تأثير محتوى CaO في رماد الطيران من الفئة C على خواص التشوّه للخرسانة المدمجة بالكامل

تحويل نفايات محطات الطاقة إلى سدود أقوى

تستهلك السدود الحديثة والهياكل الخرسانية الضخمة الأخرى كميات هائلة من المواد. وفي الوقت نفسه، تولّد محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم جبالاً من رماد الطيران، مسحوق رمادي دقيق يُعامل عادةً على أنه نفاية. تستقصي هذه الدراسة ما إذا كان شكل غني بالكالسيوم من رماد الطيران يمكن أن يحل بأمان جزءًا من الأسمنت في الخرسانة المستخدمة في السدود الكبيرة، مما يساعد على خفض التكاليف وتقليل التأثير البيئي مع الحفاظ على مقاومة الهياكل للتشقق على مدى عقود من الاستخدام.

لماذا يهم هذا الرماد الهياكل الخرسانية الكبيرة

يتكوّن رماد الطيران عندما يحترق الفحم وتندمج الجسيمات المعدنية لتشكل كرات زجاجية صغيرة. يستخدم المهندسون بالفعل نوعًا شائعًا معروفًا برماد الفئة F لتحسين الخرسانة وتقليل استهلاك الأسمنت. في أجزاء من الصين مثل شينجيانغ، مع ذلك، تكون معظم الرماد المتاحة غنية بالكالسيوم. يتصرّف هذا الرماد من الفئة C بشكل مختلف: يمكن أن يساعد الكالسيوم الإضافي على زيادة تفاعله مع الأسمنت، لكنه قد يخفي أيضًا أشكالًا غير مستقرة من الكلس قد تتسبب في انتفاخ الخرسانة أو تشققها مع مرور الزمن. للاستفادة الجيدة من هذا المورد المحلي في مشاريع السدود الضخمة، يجب فهم تأثيره على تمدد الخرسانة وانكماشها واستقرارها بالتفصيل.

كيف اختبر الفريق الخرسانة

جمع الباحثون رماد الطيران من عدة محطات طاقة بمحتويات أكسيد الكالسيوم (CaO) تتراوح من منخفضة جدًا إلى نحو 16.5 بالمئة، وتتبعوا أيضًا مقدار ذلك الكالسيوم الموجود بصيغة "حرة" متفاعلة بشكل خاص. خلطوا هذه الرماد في نوعين من خرسانة السد: واحدة بأربعة أحجام من الحصى والركام، وأخرى بثلاثة أحجام. تم تصميم هذه الخلطات المدمجة بالكامل لملء جزيئات الركام معًا بإحكام، وهو أمر مهم لتقليل الفراغات الداخلية والتشققات. ثم أجرى الفريق سلسلة من الاختبارات المخبرية لتتبع ثبات الحجم (الصحة)، ومقدار التمدد الذي يمكن أن يتحمله الخرسانة قبل أن تتشقق (الانفعال الشدي النهائي)، والصلابة (معامل المرونة)، والتغير الحجمي الطبيعي دون جفاف (التشوه الذاتي)، وتغير الحجم عند جفاف الخرسانة (انكماش التجفيف).

ماذا تعلّموا عن الاستقرار والتشقق

أحد المخاوف الرئيسية كان ما إذا كان محتوى الكالسيوم الأعلى سيسبب انتفاخًا غير مستقر. وجدت الدراسة أنه عندما يحتوي رماد الفئة C على CaO بنطاق يتراوح تقريبًا بين 5.1 و16.5 بالمئة، وحتى عندما يحل محل ما يصل إلى 70 بالمئة من الأسمنت، فإن الخرسانة لا تزال تفي بالحدود القياسية للصحة. في الاختبارات الميكانيكية، أظهرت الخرسانة التي تحتوي على مزيد من CaO في الرماد سعة انفعال شدّي نهائية أعلى قليلًا ومعامل مرونة أعلى، مما يعني أنها أصبحت أفضل قليلاً في مقاومة التشقق بينما أصبحت أيضًا أكثر صلابة بعض الشيء. في الوقت نفسه، ميّزت التغيرات الحجمية الذاتية الناجمة عن تفاعل الأسمنت والرماد داخليًا اتجاهاً نحو الانكماش مع زيادة CaO، لا سيما في الخرسانة ذات الأحجام الأربعة للركام. على الرغم من هذه الاتجاهات، ظلت التأثيرات العامة لمستوى CaO على التشوه محدودة إلى حد ما.

لماذا يهم تصنيف الركام

أظهر المقارنة بين الخرسانة المصنفة بأربعة أحجام وتلك المصنفة بثلاثة أحجام أن كيفية تحديد أحجام الحصى وخلطها يمكن أن تكون ذات أهمية مماثلة لتأثير تركيب الرماد. تستوعبت الخلطات ذات الأربعة أحجام، ذات التوزع الأوسع لأحجام الجسيمات، انفعال شدّي أعلى قبل التشقق وأظهرت انكماش تجفيف أصغر قليلًا مقارنة بخلطات الثلاثة أحجام. تغيّرت صلابتها بشكل أكثر استقرارًا مع الزمن، مما يشير إلى بنية داخلية أكثر ثباتًا. أما بالنسبة للتغير الحجمي الذاتي، فانكمشت الخرسانة ذات الأربعة أحجام قليلاً أكثر من النسخة ذات الثلاثة أحجام، خاصةً عندما كان محتوى CaO في رماد الطيران أعلى. أكدت الصور المجهرية أن الرماد الأعلى كالسيومياً يمكن أن ينتج منتجات تفاعل أكثر كثافة ولكنه قد يخلق أيضًا عيوبًا دقيقة حول الجسيمات غير المتفاعلة إذا كانت نسبة الكالسيوم مرتفعة جداً.

ماذا يعني هذا للسدود المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية مطمئنة: ضمن نطاق كالسيوم محدد جيدًا، يمكن لرماد الفئة C المحلي الذي درستها هذه الدراسة أن يحل بأمان حصة كبيرة من الأسمنت في خرسانة السدود دون التسبب في انتفاخ خطير أو تشقق مفرط. تسمح مستويات CaO المختارة بعناية، مقترنة بتصنيف ركام مصمم جيدًا، للمهندسين ببناء هياكل ضخمة ومستقرة مع استخدام أفضل للنفايات الصناعية وتقليل الطلب على الأسمنت الطازج. كما تبرز الدراسة الحاجة لمزيد من الاختبارات في ظروف حرارة ورطوبة وتحميل أكثر واقعية، لكنها تشير إلى مستقبل يمكن أن يصبح فيه ما كان يُعتبر نفاية فحم مكوِّنًا موثوقًا به في البنية التحتية الهيدروليكية طويلة العمر.

الاستشهاد: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

الكلمات المفتاحية: خرسانة رماد الطيران, بناء السدود, الانكماش والتشقق, استبدال الأسمنت, نفايات صناعية غنية بالكالسيوم