مأزق غوص الكربون وتآكل الخرسانة: رؤى من ملاط CSA-PC في العمر المبكر

لماذا لا يكون حجز الكربون في الخرسانة أمراً بسيطاً

الخرسانة هي واحدة من أكبر مصادر ثاني أكسيد الكربون في العالم، لكنها قادرة أيضاً على إعادة امتصاص CO2 بمرور الوقت. فكرة جديدة هي إجبار كمية إضافية من CO2 داخل الخرسانة الطازجة لـ«حجز» الكربون وحتى تحسين خواص المادة ميكانيكياً. تطرح هذه الدراسة سؤالاً عملياً محورياً: إذا دفعنا CO2 بشكل مكثف إلى خليط إسمنتي منخفض الكربون في مرحلة عمرية مبكرة، هل نكسب فعلاً ديمومة أم أننا نجعل سلاسة الفولاذ المُسَلَّح بداخلها أكثر عرضة للصدأ؟

الخرسانة كسفّانة كربون خفية

تسكب المجتمعات الحديثة نحو 30 مليار طن من الخرسانة سنوياً، وتمتص المواد القائمة على الأسمنت بالفعل ما يقرب من غيغا طن واحد من CO2 سنوياً أثناء تفاعلها البطيء مع الهواء. يجرب المهندسون الآن ما يُسمى «التكربن القسري»، حيث تُعرَض الخرسانة الطازجة أو المعاد تدويرها إلى غازات CO2 مركزة وتحت ضغط. في هذه المرحلة المبكرة تظل المادة ذات مسامية نسبية، مما يسمح للغاز بالتغلغل بسهولة وتسريع التفاعلات الكيميائية التي تحبس CO2 كمعادن كربونات صلبة. كما أن هذه التفاعلات قد تضيق المسام وترفع قوة المادي في العمر المبكر، ما يوفّر مساراً جذاباً لمباني وبنى تحتية أكثر خضرة ومتانة.

خلطة إسمنتية منخفضة الكربون تحت المجهر

ركز الباحثون على ملاط هجين مكوّن من 75% أسمنت كلسي سلفو ألومينات (CSA) و25% أسمنت بورتلاند عادي. ينتج CSA باستهلاك طاقة أقل وانبعاثات CO2 أقل عند التصنيع، لكنه أيضاً يخلق وسطاً داخلياً أقل قاعدية من الأسمنت القياسي. وهذا مهم لأن حِدَّة الحماية الكيميائية لقضبان الفولاذ في الخرسانة التقليدية تعتمد عادةً على محلول مسامي قاعدي جداً يُبقي السطح «خاملًا» ومقاوماً للصدأ. في هذه الدراسة، خضعت أسطوانات رقيقة من الملاط، كل منها يحتوي قضيب فولاذي رفيع، إما لعدم التكربن الاصطناعي أو لتعرض CO2 نقي عالي الضغط لمدة 4 أو 24 أو 72 ساعة عندما كان عمرها يوماً واحداً. بعدها، تمت معاملة جميع العينات حتى 28 يوماً ثم تعرّضت لدورات متكررة من الغمر في ماء مالح تليه عملية تجفيف لمدة 43 أسبوعاً لمحاكاة بيئات قاسية غنية بالكلوريدات.

مراقبة فقدان الفولاذ لطبقة الحماية

خلال التعرض، استخدم الفريق تقنيات كهروكيميائية لتتبع حالة الفولاذ — بقياس جهده الدائرة المفتوحة، ومقاومة الاستقطاب، وكثافة تيار التآكل، التي تشير مجتمعةً إلى مدى نشاط ذوبان المعدن. كما قيس pH الملاط دورياً. حتى قبل التعرض الملحي العدواني، كان pH الكلي في هذا الملاط الغني بـCSA أقل من العتبة التقليدية (حوالي 11.5) اللازمة لطبقة سلبية قوية على الفولاذ. ومع استمرار دورات البلل-الجفاف انخفض pH أكثر، لا سيما في العينات المكربنة مسبقاً. ارتفع تيار التآكل في الملاطات المكربنة بسرعة إلى قيم أكبر بنحو عشرة أضعاف مقارنة بالمرجع غير المكربن، مما يتوافق مع معدل تآكل «عالٍ». بعبارة أخرى، بينما كانت جميع القضبان في خطر، دفعت التكربن القسري في العمر المبكر الفولاذ بوضوح إلى حالة تآكل أشد.

