علاقة نسبة LS/CS بالأداء في الأسمنت الهجين المنشط بـ DG

تحويل النفايات الصناعية إلى أسمنت أقوى وأكثر صداقة للبيئة

تتكدس جبال من النفايات الناتجة عن مصاهر المعادن — مواد مثل خبث الليثيوم وخبث النحاس — في أنحاء العالم، مهددة جودة الأراضي والمياه والهواء. تستعرض هذه الدراسة طريقة لتحويل تلك المنتجات الثانوية المزعجة إلى مكونات مفيدة للأسمنت، مما يقلل من النفايات ويخفض البصمة البيئية للقطاع الإنشائي دون التضحية بالمتانة. من خلال ضبط خلطات الخبث المختلفة وتنشيطها بلطف بمضاف خفيف، يبيّن الباحثون أن الخرسانة يمكن أن تكون أكثر خضرة وتتمتع بمتانة كافية للاستخدام العملي.

لماذا تشكل هذه النفايات مشكلة متزايدة

ينتج عن تصنيع الليثيوم للبطاريات والنحاس للأسلاك كميات هائلة من الخبث المتبقي عن كل طن من المعدن القيّم. يتميز خبث الليثيوم بغناه بالسيليكا والألومينا، بينما يحتوي خبث النحاس على الكثير من الحديد والسيليكا لكنه يفتقر إلى الجير. بمفردها، تتفاعل هذه المواد ببطء في الأسمنت ويصعب استخدامها بكفاءة. في الوقت نفسه، يتحمل الأسمنت البورتلاندي العادي، العماد الأساسي للبناء الحديث، حصة كبيرة من انبعاثات الكربون الصناعية. قد يخفف إيجاد طريقة لدمج هذه الخبوش في الأسمنت وجعلها تتصلب بشكل صحيح دون مواد كيميائية قاسية الضغط البيئي عن صناعات المعادن والأسمنت على حد سواء.

دفع لطيف بدلاً من مواد كيميائية قاسية

صمّم الفريق رابطاً هجيناً تُستبدل فيه 30 بالمئة من الأسمنت بمزيج من خبث الليثيوم وخبث النحاس، بينما يعمل جرعة صغيرة من الجبس المزيل للكبريت — محصول ثانوي من تنظيف غازات مداخن محطات الطاقة — كمُنشط خفيف. بدلاً من استخدام قوايات قوية قد تكون مسببة للتآكل ومكلفة، يعتمدون على هذا الوسط منخفض القلوية والغني بالكبريتات لتحفيز مساحيق النفايات على التفاعل. يتم طحن خبث الليثيوم بشكل ناعم جداً عن طريق السحق بالكرة الرطبة، مما يمنحه جزيئات دقيقة يمكن أن تعمل كبذور لنمو بلورات جديدة. يساعد خبث النحاس، بحباته الأكبر والأكثر حدة، على ملء الفراغات ويزوّد مكونات غنية بالحديد تنضم لاحقاً إلى الشبكة المتصلبة.

إيجاد نقطة التوازن في الخلطة

لمعرفة كيف تؤثر تغييرات الوصفة على الأداء، حضّر الباحثون عدة معاجين وملاط بنسب مختلفة من خبث الليثيوم إلى خبث النحاس، كلها عند مستوى الاستبدال نفسه. قاسوا مدى انسيابية الخلطات الطازجة، ومقاومتها عند 3 و7 و28 يوماً، وأنواع البلورات والمواد الهلامية التي تشكلت بداخلها. كما استخدموا أدوات مثل حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، والمجهر الإلكتروني، واختبارات تسرب الزئبق لاستكشاف البنية الداخلية ونظام المسام. برزت خليطة واحدة على وجه الخصوص — تحتوي على 20 بالمئة خبث نحاس و10 بالمئة خبث ليثيوم. بعد 28 يوماً، وصلت مقاومتها الانضغاطية إلى أكثر من 95 بالمئة من الأسمنت العادي، وكانت مقاومتها الانكسارية أعلى بوضوح من الخلطة التي تحتوي على نوع واحد فقط من الخبث.

كيف يتكامل الخبثان معاً

تُظهر البيانات أن خبث الليثيوم وخبث النحاس يقدمان معاً أكثر مما يمكن لأي منهما تحقيقه بمفرده. يستهلك خبث الليثيوم هيدروكسيد الكالسيوم، وهو منتج ثانوي من إماهة الأسمنت، وبذلك يساهم في تكوّن هلام رابط إضافي غني بالسيليكا والألومينا. تروّج هذه الهلامات أيضاً لمزيد من تفاعل المعادن داخل خبث النحاس، بما في ذلك الطور الحامل للحديد الذي يتحلل ببطء وينضم إلى الشبكة المتصلبة. في الوقت نفسه، تسمح أحجام الجزيئات المختلفة للأسمنت وخبث الليثيوم الناعم وخبث النحاس الخشن بتعبئة أكثر إحكاماً، مما يترك مساحة فارغة أقل. تكشف قياسات المسام أن الخلطة المحسّنة تحوّل المادة نحو مسام أصغر وأقل ضرراً وبنية مجهرية أكثر كثافة وتعقيداً، وهو ما يرتبط ارتباطاً وثيقاً بتحسين المتانة والقدرة على التحمل.

ما يعنيه هذا للمباني المستقبلية

ببساطة، تُظهر الدراسة أن الخلطات المتوازنة بعناية من خبث الليثيوم وخبث النحاس، والتي تُنشط بلطف بالجبس المزيل للكبريت، يمكن أن تحل محل جزء كبير من الأسمنت التقليدي مع الاستمرار في تقديم مواد بناء قوية وكثيفة. تقارب أفضل خلطة الأسمنت القياسي في المتانة، وتحسّن الكثافة الداخلية، وتحوّل النفايات الصناعية المزعجة إلى مورد. رغم أن أسئلة لا تزال قائمة حول السلوك طويل الأمد والمقاومة للبيئات القاسية، يشير هذا العمل إلى مسار عملي لخرسانة أكثر استدامة تستغل بشكل أذكى ما تتخلص منه الصناعة اليوم.

الاستشهاد: Xiang, B., Zhang, Z., Yang, G. et al. The LS/CS ratio-performance relationship in DG-activated hybrid cements. Sci Rep 16, 8865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38577-6

الكلمات المفتاحية: أسمنت أخضر, إعادة تدوير نفايات صناعية, خبث الليثيوم, خبث النحاس, خرسانة مستدامة