التقييم التجريبي والرقمي للسلوك الميكانيكي لخرسانة المزنفة المنشّطة قلوياً مع زجاج نفايات معاد تدويره ومساحيق ميتاكاولين مزالة الألمنيوم

خرسانة أكثر صداقة للبيئة لعالم متنامٍ

تُبنى المدن الحديثة على الخرسانة، لكن الخرسانة التقليدية المعتمدة على الأسمنت تأتي مع بصمة كربونية كبيرة وتستهلك كميات هائلة من المواد الخام. تستكشف هذه الدراسة نوعاً جديداً من الخرسانة «الخضراء» التي تستبدل جزءاً كبيراً من الأسمنت والركام المعتاد بمنتجات ثانوية صناعية ونفايات، بما في ذلك الخبث الناتج عن صناعة الصلب والزجاج المطحون من النفايات. من خلال إظهار أن مثل هذه الخلطات يمكن أن تضاهي أو تتفوق على الخرسانة التقليدية، تشير الدراسة إلى إمكانية إنشاء جسور ومبانٍ أكثر قوة وفي الوقت نفسه أكثر لطفاً مع البيئة.

تحويل النفايات الصناعية إلى لبنات بناء

الخرسانة التي فحصتها هذه الدراسة تعتمد على الخبث المفعّل قلوياً، وهو رابط يُصنع عن طريق تفعيل خبث الفرن العالي المطحون كيميائياً بدلاً من استخدام أسمنت بورتلاند. استبدل الباحثون جزئياً الرمل الطبيعي والخبث بمنتجين ثانويين صناعيين: مسحوق زجاج نفايات معاد تدويره وميتاكاولين مزالة الألمنيوم، وهي بقايا غنية بالسيليكا والألومينا ناتجة عن استخلاص الألمنيوم. كما اختبروا نوعين من الحصى الخشن—الدولوميت والبازلت—واضافوا ألياف فولاذية قصيرة إلى بعض الخلطات. وبالمجمل، أعدّوا عدة تركيبات محكمة للتحقق من تأثير كل مكوّن على القوة والصلابة والتشقق والسلوك العام تحت التحميل.

من قوالب المختبر إلى قياسات القوة

لتقييم الأداء، صبّ الفريق ومَسّن مكعبات واسطوانات وعتبات خرسانية في ظروف درجة حرارة الغرفة العادية، متجنبين المعالجة بالحرارة التي تستهلك طاقة كبيرة. قاسوا مقاومة الضغط (كم تتحمل الخرسانة من انضغاط)، ومقاومة الشد الانقسامي (كيف تتصرف عندما تُشد غير مباشرة)، ومقاومة الانحناء، والصلابة. عبر العينات كلها، تفوقت الخلطات التي استخدمت ركام البازلت الأصعب على تلك التي استخدمت الدولوميت. عندما أضيف مسحوق زجاج النفايات أو الميتاكاولين المزالة الألمنيوم، أصبحت الخرسانة أكثر كثافة وأقوى. المزيج اللافت كان مزيجاً جمع بين البازلت، و10% ميتاكاولين مزالة الألمنيوم (بديل لجزء من الخبث)، و1% ألياف فولاذية: فقد أظهر أعلى مقاومات ضغط، وشد وانثناء، إضافة إلى أكبر صلابة.

نظرة داخل هيكل الخرسانة الداخلي

للكشف عن سبب تفوق بعض الخلطات، فحص الباحثون شرائح دقيقة من الخرسانة تحت مجاهر إلكترونية ماسحة واستخدموا مجسات كيميائية لرسم توزيع العناصر الأساسية. أظهرت الخلطات الأضعف بنية داخلية مسامية ومبعثرة مع مناطق اتصال ضعيفة بين الحصى والمعجون. بالمقابل، امتلكت الخلطات الأفضل أداءً شبكة متراصة وموحدة من نواتج التفاعل تربط المكونات مع بعضها، لا سيما حول حبيبات البازلت والألياف الفولاذية. ساعد الميتاكاولين المزالة الألمنيوم في تكوين جل كثيف ومتشابك يملأ الفراغات الدقيقة، بينما جَسَّرت الألياف الفولاذية الشقوق الناشئة، مَنِعتْها من الفتح المفاجئ. تفسّر هذه البنية الدقيقة المحسنة الزيادة في القوة والمتانة والمقاومة للتشقق.

محاكاة العتبات قبل بنائها

بعيداً عن العينات الصغيرة، استخدمت الدراسة محاكاةً متقدمة بالعناصر المحددة للتنبؤ بكيفية تصرف عتبات خرسانية كاملة الحجم المسلحة المصنوعة من الخلطات المختلفة تحت الانحناء. ضبط الباحثون نموذج تلف في برنامج ABAQUS بحيث تطابق منحنيات الإجهاد-الانفعال المقاسة في المختبر. بعد الضبط، أعاد النموذج بدقة أحمال الفشل وأنماط التشقق للمكعبات والأسطوانات والمنشورات. ثم أجروا دراسة معيارية افتراضية للعتبات المسلحة. حملت العتبات المصنوعة من البازلت والخلطات المحسنة القائمة على النفايات أحمالاً أعلى بكثير، وانحنت أقل عند أقصى حمل، وأظهرت تشققاً أكثر تدريجية ولدونة. زاد المزيج الذي احتوى 10% ميتاكاولين مزالة الألمنيوم و1% ألياف فولاذية قدرة التحميل بنحو 46% وقلّص انحراف منتصف الامتداد بنحو الخُمس مقارنة بمزيج مرجعي، وذلك دون تغيير في تسليح الفولاذ.

ماذا يعني هذا للهياكل المستقبلية

لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: من الممكن تصميم خرسانة أقوى وأكثر استدامة عن طريق تحويل بقايا صناعية—الخبث، وزجاج النفايات، والصلبان المزالة الألمنيوم—إلى مكونات عالية الأداء، خصوصاً عند دمجها مع ألياف فولاذية وركام قوي. توضح الدراسة أن مثل هذه الخرسانات الخضراء يمكن اختبارها بثقة، وفهمها على المستوى المجهرى، ونمذجتها على الحاسوب بشكل موثوق، مما يمنح المهندسين أدوات عملية لتصميم عتبات وعناصر أخرى أكثر أماناً وكفاءة. على المدى الطويل، قد تساعد هذه المقاربة في تقليل العبء البيئي للبناء مع الاستمرار في توفير طرق وجسور ومبانٍ متينة.

الاستشهاد: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

الكلمات المفتاحية: خرسانة مستدامة, زجاج نفايات, جيوبوليمر, تسليح بألياف فولاذية, نمذجة رقمية