نحو توحيد معايير خبث الزنك كبديل مستدام للركام الناعم في الخرسانة

لماذا يمكن للنفايات أن تساعد في إنقاذ أنهارنا

قد تبدو الرمال غير منتهية، لكن طفرة البناء تجرد قيعان الأنهار والسواحل بوتيرة مدهشة. وفي الوقت نفسه، تولد مصانع صهر المعادن حول العالم أكواماً من مخلفات صناعية يصعب إعادة استخدامها. يطرح هذا البحث سؤالاً بسيط المظهر ولكن ذي رهانات بيئية كبيرة: هل يمكن لخبث الزنك — وهو منتج ثانوي وفير من تكرير الزنك — أن يحل بأمان وبشكل موثوق محل الرمال الطبيعية في الخرسانة، من دون التضحية بالقوة أو المتانة أو السلامة؟

من رمال الأنهار إلى مخلفات المصانع

تتكون الخرسانة من الأسمنت والماء والحصى الكبير وبالذات الحبيبات الناعمة مثل الرمل. ومع توسع المدن، ارتفع الطلب على الرمل بشكل كبير، مما ألحق أضراراً بالأنهار والدلتا والنظم الساحلية ورفع التكاليف. بالتوازي مع ذلك، تُنتج مصانع صهر الزنك الحديثة، خاصة في دول مثل كوريا الجنوبية، كميات كبيرة من خبث الزنك. هذا المـادة الحبيبية تتكوّن من قطرات مبردة ومطحونة ناتجة عن عملية الصهر. حجمها وكثافتها وتركيبها المعدني يوحيان بأنها قد تتصرف شبيهة بالرمل في الخرسانة. ومع ذلك، تجاهلت المعايير في مناطق كبرى، بما في ذلك كوريا، خبث الزنك حتى الآن، إلى حد كبير بسبب مخاوف من المعادن الثقيلة وعدم انتظام الجودة.

فحص دقيق للخبث نفسه

بدأ الباحثون بالتعامل مع خبث الزنك كما لو كان مكوناً جديداً في وصفة يجب فحصها بدقة قبل إدخاله في الخلطة. قاسوا كثافة الحبيبات، وامتصاصها للماء، وتوزيع أحجامها، وما تبدو عليه تحت المجهر الإلكتروني. كما حللوا تركيبها العنصري والتركيب البلوري، واختبروا وجود شوائب غير مرغوبة مثل الطِين والغبار الفضفاض والأملاح وفتات الفحم. وأخيراً، فحصوا محتوى العناصر الخطرة وإمكانية تسربها مثل الرصاص والكادميوم والزرنيخ لمعرفة ما إذا كان أي منها يمكن أن ينتقل إلى البيئة.

تبين أن الخبث كثيف ومتدرج بشكل جيد، مع حبيبات تغطي نطاق أحجام يعبأ بكفاءة. كان امتصاصه للماء منخفضاً جداً — أقل بكثير من الرمل الطبيعي — ما يعني أنه لا يسحب ماء الخلط من الخرسانة الرطبة. أظهرت صور المجهر حبيبات زاويّة في الغالب، إلى جانب بعض الحبيبات الملساء والمدورة التي يمكن أن تحسن انسيابية الخلطة. كيميائياً، شابه الخبث أنواع الخبث الصناعي الأخرى المقبولة بالفعل في المعايير، وكانت اختبارات العناصر الضارة والتسرب ضمن الحدود التنظيمية المسموح بها بسهولة. من الناحية العملية، تصرفت المادة مثل رمل مصنّع نظيف ومستقر.

