التأثير التآزري لمسحوق المطاط والنانو-سيليكا على بنية المسام ومقاومة التجمد للخرسانة

لماذا يهم تشقق الخرسانة في الجبال الباردة

في العديد من مناطق الجبال الشاهقة، تتعرض السدود والمصارف ومحطات الطاقة المائية لمئات دورات التجمد والذوبان سنوياً. يتسرب الماء إلى المسام الدقيقة في الخرسانة، ويتجمد ويتوسع، ثم يفصل المادة تدريجياً. عادة ما يحمي المهندسون هذه المنشآت بإضافة مواد كيميائية تخلق فقاعات هواء واقية، لكن هذه المواد تؤدي أداءً ضعيفاً على علوّات عالية حيث يكون ضغط الهواء منخفضاً. تستكشف هذه الدراسة فكرة مختلفة: استخدام مطاط مطحون ناعماً من إطارات النفايات مع مسحوق سيليكا فائق الدقة لإعادة تصميم "مساحات التنفس" الداخلية للخرسانة بحيث تتحمل البرد القارس بشكل أفضل.

تحويل إطارات النفايات إلى وسائد أمان دقيقة

ركز الباحثون على كيفية توفير مساحة لتوسع الماء المتجمد دون أن يمزق الخرسانة. بدلاً من الاعتماد فقط على الفقاعات الهوائية التقليدية، أضافوا مسحوق مطاطي ناعم جداً مصنوعاً من إطارات مهملة. داخل الخرسانة المتصلدة، تعمل حبيبات المطاط هذه كجيوب مرنة صغيرة — "مسامات صلبة" — تتصرف بطريقة مماثلة للمساحات الفارغة. لا تتحمل أحمالاً كبيرة، لكنها قادرة على التشوه وإتاحة مكان عندما ينمو الجليد. أظهرت الاختبارات أنه مع زيادة كمية مسحوق المطاط، ارتفعت كمية الفراغات الداخلية إجمالاً بشكل حاد، شبيهاً بما يحدث عند استخدام مواد تكوين هواء خاصة. والأهم أن هذه المسامات الصلبة ساعدت على تقارب الفقاعات بعضها إلى بعض، مما يقلل الضغط الناتج عندما يتجمد الماء في المسام.

تعديلات دقيقة باستخدام السيليكا النانوية

للمطاط وحده عوائق: فقد يخفض من مقاومة الخرسانة ويخلق بعض الفراغات الكبيرة الضارة. لمواجهة ذلك، أضاف الفريق نانو-سيليكا — جسيمات صغيرة للغاية من ثاني أكسيد السيليكون. تتفاعل هذه الجسيمات مع الأسمنت وتملأ الفراغات داخل المعجون المتصلد، خاصة المسام الأكبر التي تضعف الخرسانة. عندما جُمعت النانو-سيليكا مع مسحوق المطاط، تقلص عدد المسام الكبيرة وتحولت البنية نحو العديد من الفراغات الصغيرة الموزعة جيداً. انخفض محتوى الهواء الكلي عائداً نحو مستوى الخرسانة العادية، لكن حصة أكبر من الفراغات المتبقية كانت المسامات الصلبة المفيدة المحيطة بحبيبات المطاط بدلاً من فقاعات الهواء الهشة.

تعريض الخرسانة الجديدة لعقوبة دورات التجمد والذوبان

لمعرفة كيفية تصرف هذه الخرسانة المعدلة في ظروف قاسية، جمد الباحثون وأذابوا عينات مكعبة الشكل بشكل متكرر مع قياس مقاومتها وبنيتها المسامية الداخلية. فقدت الخرسانة العادية معظم مقاومتها بعد عشرات الدورات، حيث كبُرت مسامها وانتشرت الشقوق. بالمقابل، حافظت الخرسانة التي احتوت كلاً من مسحوق المطاط والنانو-سيليكا على حوالي أربعة أخماس مقاومتها الأصلية حتى بعد مئة دورة. أظهرت الصور المجهرية أن المسامات الصلبة المستندة إلى المطاط والمعجون الأسمنتي المكثف حولها ساعدت على امتصاص وتوزيع الإجهادات الناتجة عن تكوّن الجليد، مما أبطأ نمو الشقوق وحافظ على استقرار شبكة المسام العامة.

كيف تتغير الخريطة الداخلية للمسامات مع الزمن

كشفت القياسات التفصيلية أنه في الخرسانة القياسية، تحولت العديد من أصغر المسام تدريجياً إلى مسام أكبر مع تقدم دورات التجمد والذوبان، مما سهل على الماء والجليد إتلاف المادة. في خلطات المطاط–النانو-سيليكا، كان هذا التحول أضعف بكثير: انخفضت حصة المسام الصغيرة بنحو نصف ما شهدته الخلطة العادية فقط، وزيادة المسام الكبيرة والخطيرة كانت مجرد جزء بسيط مما حدث في حالة الضبط. كما تغير التباعد بين المسام بدرجة أقل، فكانت هناك مسارات متصلة أقل للماء ليتحرك ويعاود التجمد. في الجوهر، خلقت التركيبة الذكية من المسامات الصلبة ومعجون أكثر كثافة منظراً داخلياً أكثر مقاومة للتدهور الطويل الأمد.

ما معنى هذا لمنشآت المناطق الباردة

لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: باستبدال بعض الرمل بمسحوق مطاط ناتج عن إطارات مهملة وإضافة كمية متواضعة من النانو-سيليكا، يمكن للمهندسين أن يصنعوا خرسانة تفقد مقاومة قليلة فقط لكنها تكتسب قدرة تحمل كبيرة في المناخات المتجمدة. يوفر المطاط جيوباً مرنة تخفف ضغط توسع الجليد، بينما تشد النانو-سيليكا البنية بحيث تظل الفراغات الكبيرة الضارة تحت السيطرة. ولأن المطاط يمكن استخراجه من إطارات محلية والنانو-سيليكا يُستخدم بكميات صغيرة، فهذه الطريقة عملية وصديقة للبيئة للمشاريع النائية ذات الارتفاعات العالية. تُظهر الدراسة طريقة واعدة للحفاظ على سلامة وبقاء البنى الخرسانية الحساسة في الأماكن التي تكون فيها الشتاء أكثر قسوة.

الاستشهاد: Feng, LY., Cao, HL., Shi, XW. et al. Synergistic effect of rubber powder and nano-silica on pore structure and frost resistance of concrete. Sci Rep 16, 11857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36480-8

الكلمات المفتاحية: خرسانة مقاومة للصقيع, خرسانة مطاطية, نانو-سيليكا, تحمل دورات التجمد والذوبان, إعادة تدوير إطارات النفايات