تأثير رماد الفحم والخبث على الواجهة الميكرورية للخرسانة المعاد تدويرها وتطور تحللها

تحويل نفايات المباني إلى هياكل جديدة

مع توسع المدن وهدم المباني القديمة تتكدس جبال من الخرسانة المكسرة والنفايات الصناعية مثل رماد الفحم والخبث. وفي الوقت نفسه، يعد إنتاج الخرسانة الجديدة أحد أكبر مصادر انبعاثات الكربون في قطاع البناء. تطرح هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً لكنه ملح: هل يمكننا إعادة تحويل هذه النفايات إلى خرسانة قوية ودائمة بأمان، وماذا يحدث داخل المادة عندما نفعل ذلك؟ من خلال التطلع بعمق إلى مناطق التماس الدقيقة بين الخرسانة القديمة والجديدة ومحاكاة نمو الشقوق، يوضح المؤلفون كيف يمكن دمج المكونات المعاد تدويرها دون التضحية بالأداء.

لماذا تهم الحدود المخفية

الخرسانة ليست قطعة صلبة واحدة؛ إنها أشبه بكعكة حجرية، مع حجارة ورمل مرتبطة بمعجون متصلب. غالباً ما تكون أضعف النقاط هي الطبقات الرقيقة حيث تلتقي الحجارة والمعجون، والتي تُسمى مناطق الواجهة. في الخرسانة المعاد تدويرها، تصبح هذه المناطق أكثر تعقيداً لأن قطع الخرسانة القديمة تحمل بالفعل طبقات رقيقة من المعجون المعتق. عندما يُصب المعجون الجديد حولها، تظهر حدود متعددة. تركز الدراسة على كيفية تصرف هذه الطبقات الحدودية عندما يُستبدل الحجر الطبيعي جزئياً بقطع من الخرسانة القديمة، وعندما يُخلَط رماد الفحم والخبث — مساحيق ناتجة عن حرق الفحم وصنع الصلب — في المعجون.

اختبار تركيبات مختلفة للمتانة

أنشأ الباحثون 24 خلطة خرسانية مختلفة بتغيير ثلاثة مكونات: نسبة القطع المعاد تدويرها، وكمية رماد الفحم، وكمية الخبث. استخدمت كل الخلطات نفس كمية الماء والرمل حتى يمكن تتبع أي تغيّر في الأداء إلى هذه البدائل فقط. قاسوا مقدار الضغط الذي يمكن لمكعبات الخرسانة تحمله قبل الانضغاط، ومدى سهولة انقسام الأسطوانات عند سحبها. عموماً، أدت زيادة قطع الخرسانة المعاد تدويرها إلى خفض المتانة مقارنة بالخرسانة العادية. كما قلّلت إضافة رماد الفحم أو الخبث من المتانة في كثير من الحالات، لا سيما عند الجرعات العالية، لأنهما أبطآ تمام تماسك المعجون. ومع ذلك كانت هناك نقاط توازن: عندما كان 40% من الحجر معاداً و10% خُبث، كان فقدان المتانة حوالي 5% فقط، مما يقرّب المادة جداً من الخرسانة القياسية.

التفحص داخل الخرسانة

لفهم سبب تفوق بعض الخلطات، قام الفريق بتلميع شرائح رقيقة من الخرسانة وفحصها تحت المجاهر. كشفت الصور أن الخرسانة المعاد تدويرها تحتوي على مسامات أكثر وحدوداً أكثر خشونة بين الحجر والمعجون مقارنة بالخرسانة العادية. حول القطع المعاد تدويرها كانت مناطق الواجهة الرقيقة أرخى وأكثر مسامية، مع جزيئات غير متفاعلة من الأسمنت ورماد الفحم والخبث. هذا الهيكل المفتوح يضعف الروابط التي تُمسك المكونات معاً. أظهرت الخرسانة العادية المصنوعة بحجر طازج حدوداً أكثر كثافة واستمرارية ومسامات أصغر، ما يفسر متانتها الأفضل. ووجدت الدراسة أن كلاً من رماد الفحم والخبث زادا مسامية هذه المناطق، لكن رماد الفحم فعل ذلك بقوة أكبر من الخبث.

مراقبة تشكل الشقوق ونموها

بعيداً عن الصور الثابتة، رغب المؤلفون في رؤية كيفية انكسار الخرسانة المعاد تدويرها عملياً. بنوا نموذجاً حاسوبياً يعامل مناطق الواجهة الرقيقة كطبقات هشة يمكن أن تنفتح وتنفصل تحت التحميل. عندما حاكى النموذج ضغط كتلة خرسانية، ظهرت شقوق دقيقة أولاً في مناطق الواجهة الخارجية حيث كانت المسامات الأكبر. ومع زيادة الحمولة، انتشرت هذه الشقوق إلى الداخل واتحدت معاً، وفي النهاية قطعت العينة وتسببت في الفشل. تطابقت صور العينات المسحوقة الحقيقية مع النموذج: إذ طورت الخلطات التي تحتوي على الكثير من القطع المعاد تدويرها ورماد الفحم شقوقاً واسعة ومتعرجة، بينما أظهرت الخلطات ذات المحتوى المعتدل من المعاد والخبث شقوقاً أضيق وأكثر استقامة، مما يشير إلى بنية داخلية أكثر إحكاماً.

ما معنى ذلك لمباني أكثر خضرة

للغير متخصصين، الرسالة الأساسية مطمئنة: مع اختيار مدروس للمكونات، يمكن للخرسانة المصنوعة من أنقاض الهدم والنفايات الصناعية أن تقترب جداً من متانة المادة التقليدية. تُظهر الدراسة أن الحلقة الأضعف هي طبقة الواجهة الدقيقة حول القطع المعاد تدويرها، لا سيما عند إضافة كمية كبيرة من رماد الفحم أو الخبث. من خلال الحفاظ على مستوى معتدل من الحجر المعاد واستخدام محتوى خُبث متواضع، يمكن للمهندسين الحد من تضرر هذه المناطق وإبطاء نمو الشقوق. يشير هذا إلى وصفات عملية لخرسانة منخفضة الكربون «تبتلع» النفايات بأمان دون أن تتحول إلى مادة هشة، مما يوفر طريقاً نحو مباني وطرق أكثر متانة واستدامة.

الاستشهاد: Chen, C., Wei, Z., Zhang, J. et al. The impact of fly ash and slag on the microscopic interface of recycled concrete and its destruction evolution. Sci Rep 16, 9565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17035-9

الكلمات المفتاحية: الخرسانة المعاد تدويرها, رماد الفحم, الخبث, منطقة الانتقال الواجهية, البناء المستدام