تأثير محتوى خبث الصلب على أداء الملاط المنشط قلوياً من خبث الفحم والخبث

تحويل النفايات إلى مبانٍ أقوى وأكثر صداقة للبيئة

تعتمد المدن الحديثة على الخرسانة والملاط، لكن تصنيع الأسمنت التقليدي ينبعث منه كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، والمواد الناتجة قد تتشقق وتَنكمش مع مرور الزمن. تدرس هذه الدراسة طريقة لمعالجة المشكلتين معًا: إعادة تدوير نفايات صناعية من إنتاج الفحم والحديد في شكل ملاط جديد يقلل الانبعاثات ويصبح أيضًا أقوى وأقل عرضة للانكماش والتشقق.

لماذا التشققات خطر خفي

العديد من بدائل الأسمنت الصديقة للبيئة، والمعروفة عمومًا بالمواد المنشطة قلوياً، تتمتع بقوة ومتانة ملحوظتين. ومع ذلك فهي غالبًا تعاني من عيب خطير: تنكمش أكثر من أسمنت البورتلاند العادي أثناء الجفاف. هذا الانكماش يمكن أن يفتح شبكة من الشقوق الدقيقة. ومع مرور الوقت، تسمح هذه الشقوق للماء والمواد المسببة للتآكل بدخول الجدران والأساسات، مما يقوض سلامة وبقاء المنشآت. إصلاح هذه المشكلة يتطلب عادة إضافات خاصة أو شروط معالجة صارمة، مما يزيد التكاليف ويقيد الانتشار الواسع.

منح نفايات الصلب والفحم حياة ثانية

ركز الباحثون على ثلاثة منتجات ثانوية مسحوقية من الصناعة الثقيلة: خبث الصلب من صناعة الصلب، ومرادم الفحم من استخراج الفحم، وخبث الفرن العالي المطحون من إنتاج الحديد. غالبًا ما تُكدس هذه المواد في أكوام ضخمة، محتلة مساحات ومانحة مخاطر بيئية. في هذا العمل، أبقي خبث الفرن العالي عند نصف المربط الإجمالي لضمان قوة أساسية، بينما استُبدل مرادم الفحم تدريجيًا بخبث الصلب بنسب مختلفة. مع سائل قلوي لتحفيز التصلب، اختُلطت هذه المساحيق لتشكيل ملاط، صُبّت في قوالب صغيرة، وفُحِصت من حيث اللدونة، والقوة، وانكماش الجفاف، ثم دُرِست تحت مجموعة من الميكروسكوبات والمحاور الكيميائية.

البحث عن النقطة المثلى لخبث الصلب

أظهرت التجارب أن إضافة بعض خبث الصلب يحسّن انسيابية الملاط الطازج، مما يسهل وضعه في القوالب، ويعزز بشكل كبير قوته مع مرور الزمن. عند استبدال 40% من مرادم الفحم بخبث الصلب، ارتفعت مقاومة الانضغاط بعد 28 يومًا بنحو 42%، لتتجاوز 70 ميغاباسكال، بينما انخفض انكماش الجفاف بنحو 29% مقارنة بالخليط الخالي من خبث الصلب. دون هذا المستوى، كانت المكاسب أصغر؛ وفوقه بدأت الأداءات تتدهور. عند 50% خبث صلب، فقد الملاط جزءًا من قوته ولم يعد ينكمش أقل. يرجع المؤلفون هذا التراجع إلى نقص في السيليكون والألومنيوم النشطين، وهما اللبنات الأساسية اللازمة للجلّات الرابطة التي تجمع المادة.

ما الذي يحدث داخل الملاط المتصلب

لفهم سبب نجاح نسبة 40% من خبث الصلب، فحص الفريق الملاط المتصلب على المستوى المجهري. وجدوا أن خبث الصلب يغير طريقة تطور البنية الداخلية مع الزمن. في المراحل المبكرة، يُبطئ التفاعل قليلًا، مما يساعد المادة على الاحتفاظ بالماء ويقلل الجفاف السريع. لاحقًا، يتفاعل بقوة أكبر، مضيفًا الكالسيوم إلى النظام. يؤدي ذلك إلى تكوّن مراحل رابطة إضافية شبيهة بالهلام وكثرة بلورات إطرينغايت الإبرية الشكل. معًا، تنتشر هذه المنتجات عبر المادة، تملأ المسام، تربط الجزيئات ببعضها، وتقاوم التشوه. وأكدت قياسات حجم المسام أن الخلطة المثلى تحتوي على عدد أقل من المسام متوسطة الحجم المسؤولة غالبًا عن الانكماش، ما يؤدي إلى شبكة أكثر كثافة واستقرارًا.

من ملاط المختبر إلى الاستخدام في العالم الحقيقي

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن موازنة خبث الصلب بعناية في هذا الملاط القائم على النفايات يمكن أن تحول مادة خضراء عرضة للتشقق إلى مادة أقسى وأكثر موثوقية. يمنح استبدال نحو 40% بخبث الصلب توليفة من القوة العالية، وخطر تشقق مخفض، وسهولة تشغيل أفضل، مع استهلاك كميات كبيرة من النفايات الصناعية وتجنّب البصمة الكربونية العالية للأسمنت التقليدي. وعلى الرغم من أن العمل ركز على نافذة زمنية مدتها 28 يومًا، فإنه يشير إلى وصفات عملية لمواد بناء أكثر خضرة تستفيد بشكل أفضل مما تتخلص منه الصناعة حاليًا.

الاستشهاد: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

الكلمات المفتاحية: خبث الصلب, خرسانة خضراء, إعادة تدوير نفايات صناعية, انكماش جفاف, ملاط منشط قلوياً