الأداء الميكانيكي لخرسانة هيكلية خفيفة الوزن بمواد تجمّع من فحم صناعي

تحويل نفايات الفحم إلى عناصر بناء

تعتمد المدن الحديثة على الخرسانة، لكن تصنيعها ونقلها يثقل كاهل الميزانيات والبيئة. تبحث هذه الدراسة في فكرة غير اعتيادية: استخدام بقايا مصانع سكر الفحم المستخدمة في صناعة الصلب—ليس كوقود، بل كمكوّن خفيف الوزن في الخرسانة. بتحويل مخلفات الفحم المتعلق بالمعادن إلى حبيبات تشبه الحصى، يتساءل الباحثون عما إذا كان بإمكاننا بناء هياكل أخف وأأمن مع تقليل التكلفة وإعادة استخدام نفاية صناعية تتكدس عادة في تلال سوداء واسعة.

لماذا تهم الخرسانة الأخف وزنًا

الخرسانة أكثر صلابة من كونها لاصقًا؛ فبنسبة 60–80% من حجمها تشكّل الركام مثل الرمل والحصى. استبدال هذه الحجارة بمواد أخف يمكن أن يقلّص بشكل كبير «الحمولة الساكنة» التي تتحملها المباني، مما يسمح بأعمدة أنحف وأساسات أصغر وكمية أقل من حديد التسليح. تُستخدم الخرسانة الهيكلية الخفيفة منذ العصر الروماني وشائعة في الجسور والمباني المرتفعة والأسقف ذات الامتدادات الطويلة. في السنوات الأخيرة جرّب المهندسون العديد من بقايا المصانع—كخَبَث الصلب وقطع البلاستيك ورماد المحاصيل—كبدائل للحصى الطبيعي. مخلفات الفحم الميتالورجي، الناتجة عند استخراج ومعالجة الفحم لصناعة الصلب، وفيرة ومسامية وأخف بكثير من الصخر العادي، مما يجعلها مرشحًا واعدًا.

من مخلفات الفحم إلى خلائط خرسانية

جمع فريق البحث مخلفات الفحم الميتالورجي من محاجر مصر وسحقوها إلى ركام خشن. ثم صمموا خمس خلائط خرسانية استبدل فيها هذا الركام القائم على الفحم الحصى الطبيعي بنسبة 0%، 25%، 50%، 75%، أو 100% بالوزن. أُبقيت جميع المكونات الأخرى—الأسمنت، الرمل، الماء، وظروف الخلط والمعالجة—ثابتة بحيث يتغير نوع الركام فقط. قبل تصنيع الخرسانة قاسوا كثافة الركام الفحمية وامتصاصه للماء ومحتواه المعدني. تبين أنه خفيف جدًا، بحوالي ثلث الكثافة الحجمية للحصى العادي وبمسامية أعلى بكثير، ما يعني أنه امتص مزيدًا من الماء واحتوى على كمية كبيرة من المادة الغنية بالكربون.

كيف أدت الخرسانة الجديدة

فُحصت الخلطات الخرسانية الطازجة أولًا من حيث قابلية التشغيل، وهو مقياس عملي لسهولة وضع الخلطة ودمكها في موقع العمل. مع زيادة محتوى الفحم انخفض هبوط المخروطة—اختبار بسيط للتدفق—بحدة، ما دل على أن قطع الفحم المسامية ماصّة للماء مما جعل الخلطة أكثر لزوجة. بعد التصلب اختُبرت الخرسانة لعدة خواص رئيسية: الوزن، مقاومة الضغط (مقاومة السحق)، مقاومة الانحناء، والصلابة (معامل المرونة). كما هو متوقع، كلما زاد الركام الفحمى أصبحت الخرسانة أخف: انخفض الوزن النوعي من حوالي 2168 إلى 1642 كيلوجرامًا لكل متر مكعب، ما يصنف الخلطات بسهولة كخرسانة هيكلية خفيفة الوزن. لكن هذا الخفض في الوزن جاء بتكلفة. انخفضت مقاومة الضغط للمكعبات من 37.6 ميغاباسكال عند 0% فحم إلى 20.7 ميغاباسكال عند 100% فحم، في حين تراجعت مقاومة الانحناء أيضًا. أدت البنية الداخلية لحبيبات الفحم والرباط الضعيف بينها وبين معجون الأسمنت إلى ظهور فراغات دقيقة وشقوق ميكروسكوبية أكثر، ما قلل من قدرة الخرسانة على تحمل الأحمال وصلابتها.

الحرارة، الحريق، والاقتصاد الواقعي

لأن المباني يجب أن تقاوم الحرائق، سخّن الباحثون أيضًا عينات ذات 0%، 25%، و50% فحم إلى 200 °م، 400 °م، و600 °م لمدة ساعتين، ثم قاسوا مقاومتها المتبقية. فقدت جميع الخلطات جزءًا من قوتها مع ارتفاع درجات الحرارة—حتى حوالي 40–43% عند 600 °م—لكنها بقيت ضمن حدود السلامة الهيكلية. هذا يوحي بأنه، على الرغم من طبيعتها المسامية، يمكن للخرسانة الخفيفة القائمة على الفحم أن تصمد في سيناريوهات حريق واقعية. ثم حلّل الفريق التكاليف باستخدام مثال مبنى صغير بألواح وعوارض وأعمدة مصممة وفقًا للأكواد الوطنية. ونظرًا لأن الخلطات الأخف تقلل الحمولة الساكنة، فإنها تتطلب حديد تسليح أقل. قلّصت خلطة بنسبة 75% فحم استخدام الحديد بحوالي 12% وخفّضت تكلفة الخرسانة الإجمالية قليلًا (نحو 23 جنيهًا مصريًا لكل متر مكعب) مقارنة بالخرسانة العادية، مع الاستمرار في تلبية متطلبات المقاومة.

ما يعنيه ذلك للمباني المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة أن نفايات مناجم الفحم—التي اعتُبرت طويلاً إزعاجًا بيئيًا—يمكن تحويلها إلى مادة بناء مفيدة. عندما يحل ركام الفحم محل 25–75% من الحصى الطبيعي، تصبح الخرسانة أخف وزنًا بشكل ملحوظ ومع ذلك تظل قوية بما يكفي للعديد من العناصر الهيكلية في المباني متعددة الطوابق، وتؤدي أداءً مقبولًا تحت درجات حرارة عالية. عند استبدال كامل بنسبة 100%، تكون الخرسانة خفيفة جدًا لكنها لم تعد كافية لأجزاء التحمل الرئيسية، مما يجعلها أكثر ملاءمة للاستخدامات غير الهيكلية مثل الحواجز الداخلية أو كتل العزل. بشكل عام، تُظهر الدراسة أن الخلطات المصممة بعناية باستخدام مخلفات الفحم الميتالورجي يمكن أن تساعد في الحفاظ على موارد الحجر الطبيعي، وتقليل طلبات الحديد والنقل، ومنح حياة جديدة لمخلف صناعي—دون المساس بالسلامة عند استخدامها في أجزاء مناسبة من الهيكل.

الاستشهاد: Waleed, T., Rady, M., Mashhour, I.M. et al. Mechanical performance of structural lightweight concrete with metallurgical coal aggregates. Sci Rep 16, 7484 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37929-6

الكلمات المفتاحية: خرسانة خفيفة الوزن, إعادة تدوير نفايات الفحم, بناء مستدام, الأداء الهيكلي, مخلفات صناعية