إضافة سائل نانو-سيليكا محفَّز بالقلوي لتحسين متانة ملاطٍ منشط بالكوارتز الصوديوم في بيئات عدائية

لماذا يهم وجود خرسانة أقوى وأكثر صداقة للبيئة

تعتمد المدن الحديثة والجسور والموانئ على الخرسانة، لكن أسمنت البورتلاند التقليدي يرافقه عبء بيئي كبير وقد يتدهور بسرعة في بيئات قاسية مثل السواحل والمناطق الباردة. تبحث هذه الدراسة عن رابط بديل واعد للخرسانة ينبعث منه ثاني أكسيد كربون أقل ومع ذلك يصمد أمام مياه البحر والتجمد والمواد الكيميائية المسببة للتآكل. عبر إضافة مكوّن خاص بحجم نانو إلى ملاطٍ جديد قائم على الخبث، يبيّن الباحثون كيف يمكننا بناء منشآت بحرية وبنى تحتية أطول عمراً مع تخفيف العبء على الكوكب.

نوع جديد من كتلة بناء منخفضة الكربون

تعتمد الخرسانة العادية على أسمنت بورتلاند، الذي تمثل صناعته حصة كبيرة من الانبعاثات الكربونية العالمية. أحد المسارات الأكثر خضرة يستخدم فضلات صناعية مثل خبث فرن بَرْتَلوز المُجَمَّع، يُنشَّط بمواد قلوية لتشكيل رابط صلب يشبه الحجر. في هذا العمل، ركز الفريق على ملاط الخبث المنشط بكربونات الصوديوم، وهي مادة كيميائية أقل تأثيراً مناخياً وبأسعار معقولة تقلل أيضاً من الانكماش والتشققات. المقابل هو أن هذا الملاط المنشط بكربونات الصوديوم يميل إلى امتلاك بنية داخلية أكثر مسامية، ما يجعله عرضة لهجوم الأملاح والمياه ودورات التجمد والذوبان — وهي ظروف شائعة في البيئات البحرية والطرق.

كيف تساعد قطرات السيليكا الدقيقة

لمعالجة هذه الضعف، أضاف الباحثون كميات متغيرة من محلول نانو-سيليكا محفَّز بالقلوي، وهو سائل يحتوي جسيمات سيليكا فائقة الدقة تبقى موزعة جيداً. على عكس مسحوق النانو-سيليكا الجاف، ينتشر هذا المحلول بشكل متساوٍ في الملاط الطازج. أثناء التصلب، تتفاعل النانو-سيليكا مع الكالسيوم المتحرر من الخبث لتكوّن جل رابطة إضافي، بينما تملأ الجسيمات المتبقية الفراغات. جهز الفريق ملاطات بمحتويات مختلفة من النانو-سيليكا ثم قاسوا قلوية السطح، وامتصاص الماء، والمقاومة للتجمّد، ومدى سهولة دخول أيونات الكبريتات والكلوريد الضارة. استُخدمت تقنيات التصوير المجهري وتحليل حيود الأشعة السينية وقياسات حجم المسام لرصد ما يحدث داخل المادة.

الصمود أمام الماء والملح والجليد

عبر كل الاختبارات، تفوقت الملاطات المحتوية على محلول النانو-سيليكا بوضوح على المادة المرجعية. خفّضت النانو-سيليكا المضافة قلوية السطح، وقلَّلت المسامية الإجمالية، وقلَّصت امتصاص الماء بالشعيرات، ما يعني تسرباً أقل للماء. تحت دورات متكررة من التجمد والذوبان، خسرت الخلائط ذات محتوى النانو-سيليكا الأعلى كتلة أقل واحتفظت بمزيد من قوتها، وأظهرت أسطحها رقائق وشقوقاً أقل بكثير. عند تعرضها لعدة أشهر لمحاليل كبريتات الصوديوم والمغنيسيوم — وهي مواد كيميائية تهاجم الخرسانة في الترب ومياه البحر — تكبدت الملاطات ذات نحو 8% نانو-سيليكا خسائر قوة أصغر بكثير، وكان الضرر الناتج عن كبريتات المغنيسيوم الأكثر عدوانية مخففاً بشكل ملحوظ. في اختبارات محاكاة دورات البلل والجفاف في مياه مالحة واختراق الكلوريد المباشر، قاومت الملاطات الغنية بالنانو-سيليكا مرة أخرى دخول الأيونات بشكل أفضل، حيث انخفضت أعماق الاختراق ومعدلات الانتقال بأكثر من النصف مقارنةً بالنسخة غير المعالجة.

ما الذي يتغير داخل المادة

كشفت التحليلات البنائية والتصويرية سبب هذه المكاسب في الأداء. أدت النانو-سيليكا المحلول إلى شبكة داخلية أكثر كثافة، حيث تحوّلت العديد من المسام الكبيرة والمتوسطة إلى مسام هلامية أدق وبُنيت مسامية مستمرة أقل. جعلت هذه البنية الدقيقة من الصعب فيزيائياً على الماء والأيونات المهاجمة أن تتحرك عبر الملاط. في الوقت نفسه، شجعت السيليكا المضافة تكوّن جِلات رابطة أوسع وأكثر استقراراً تربط حبيبات الخبث معاً في هيكل ثلاثي الأبعاد. كانت كمية البلورات المتمددة المسببة للتشققات مثل الإتَرِنغايت والجِبس والبروكسيت والأملاح الحاملة للكلوريد أقل في خلائط النانو-سيليكا، لأن عدداً أقل من الأيونات تمكن من الدخول وأكثرها احتُجز بلا ضرر على أسطح الجِلات والجسيمات النانوية.

ما معنى هذا للبناء المستقبلي

بالنسبة للقارئ غير المتخصص، الخلاصة أن قطرات السيليكا الدقيقة الموزعة جيداً يمكن أن تُحوّل ملاطاً منخفض الكربون نسبيًا وهشاً ومسامياً إلى مادة أقوى وأكثر تماسكاً تتحمل البيئات القاسية بشكل أفضل. من خلال تحسين شبكة المسام وتثبيت الهلام الداخلي، يحسّن محلول نانو-سيليكا المحفَّز بالقلوي بشكل كبير المقاومة للماء والملح وأضرار التجمد، مع إشارة إلى أن إضافة نحو 8% أعطت أفضل النتائج عموماً في هذه الدراسة. يقدّم هذا النهج مساراً عملياً ومنخفض التكلفة نحو ملاطات وخرسانات أكثر متانة وصديقة للبيئة للهياكل البحرية والطرق والبنى التحتية الأخرى المعرضة لظروف عدائية.

الاستشهاد: Zheng, X., Hu, Z., Liu, H. et al. Incorporating alkali-catalyzed nano-silica sol to enhance the durability of sodium carbonate-activated slag mortar in aggressive environments. npj Mater Degrad 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00763-2

الكلمات المفتاحية: خبث مفعل قلوياً, معلول نانو-سيليكا, متانة الخرسانة, هجوم الكبريتات والكلوريد, البناء منخفض الكربون