صدأ ينتشر ويملأ الخرسانة

لمعرفة أين وكيف تطوّر الضرر، لجأ الباحثون إلى التصوير عالي الدقة والتحليل الكيميائي. قدّم التصوير المقطعي بالاشعاع السيني خرائط ثلاثية الأبعاد لمناطق مملوءة بالصدأ حول القضبان، بينما كشفت مجاهر الإلكترون المرتدة والخريطة العنصرية كيف هاجرت منتجات التآكل الغنية بالحديد إلى الملاط المحيط. في العينات غير المكربنة، اقتصر وجود الصدأ على طبقة رقيقة تلتصق بالفولاذ وغزت الملاط بضعة عشرات من الميكرومترات فقط. بالمقابل، عرضت الملاطات المكربنة أشرطة صدأ أسمك وأكثر انتظاماً، مع منتجات تآكل تخترق حتى نحو 2 ملليمتر في المصفوفة وتشكل تجمعات تضاعف حجمها المتوسط تقريباً بعد 4 ساعات فقط من المعالجة المبكرة بـCO2. أكدت طيفية الأشعة السينية للفوتوالكترونات أن سطح الفولاذ في العينات المكربنة احتوى على أكاسيد وهيدروكسيدات حديدية ذات حالة أكسدة أعلى وماء مرتبط أكثر — دلائل على طبقة صدأ أسمك وأكثر نشاطاً ومعرضة لمزيد من الهجوم.

مادة أكثر كثافة لكنها تتآكل بوتيرة أسرع

من المفارقات أن نفس التكربن الذي سرّع التآكل جعل أيضاً البنية المجهرية للملاط أكثر كثافة. أظهرت التحاليل الحرارية وقياسات امتزاز النيتروجين أن المناطق الخارجية للأسطوانات طورت مزيداً من كربونات الكالسيوم وانتقالاً من مسام أكبر إلى مسام دقيقة ومتوسطة، بينما تغيرت المناطق الداخلية القريبة من الفولاذ بفعل التكربن والنمو الداخلي للصدأ وهجرته إلى الخارج. بشكل عام، أصبح شبك المسام أكثر إحكاماً، وهو ما يفترض نظرياً أن يبطئ حركة الأيونات العدوانية مثل الكلوريدات ويحدّ من مدى انتشار منتجات التآكل. ورأى الباحثون بالفعل أن تمديد فترة التكربن من 4 إلى 72 ساعة لم يزد كثيراً من الحجم الكلي للصدأ، لكنه غيّر بشكل أساسي كيفية توزيعه — مناطق صدأ أكثر عدداً وأقل عمقاً بدلاً من بعض المناطق الكبيرة — لأن المسام المصغرة أعاقت اختراقه أكثر.

ماذا يعني ذلك بالنسبة لخرسانة أكثر خضرة

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الرئيسية أن ضخ CO2 إضافي في خرسانة مسلحة بالفولاذ في مراحلها الشابة هو سيف ذو حدين. فهو يساعد على حجز الكربون ويجعل مسام المادة الداخلية أصغر وأكثر إحكاماً. ومع ذلك، في نظام منخفض القلوية مثل هذا المزيج CSA–بورتلاند، فإن التكربن المبكر والعميق يزيل أيضاً الكثير من الحماية الكيميائية التي تبقي الفولاذ بعيداً عن الصدأ. والنتيجة هي بدء تآكل أكثر تواتراً وانتشار صدأ أوسع داخل الخرسانة، حتى لو أن البنية الدقيقة الكثيفة تحدّ من عمق انتشار هذا الصدأ. يستنتج المؤلفون أنه بينما يملك التكربن القسري في العمر المبكر مزايا بيئية وميكانيكية واضحة، فإنه قد يضعف ديمومة العناصر المسلحة على المدى الطويل ما لم تُضبَط الكيمياء والتصميم بعناية بالغة.

الاستشهاد: Qiang, Z., Yan, L., Yue, Q. et al. The carbon sinking-corrosion dilemma in concrete: insights from early-age CSA-PC mortar. npj Mater Degrad 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00737-4

الكلمات المفتاحية: تَكَرُّبُ الكُربُون في الخرسانة, تآكل الفولاذ, أسمنت كلسي سلفو ألومينات, احتجاز CO2, ديمومة الخرسانة المسلحة