغير بمرور الوقت استجابة للوعد الخاص بالمنازل من أجل الإدارة الحرارية، وبطباعة عناصر محددة ذات ألياف سامية مثبتة أو مركب مركب مركب مركب مركب، يمكن للمكونات أن تعوض بشكل سلبي شكلها أو إجهادها الداخلي مع اختلاف درجات الحرارة.

والمواد التي يتم تصنيفها حسب الأصول الوظيفية هي سبيل واعد آخر، ويمكن أن يكون لشعاع ملموس جهازاً تقنياً يستخدم أجهزة تنقية من القاع إلى السطح لتقليل الضغوط الحرارية إلى أدنى حد ممكن.() ويجعل التصنيع الإضافة للمواد السمية (الطباعة الملموسة 3D) من الممكن أن تكون طبقات الإيداع ذات أنواع مجمّعة ومحتويات ألياف مختلفة، مما يتيح تكييف الملامح الحرارية عبر عنصر واحد.

"ما يسمى "الخرسانة 4D التي تحتوي على "هيدروغلز أو أي عوامل تتضخم أخرى يتم استكشافها من أجل الاختتام الفعّال للشقوق عندما يختبر المكوّن المطبوع حدث حراري يفتح الجسيمات الهيدروجيلية المحتوية على الكراك ويملأ الفراغ، وهذا التورم قابل للعكس يمكن أن يستوعب دورات الحرارة المتكررة دون ضرر دائم، وتشير اختبارات المختبرات المبكرة إلى إغلاقها في غضون دقائق من التعرض للرطوبة، مما يجعل هذه التكنولوجيا جذابة

اختبار المواد المتقدمة ومعاييرها

ويتطلب اعتماد المواد المبتكرة أساليب اختبار متحققة ورموز تصميم، إذ يوحد معيار الاختبارات من خلال الاختبارات الخرسانية، ولكن الفشل الذاتي، والمواد المركبة، التي تتطلب أساليب أكثر تطوراً لالتقاط الممتلكات الإرشادية والآثار المعتمدة على الوقت، كما أن الغرف الحرارية الكاملة التي تخضع عناصر الجسر للدورات الدوارة الواقعية بينما أصبح الرصد في إطار التركيزات العالية أمراً أساسياً.

وتستبدل المواصفات القائمة على الأداء المواصفات الوصفية، وبدلا من تحديد الحد الأقصى لفئة التكنولوجيا الحيوية، قد تتطلب الوكالات أن يستوعب نظام الطوابق عدداً معيناً من الدورات الحرارية باستخدام أسلاك الشقوق دون عتبة، وهذا يفتح الباب أمام حلول مادية مبتكرة يتم التحقق منها عن طريق الاختبار المعتمد، ويعتمد المهندسون أيضاً على نماذج محددة تُحدث التقلبات الحرارية والهيجرائية والتحليلات الميكانيكية للتنبؤ بسلوك على مدى عقود من الخدمة.

وقد وضعت اللجنة التقنية للشبكة 260 توصيات لتحديد قدرة المواد السمية على الأكل الذاتي في إطار التدوير الحراري، وتشمل بروتوكولات الاختبار الموحدة الآن التحميل الحراري المتزامن مع قياسات دورية لقابلية التحمل في المياه لتحديد الكفاءة الكمية، وبالمثل، تقوم اللجنة الأمريكية للحساب الإلكتروني 544 باستكمال مبادئها التوجيهية بشأن الخرسانة ذات الجرعة العالية التي تحددها.

ألف - الجوانب الاقتصادية والبيئية

وكثيرا ما يقابل أقساط تكاليف المواد المتقدمة المنخفضة التوسع مدة الخدمة وانخفاض الصيانة، وتبين تحليلات تكاليف دورة الحياة التي تجريها فيلق المهندسين التابع للجيش الأمريكي أن استبدال مفاصل التوسع التقليدي للصلب مع سلالات الربط التابعة للشبكة يمكن أن يؤدي إلى تخفيض بنسبة تتراوح بين 30 و 40 في المائة في تكاليف دورة الحياة لمدة 100 سنة، وذلك أساسا عن طريق إزالة الاستبدال المشترك وربط السفن.

كما أن العديد من استراتيجيات تكنولوجيا المناخ المنخفضة قد خفضت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الأجل القريب، كما أن الرماد الطياري العالي ومصنوعات الذبابة تخفض استخدام الأسمنت في الموانئ، وتخفض غازات الدفيئة بصورة مباشرة من حسابها، وتخفض المعاطف الانكماشية الحرارة التي تستوعبها الرصفات، وتخفض الطلب على تكييف الهواء في المباني المجاورة، وتخفض الفوائد على مستوى الأرض.

وتشير دراسات تقييم دورة الحياة مقارنة بين المعالم التقليدية والخرسانية المنخفضة الحجم في إطار فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي إلى أن الطاقة الإضافية للصناعة في منطقة شرق الكاريبي أو الخرسانة المتعددة الوسائط قد تراجعت في غضون 15-20 سنة من خلال تخفيض الصيانة وفترات الخدمة الطويلة، ومن ذلك مثلاً أن الألياف القصيرة للوصلات التي تربط بين الجماعة الاقتصادية الأوروبية من أجل جسر الطريق السريع في ميتشيغان قد انخفضت في معدلات الاحترار العالمي بنسبة 35 في فترة تحليل أعلى من 100 سنة.

المحافظون على الحجارة وقطع الطريق

وعلى الرغم من التقدم الكبير، لا تزال هناك حواجز، فالقابلية الطويلة الأجل للدوافع النانوية تحت سطح الأرض الحقيقي، والتعرض للرطوبة، تحتاج إلى مزيد من التحقيق، وسلاسل الإمداد الخاصة بالألغام الصغيرة ذات الجودة العالية، وقاعدة البيانات المالية العالية، لا تنضج كما هي بالنسبة للفولاذ التقليدي، مما يؤدي إلى تقلب الأسعار، وطاقم البناء بحاجة إلى التدريب، وأحيانا معدات متخصصة، ولجان المعايير تبطئ من حيث الجوهر عملية الاعتماد.

وتشمل حدود البحوث تطوير نظم المواد الهجينة التي تجمع بين آليات متعددة في عنصر واحد، على سبيل المثال، الخرسانة والألياف المدمجة في مجال مكافحة الألغام وأغطية التلقيح الذاتي التي تعمل بشكل متتابع، وتستخدم الاستخبارات الفهائية والتعلم الآلي لتحقيق التكوينات المادية والتنبؤ بالسلوك الحراري الطويل الأجل، ويعود العقد المقبل برؤية هذه التكنولوجيات تنتقل من المختبرات إلى الميدان بوتيرة متسارعة، وتتجه نحو الضرورة.