كيف أداءت الخرسانة المصنوعة بالخبث

مزودين بهذه المعلومات، أنتج الفريق مجموعتين من الخرسانة: خلطة قوة عادية وخلطة قوة عالية، وكلتاهما شائعتان في المشاريع الحقيقية. في كل حالة، استبدلوا الرمل الطبيعي بخبث الزنك بمستويات تتراوح من 10 بالمئة حتى 100 بالمئة من الحجم. ثم فحصوا سلوك الخرسانة الطازجة — مدى انسيابها، وكمية الماء المطلوبة للوصول إلى قابلية تشغيل معيارية، وكمية الهواء المحبوسة في الخلطة — تلاها اختبارات على العينات المتصلبة لقوة الضغط، والانكماش عند التجفيف ومقاومة اختراق ثاني أكسيد الكربون (وهو سبب رئيسي لتآكل التسليح مع مرور الزمن).

مع إضافة مزيد من الخبث، احتاجت الخرسانة فعلياً إلى ماء أقل للوصول إلى نفس القوام، بفضل امتصاص الخبث المنخفض وتأثير "الكريات المعدنية" لحبيباته المدورة. ظلت الخلطات مستقرة، بدون تبيّن فصل واضح للجسيمات الثقيلة. لم تلبِ قوة الضغط فقط الأهداف التصميمية بل تحسنت في كثير من الأحيان: بعد 28 يوماً، كانت الخرسانة ذات القوة العادية المحتوية على خبث أقوى بنحو يصل إلى 8 بالمئة مقارنة بالضابطة المعتمدة على الرمل فقط، والخرسانة عالية القوة أقوى بنحو يصل إلى 6 بالمئة. ظل الانكماش خلال 60 يوماً ضمن نفس النطاق الضيق لخرسانة عادية، وعمق التَكَرُّن بعد تعرّض معجل لثاني أكسيد الكربون لم يظهر تغيراً يذكر عبر جميع مستويات استبدال الخبث.

السلامة والمتانة وما يعنيه ذلك للمعايير

بالنسبة لهيئات المعايير والجهات المنظمة، يمكن أن تكون السلامة البيئية عقبة حاسمة. هنا، قدم خبث الزنك أداءً جيداً. وُجدت المعادن الثقيلة بكميات أثرية فقط، واكتشفت اختبارات التسرب تحت ظروف معيارية تقريباً لا شيء في السائل المحيط سوى كميات صغيرة من البورون أقل بكثير من الحدود المقررة. كما أظهر الخبث تفاعلاً ضئيلاً جداً مع قلوية الأسمنت، مما يعني أنه لا ينبغي أن يُحدث التمدد البطيء والضار الذي يُرى أحياناً مع الركام المتفاعل. تقترح هذه النتائج، مجتمعة، أنه من منظور هيكلي وبيئي، يتصرف خبث الزنك إلى حد كبير مثل الخبثات المعدنية الأخرى المدرجة بالفعل في قوانين البناء.

تحويل النفايات الصناعية إلى مورد بناء

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة الرئيسة واضحة: يجد هذا البحث أن خبث الزنك، مادة تُعامل عادة كنفاية، يمكن أن تحل بأمان محل رمال الأنهار في الخرسانة اليومية وعالية الأداء دون إضعاف المباني أو تقصير عمرها. في كثير من الحالات، تكون الخلطات المعتمدة على الخبث أقوى قليلاً وتحتاج ماءً أقل، مع الحفاظ على الانكماش والهواء المحبوس ومقاومة ثاني أكسيد الكربون ضمن الحدود المقبولة. وبما أن الخبث يجتاز اختبارات صارمة لمحتوى المعادن الثقيلة والتسرب، فإنه لا يشكل خطورة تلوث ملحوظة. توفر هذه النتائج بيانات قوية لازمة لتحديثات مستقبلية لمعايير البناء، مما قد يحول منتجاً صناعياً مزعجاً إلى مكوّن سائد وأكثر استدامة في أكثر مواد البناء استخداماً في العالم.

الاستشهاد: Yoon, J.C., Shivaprasad, K.N., Min, T.B. et al. Towards standardisation of zinc slag as a sustainable fine aggregate substitute in concrete. Sci Rep 16, 5961 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36155-4

الكلمات المفتاحية: خبث الزنك, الخرسانة المستدامة, استبدال الرمال, مخلفات صناعية, مواد البناء