تأثير معالجة CO2 على أداء غشاء التب пасيفيزيشن للأعمدة الفولاذية في المواد القائمة على الأسمنت

لماذا تهم حماية الخرسانة الصديقة للبيئة

تعتمد المدن الحديثة على الخرسانة المسلحة، حيث تحمل قضبان الفولاذ المخفية بداخلها جزءًا كبيرًا من الأحمال. مع مرور الزمن، قد تصدأ هذه القضبان، مما يهدد الجسور والمباني والسدود البحرية. وفي الوقت نفسه، تُعد صناعة الأسمنت مصدرًا رئيسيًا لثاني أكسيد الكربون (CO2). تستكشف هذه الدراسة تقنية تُسمى معالجة CO2 التي قد تساعد في الجانبين معًا: فهي تحتجز CO2 داخل الخرسانة الطازجة، وكما تُظهر هذه الدراسة، يمكنها فعليًا أن تحسّن حماية الفولاذ الداخلي ضد التآكل.

تنفّس CO2 لصنع خرسانة أقوى

بدلًا من ترك الخرسانة الجديدة لتتصلب فقط في هواء رطب أو بِبُخار، تعرّض معالجة CO2 الخرسانة لتركيز عالٍ من غاز ثاني أكسيد الكربون خلال مراحلها الأولى. يتفاعل الغاز مع معجون الأسمنت لتكوين معادن كربونات صلبة تحشو المسامات القريبة من السطح. هذا التفاعل يخزن CO2 في المادة ويكوّن قشرة خارجية أكثر كثافة. وبما أن معظم منشآت الخرسانة المسلحة تحتوي قضبان فولاذية، ركّز المؤلفون على تأثير هذا الوسط المعدّل على الطبقة الرقيقة الواقية —المسماة غشاء التمرّد أو passivation film— التي تتكوّن طبيعيًا على الفولاذ في الخرسانة شديدة القلوية وتمنعه من الصدأ.

مراقبة تحول الفولاذ إلى حالة السكون ثم فقدان الحماية

صب الفريق أسطوانات ملاط صغيرة تحتوي قضبان فولاذية وعالج نصفها بـCO2 والنصف الآخر بشروط رطبة قياسية. ثم تتبّعوا كيف انتقل الفولاذ من حالة نشطة وغير محمية إلى حالة سكون محمية باستخدام عدة تقنيات كهروكيميائية تقيس تيارات صغيرة عند سطح الفولاذ. أظهرت القياسات أنه في الملاط العادي استغرق الفولاذ نحو ثلاثة أسابيع للوصول إلى حالة سكون مستقرة، بينما في الملاط المعالج بـCO2 حدث ذلك في نحو نصف الوقت. يربط المؤلفون هذا التسريع بارتفاع مؤقت في تركيز الأكسجين حول الفولاذ ناتج عن تفاعل CO2 وتكثيف الطبقة الخارجية من الملاط، مما يدفع الأكسجين المذاب إلى الداخل ويعجل تكوين الغشاء الواقي.

غشاء واقٍ أنحف لكنه أقوى

عند النظرة الأولى قد يبدو غشاء التمرّد في عينات المعالجة بـCO2 أسوأ: فهو أنحف قليلًا — حوالي 4.06 نانومتر مقابل 4.73 نانومتر في المعالجة القياسية. لكن نفس الاختبارات أظهرت أنه يقاوم انتقال الشحنة بقوة أكبر، ما يعني أنه أصعب على التفاعلات المسببة للتآكل أن تستمر. كشف المجهر لسطح الفولاذ عن السبب. في ملاط CO2، يكون الغشاء أكثر انتظامًا ومُرتّبًا بشكل دقيق، ويكوّن نمط حبيبي رأسي متواصل يغلق المسارات أمام أيونات الكلوريد والأكسجين. أظهر التحليل الكيميائي باستخدام مطيافية الأشعة السينية للفوتوالإلكترونات أن هذا الغشاء يحتوي على نسبة أعلى من الحديد في حالة أكسدة أدنى (Fe2+) مقارنةً بـFe3+. يبدو أن هذا التوازنْ يحرص على تمشيط الغشاء بإحكام ويمنحه قدرة أكبر على إصلاح العيوب الصغيرة ذاتيًا، مما يفسّر الجمع المفاجئ بين سمك أقل وحماية أفضل.

إبطاء تلف الملح لفترة أطول بكثير

تتعرض المنشآت الحقيقية غالبًا للأملاح من مياه البحر أو مواد إذابة الجليد، التي يمكن أن تكسر تدريجيًا غشاء التمرّد. لمحاكاة ذلك، كرّر الباحثون دورات من النقع في محلول ملحي ثم التجفيف. فقد الفولاذ في الملاط المُعالَج بصورة قياسية حالته الواقية بعد 18 دورة من هذا النوع، مع قفزة حادة في تيارات التآكل. بالمقابل، بقي الفولاذ في ملاط المعالجة بـCO2 في حالة السكون حتى نحو 30 دورة، ما يعني تأخير بداية التآكل الجاد بحوالي ثلثي الفترة. ينشأ هذا التحسّن من منفعة مزدوجة: فالطبقة الخارجية المتكربنة من الملاط تُبطئ وصول أيونات الكلوريد، وغشاء التمرّد المحسّن نفسه أكثر استقرارًا وأقل عرضة للعيوب تحت الهجوم.

ماذا يعني ذلك للمنشآت المستقبلية

تشير النتائج معًا إلى أن معالجة CO2 تفعل أكثر من مجرد احتجاز غاز الاحتباس الحراري داخل الخرسانة؛ فهي تعيد تشكيل الدرع المجهرِي الذي يحمي الفولاذ بالداخل. من خلال تسريع تكوين غشاء تمرّد أكثر كثافة ومتانة كيميائية، وبالاقتران مع بنية مسامية سطحية أكثر إحكامًا، يمكن للخرسانة المعالجة بـCO2 أن تقاوم تآكل الملح بشكل أفضل على المدى الطويل. بالنسبة للمهندسين، يعني ذلك أن استبدال المعالجة بالبخار التقليدية لعناصر مسبقة الصنع بمعالجة CO2 قد يطيل عمر الجسور والهياكل البحرية وغيرها من البنى التحتية الحيوية بينما يسهم في استخدام CO2 — ما يوفر فائدة نادرة مزدوجة للمتانة وتأثير المناخ.

الاستشهاد: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

الكلمات المفتاحية: معالجة CO2, خرسانة مسلحة, تآكل الفولاذ, غشاء السكون (التميم), هجوم الكلوريدات