قياسات انعكاس وانتقال الموجات الميكروية لتقييم تفاعل الماء داخل الجيوبوليمرات مع محاليل أولية مختلفة

الخرسانة الأكثر خضرة تحت المجهر

الخرسانة موجودة في كل مكان، لكن إنتاج مكوّنها الرئيسي — أسمنت بورتلاند — يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. الجيوبوليمرات، فئة جديدة من الملدنات "الخضراء" المصنوعة من مخلفات صناعية بدلاً من الأسمنت، تعد بتقليل هذه الانبعاثات بشكل كبير. ومع ذلك، لكي تُستخدم بأمان في المباني والجسور، يجب على المهندسين فهم ما يحدث للماء داخل هذه المواد أثناء تصلّبها. تستعرض هذه الدراسة طريقة ذكية غير مدمرة لمراقبة سلوك الماء الخفي باستخدام الموجات الميكروية، مما قد يمنح البنّائين أداة جديدة لمراقبة الخرسانات الصديقة للبيئة في الوقت الحقيقي.

من كتل الأسمنت إلى مواد بناء أنظف

تعتمد الخرسانة التقليدية على الأسمنت المصنع في أفران عالية الحرارة، وهي عملية تمثل نحو 7% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية تقريباً. تستبدل الجيوبوليمرات جزءاً كبيراً من هذا الأسمنت بمساحيق ألومينوسيليكات مثل الرماد المتطاير من محطات الفحم، والخبث المطحون من صناعة الصلب، والطين المكلّس المعروف بالميتاكولين. عندما تُخلط هذه المساحيق مع محاليل قلوية، فإنها تشكل مادة صلبة تشبه الصخر دون خطوة التكليس المستهلكة للطاقة، مما قد يقلل الانبعاثات بما يصل إلى 80%. لكن طريقة حركة الماء وتغير حالته أثناء عملية الترابط أكثر تعقيداً مقارنة بالأسمنت العادي، وهي تؤثر بشدة على القوة والمتانة والميول للتشرخ.

استخدام الموجات الميكروية كنوع لطيف من الأشعة السينية

تتفاعل جزيئات الماء بقوة مع الموجات الميكروية، ما يعني أن تغييرات طفيفة في كيفية احتجاز الماء داخل مادة ما يمكن التقاطها كتغيرات في إشارة الميكروويف المارة عبرها. استخدم الباحثون أنبوباً معدنياً مستطيلاً قياسياً يسمى موجّه الموجة، موصولاً بجهاز تحليل الشبكات المتجهة — أداة دقيقة للموجات الميكروية. صُبّت معاجين جيوبوليمر طازجة من الرماد المتطاير (FA)، والخبث (GGBFS)، والميتاكولين (MK) داخل الموجّه وتركَت هناك لحوالي 30 ساعة بينما كانت تُرسل موجات ميكروية وتُسجل الإشارات المنعكسة والمنقولة. سمحت محاليل قلوية بنسبة سيليكات الصوديوم إلى هيدروكسيد الصوديوم قدرها 1 و2.5 للفريق بتغيير محتوى الماء والكيمياء دون تغيير الإعداد الأساسي.

الاستماع إلى التحولات الخفية للماء

وكانت الفكرة الرئيسية أن كمية طاقة الميكروويف التي تمر عبر العينة (الانتقال) كانت أكثر حساسية بكثير للتغيرات الداخلية من الكمية التي ترتد عن السطح (الانعكاس). تغير الانعكاس أقل من نصف ديسيبل عندما تضاعف سمك العينة، بينما تغيّر الانتقال بما يصل إلى 35 ديسيبل، كاشفاً بوضوح عما يحدث في الداخل. من خلال تتبع الانتقال مع مرور الوقت واستخراج خاصية كهربائية تسمى السماحية، استطاع الفريق الاستدلال على ما إذا كان الماء موجوداً كماء "حر" متحرك أم كماء "مقيد" مرتبط بإحكام أكبر. أظهرت عمليات الوزن الدقيقة أن جميع العينات فقدت أقل من 2.5% من كتلتها، لذا فإن إشارة الميكروويف المتغيرة عكست أساساً كيفية ارتباط الماء داخل البنية، لا مجرد التبخر.

مساحيق مختلفة، روايات مائية مختلفة

تصرفت الرماد المتطاير والخبث، اللذان يحتويان كلاهما على كميات ملحوظة من الكالسيوم، بطريقة تشبه الأسمنت التقليدي: مع تصلب الخلائط، تحول الماء الحر تدريجياً إلى ماء مقيد داخل الشبكة الصلبة النامية، وزاد انتقال الميكروويف تبعاً لذلك. أظهر مسحوق الرماد المتطاير خسارة ميكروويفية عالية بشكل خاص، مما يعني أنه امتص المزيد من الإشارة وولد تغيرات أقوى. روا الميتاكولين، ذو المحتوى القليل جداً من الكالسيوم، قصة مختلفة. في أحد المحاليل بدا أن المادة تمتص ماءً إضافياً داخل بنيتها الدقيقة والتفاعلية مع مرور الوقت، مما خفض الانتقال إذ عمل الماء كممسحة للموجات الميكروية. في المحلول الآخر، أظهر الميتاكولين تحوّلاً أشبه بالأسمنت من الماء الحر إلى المقيد. أكدت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والتحليلات الكيميائية (EDS) أن الميتاكولين شكل أبسط بنية دقيقة وأكثر كثافة وأقل تشرخاً، بينما كان الرماد المتطاير أكثر مسامية وتفاعلاً جزئياً.

ماذا يعني هذا لمباني المستقبل

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن انتقال الموجات الميكروية يمكن أن يعمل كسمّاعة للخرسانات الخضراء، مستمعاً إلى كيف يتحول الماء من حالة حرة إلى محبوسة مع اكتساب المادة للقوة. وتُظهر أن المساحيق الصناعية المختلفة لا تصلب كلها بنفس الطريقة: يتبع الرماد المتطاير والخبث الغنيان بالكالسيوم مساراً شبيهاً بالترطيب، بينما قد يعرض الميتاكولين منخفض الكالسيوم اتجاهات عكسية اعتماداً على المحلول المنشط. يمكن أن تساعد هذه الطريقة غير المدمرة في تحسين تصميم الخلطات، وظروف المعالجة، وضبط جودة الجيوبوليمرات، مما يسرع اعتماد مواد بناء منخفضة الكربون بأمان في المنشآت الحقيقية.

الاستشهاد: Hasar, U.C., Korkmaz, H. Microwave reflection and transmission measurements for evaluating water reaction within geopolymers with different precursors. Sci Rep 16, 7759 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36602-2

الكلمات المفتاحية: خرسانة جيوبوليمر, استشعار بالموجات الميكروية, ربط الماء, رماد متطاير دخان فرن أفران متكلس ميتاكولين, البناء المستدام