تقييم الزجاج النانوي كبديل جزئي للأسمنت على الخواص الميكانيكية الطازجة والمتانة والحرارية والميكروهيكلية لعجينة الأسمنت

تحويل زجاج القمامة إلى مبانٍ أكثر صلابة

يتم التخلص من ملايين القوارير الزجاجية يوميًا، في حين أن إنتاج الأسمنت الذي يربط مبانينا يسبب انبعاثات هائلة من ثاني أكسيد الكربون. تستكشف هذه الدراسة فكرة بسيطة لكنها قوية: طحن الزجاج النفايات إلى مسحوق فائق الدقة «نانوي» وخلطه بعجينة الأسمنت، المادة اللاصقة للخرسانة. يسأل الباحثون ما إذا كان هذا الزجاج المعاد تدويره النانوي يمكن أن يجعل مواد البناء أقوى، وأكثر دواما، وأفضل في احتجاز الحرارة — مع تقليل استخدام الأسمنت ومساعدة الكوكب.

لماذا يحتاج الزجاج النفايات والأسمنت إلى بعضهما

إنتاج الأسمنت يستهلك طاقة كبيرة وهو مسؤول عن حصة كبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. وفي الوقت نفسه يتراكم الزجاج النفايات في مكبات النفايات حول العالم لأنه لا يتحلل طبيعيًا. لكن الزجاج غني بالمكونات الأساسية نفسها التي تساعد الأسمنت على التصلب. عند طحنه إلى جزيئات دقيقة جدًا، يمكن أن يتفاعل مع الأسمنت بطرق مفيدة بدلًا من أن يكون مجرد حشوة خاملة. هذا يجعل الزجاج النانوي شريكًا واعدًا: فقد يقلل كمية الأسمنت المطلوبة في البناء ويمنح حياة ثانية لمادة نفايات عنيدة.

كيف اختُبرت خلطات الزجاج النانوي

أعد الفريق سلسلة من عجائن الأسمنت استُبدل فيها من 0 إلى 50 بالمئة من الأسمنت بمسحوق الزجاج النانوي. حافظوا على محتوى الماء ثابتًا وقاسوا سهولة التعامل مع الخلطات في الحالة الطازجة، ثم اختبروا عينات متصلبة لقياس مقاومة الضغط والانحناء، ومقاومة الهجوم الحمضي، والأداء بعد التعرض للحريق، وكيفية توصيلها للحرارة، وكمية امتصاصها للماء، وكمية انكماشها أثناء التجفيف. ولمعرفة ما يحدث داخل المادة على المستوى المجهري، استخدموا أيضًا حيود الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني لفحص كيف غيّر الزجاج النانوي البلورات والمسامات الصغيرة داخل العجينة المتصلبة.

القوة والمتانة والحرارة: إيجاد النقطة المناسبة

أظهرت النتائج أن جرعة معتدلة من الزجاج النانوي يمكن أن تحسن الأداء، لكن الزيادة المفرطة تصبح ضارة. مع إضافة المزيد من الزجاج النانوي، أصبحت الخلطات الطازجة أقل سيولة وأصعب في التعامل لأن الجزيئات الدقيقة تطلبت ماءً أكثر. في الحالة المتصلبة، كانت مقاومة الضغط الأعلى عند نحو 10 بالمئة استبدال، بينما بلغت مقاومة الانحناء ذروتها عند نحو 15 بالمئة. فوق نحو 15–20 بالمئة، انخفضت القوة لأنه ببساطة لم يبقَ الأسمنت الكافي لتشكيل إطار متماسك وممتد. وروتينية المتانة كانت مشابهة: عند مستويات منخفضة إلى متوسطة، ساعد الزجاج النانوي العجينة على مقاومة الهجوم الحمضي، وفقدان قوة أقل بعد التعرض للحريق، وانكماش أقل أثناء التجفيف.

المسام والشقوق والهيكل الداخلي الخفي

داخل المادة، عمل الزجاج النانوي بطريقتين رئيسيتين. أولاً، ملأت الجزيئات الدقيقة الفراغات الصغيرة، مما جعل البنية المجهرية أكثر كثافة. ثانيًا، تفاعلت مع نواتج ترطيب الأسمنت لتشكل جيل رابط إضافي، ما ضيّق الشبكة الداخلية أكثر. أظهرت القياسات أنه، خاصة فوق نحو 20 بالمئة استبدال، انخفض حجم المسامات المتصلة وقدرة الماء على الامتصاص بشكل حاد، وتباطأ تدفق الحرارة عبر المادة — وهي ميزة للعزل. ومع ذلك، عند مستويات استبدال عالية جدًا انخفضت الكثافة والقوة الكلية، وأصبحت الخلطات عرضة للتشقق أو الكسر خلال الانكماش المبكر.

ماذا يعني هذا للبناء الأنظف

بالنسبة للقارئ غير المتخصص، الخلاصة بسيطة: يمكن أن يحل الزجاج النفايات المطحون ناعمًا محل جزء من الأسمنت بأمان ويُحسّن في الواقع العديد من خواص المادة الناتجة، طالما يُستخدم باعتدال. في هذه الدراسة، أعطى استخدام الزجاج النانوي بنحو 10–20 بالمئة من محتوى الأسمنت أفضل توازن — قوة مساوية أو أعلى، متانة أفضل، وتدفق حرارة أقل، مع تقليل كمية الأسمنت المطلوبة. فوق هذا النطاق تتلاشى الفوائد وتزداد المشاكل. تشير الدراسة إلى أنه مع الجرعات المناسبة وتصميم الخلطة يمكن للزجاج النانوي أن يساعد في تحويل نفاية مزعجة إلى مكون مفيد لبناء أكثر صلابة وكفاءة طاقة واستدامة.

الاستشهاد: Ali, S.M., Mohammed, S.A., Juma, A.A. et al. Evaluation of nano glass as a partial cement replacement on the fresh mechanical durability thermal and microstructural properties of cement paste. Sci Rep 16, 6280 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37244-0

الكلمات المفتاحية: زجاج نفايات, استبدال الاسمنت, مواد نانوية, خرسانة متينة, عزل حراري