تأثير رماد حمأة مصانع الورق على الخصائص الميكانيكية والميكروهيكلية والمتانة لجيوقريت قائم على الميتاكاولين

تحويل نفايات الورق إلى خرسانة أقوى

تبنى المدن الحديثة على الخرسانة، لكن الأسمنت التقليدي يحمل تكلفة بيئية كبيرة، إذ يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون أثناء التصنيع. وفي الوقت نفسه تولّد مصانع الورق جبالًا من النفايات التي غالبًا ما ينتهي بها المطاف في مدافن النفايات. تبحث هذه الدراسة في طريقة لمعالجة المشكلتين معًا: استخدام رماد حمأة مصانع الورق للمساعدة في صنع نوع جديد من الخرسانة منخفضة الكربون، يسمى «جيوقريت»، والذي قد يحل يومًا ما محل الأسمنت العادي في المباني والبنية التحتية.

نوع جديد من لبنات البناء

بدلاً من الاعتماد على الأسمنت، تُصنع الجيوقريت من تفعيل معادن غنية بالسيليكا والألومينا بمحلول قاعدي قوي، مكونة مادة متصلدة شبيهة بالحجر. في هذا العمل استخدم الباحثون الميتاكاولين، وهو طين منقى، كمكون رئيسي واستبدلوه جزئيًا برماد حمأة مصانع الورق. ينشأ الرماد من حرق حمأة صناعة الورق عند درجات حرارة عالية ويحتوي على نسبة كبيرة من الكالسيوم إلى جانب السيليكا والألومينا. أُعدّت ثماني خلطات مختلفة، حيث استبدل الرماد ما بين 5% و20% من الميتاكاولين وبمستويين مختلفين من السائل القاعدي، لدراسة كيف تؤثر هذه التغيرات على القوة والمتانة تحت ظروف تصلد في درجة حرارة الغرفة.

أداء الخرسانة الاختبارية

اختبر الفريق الخرسانة لثلاثة أنواع رئيسية من القوة الميكانيكية: مدى تحملها للحمل عند الانضغاط، والشد، والانحناء. قاسوا هذه الخواص بعد 7 و28 و90 يومًا من التصلد. عبر كل القياسات، تفوقت الخلطات التي تحتوي على 10% رماد مصانع الورق على غيرها. سواء بالنسبة للمستويين من السائل القاعدي، أنتجت هذه الخلطة بتركيز 10% مقاومات انضغاطية وشد وانثناء أعلى من الخلطات التي لا تحتوي على رماد أو التي تحتوي على نسب رماد أعلى. عندما ارتفعت نسبة الرماد إلى 15% أو 20% بدأت القوة في الانخفاض الحاد، مما يظهر وجود نقطة توازن واضحة بدلًا من علاقة «كلما زاد كان أفضل» بسيطة.

نظرة داخل المادة

لفهم سبب تفوق نسبة 10%، فحص الباحثون الجيوقريت المتصلد تحت مجهر إلكتروني ماسح. في أنجح الخلطات أظهرت الصور بنية داخلية كثيفة ومكتظة جيدًا، مع مسام مرئية قليلة. تفاعلت المعادن مكونة طورات هلامية متشابكة تربط الجزيئات وتملأ الفراغات. في الخلطات التي احتوت على كمية زائدة من الرماد بدت البنية الداخلية أكثر مسامية، مع عدد أقل من هذه الهلامات الرابطة. هذا يوحي بأن الكيمياء لم تعد متوازنة بشكل جيد: غيرت الزيادة في الرماد نسبة العناصر الأساسية بحيث لم تستطع كل أجزاء المواد التفاعل والالتحام في الشبكة، تاركة بقعًا ضعيفة.

مقاومة الماء والملح

القوة وحدها لا تكفي لمادة بناء متينة. يجب أن تقاوم المنشآت أيضًا الماء وأملاح الكلوريد التي يمكنها اختراق الخرسانة وتآكل حديد التسليح. استخدم الفريق اختبارات معيارية لقياس مدى سهولة مرور أيونات الكلوريد عبر الجيوقريت، وكذلك مقدار امتصاصه للماء ومدى مساميته. مرة أخرى، جاءت خلطات نسبة 10% من الرماد في الصدارة. سمحت بمرور شحنة كهربائية أقل في اختبار الكلوريد، وامتصت ماءً أقل، وأظهرت مسامية إجمالية أدنى من الخلطات الأخرى. كانت الخلطات التي تحتوي على نسب رماد أعلى أكثر انفتاحًا وامتصاصًا، مما يجعلها أقل ملاءمة للإنشاء طويل الأمد في بيئات قاسية.

ماذا يعني هذا لمستقبل البناء

ببساطة، توصلت الدراسة إلى أن استبدال 10% من الميتاكاولين برماد حمأة مصانع الورق في الجيوقريت يمكن أن ينتج كتلًا شبيهة بالخرسانة أقوى وأكثر متانة من الخلطات الخالية من الرماد، مع تقليل الاعتماد على الأسمنت التقليدي. يخلق التوازن الصحيح للمكونات شبكة داخلية كثيفة تقاوم التشقق والماء وهجوم الملح. وبما أن المادة يمكن تصلدها في درجة حرارة الغرفة وتستخدم منتج نفايات صناعيًا، فإنها تقدم مسارًا واعدًا نحو بناء أقل انبعاثًا للكربون وأكثر كفاءة في استخدام الموارد، شريطة أن تكون عمليات الإنتاج والمناولة قابلة للتوسع بأمان وبشكل اقتصادي.

الاستشهاد: Yuvaraj, K., Arunvivek, G.K., Kumar, P. et al. Influence of paper mill sludge ash on mechanical, microstructural and durability properties of metakaolin based geocrete. Sci Rep 16, 6109 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37581-0

الكلمات المفتاحية: خرسانة جيوبوليمر, رماد حمأة مصانع الورق, البناء منخفض الكربون, ميتاكاولين, متانة الخرسانة