تحسين نسب الخلطة ودراسة الإماهة للخرسانة عالية المقاومة التي تحتوي على رم ساق الذرة والرمل السيليكي كمكملات أسمنتية

تحويل نفايات المزارع إلى مدن أقوى

كل عام تُحرق أو تُلقى جبال من مخلفات المحاصيل، بينما ينتج تصنيع الأسمنت الذي يربط مبانينا كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. تستكشف هذه الدراسة طريقة لمعالجة المشكلتين معًا: طحن رم ساق الذرة المهمل وخلطه مع مسحوق صناعي ناعم جدًا يُسمى الرمل السيليكي لإنتاج خرسانة عالية المقاومة تكون متينة وأقل تلويثًا بشكل ملحوظ أثناء التصنيع.

لماذا يحتاج الخرسانة التقليدية إلى تجديد

الخرسانة هي العمود الفقري للبناء الحديث، من الجسور وناطحات السحاب إلى الأرصفة والسدود. لكن مكونها الأساسي، الأسمنت، يعد من المصادر الصناعية الرئيسية لانبعاثات الكربون لأن إنتاجه يتطلب تسخين الحجر الجيري لدرجات حرارة عالية جدًا. وفي الوقت نفسه، تولد الزراعة كميات هائلة من النفايات—مثل سيقان الذرة—التي غالبًا ما تُحرق في الحقول المفتوحة، مما يزيد التلوث ويرمي مواد يمكن أن تكون مفيدة. لطالما ظن الباحثون أن بعض رماد المحاصيل يمكن أن يحل محل جزء من الأسمنت، لكن لم يتضح إلى أي حد يمكن إجراؤه مع المحافظة على خرسانة عالية المقاومة تصلح للهياكل المطلوبة.

بناء الخرسانة من سيقان الذرة

في هذا العمل، أحرق الفريق سيقان الذرة عند درجات حرارة محكمة للتحكم للحصول على رماد ناعم غني بالسيليكا ودمجه مع الرمل السيليكي، وهو ناتج صناعي دقيق آخر. معًا استبدلت هذه المساحيق 20% من الأسمنت العادي في خرسانة عالية المقاومة. غير الباحثون بشكل منهجي ثلاثة متغيرات: النسبة من تلك الـ20% التي كانت من رم ساق الذرة، وكمية الماء المضافة نسبة إلى المواد الرابطة، وكمية الرمل المستخدمة. باستخدام خطة اختبارات منظمة، أنتجوا ستة عشر وصفة خرسانية مختلفة، وصبوا مكعبات صغيرة، وقرؤوا مقدار الضغط الذي يتحمله كل مكعب بعد 7 أيام وبعد 28 يومًا من المعالجة.

البحث عن نقطة التوازن للقوة

أظهرت التجارب أن ليس كل التركيبات متساوية. وصلت أقوى خلطة إلى مقاومة ضغط مبهرة بعد 28 يومًا تقارب 110 ميغاباسكال—أقوى عدة مرات من الخرسانة الهيكلية النموذجية. استخدمت هذه الوصفة الأفضل 15% رم ساق الذرة ضمن الاستبدال البالغ 20%، ومحتوى مائي منخفض نسبيًا، ونسبة رمل مرتفعة إلى حد ما. عندما زادت نسبة رم ساق الذرة إلى 20% من دون الرمل السيليكي، أصبحت الخرسانة أضعف بشكل ملحوظ، ما يبيّن أن الرماد يعمل بشكل أفضل بالشراكة مع الرمل السيليكي وليس بمفرده. أظهرت التحليلات الدقيقة أن الماء كان له التأثير الأكبر على القوة في المراحل المبكرة، بينما في المراحل المتأخرة كانت نسبة الرمل ومستوى استبدال الرماد أكثر أهمية.

النظر داخل الخرسانة

لفهم سبب قوة بعض الخلطات، قام الفريق بتكبير البنية الداخلية للخرسانة باستخدام مجاهر إلكترونية وتقنيات أشعة سينية. في المراحل المبكرة احتوى المعدن على مسام كثيرة ومنتجات ربط قليلة نسبيًا. مع استمرار المعالجة، حفزت السيليكا التفاعلية في رم ساق الذرة والرمل السيليكي تفاعلات "ثانوية" مع مركبات الكالسيوم المنطلقة من الأسمنت. أنتجت هذه التفاعلات معادن هلامية إضافية ملأت المسام بإحكام، رابطَة الرمال والحصى وجزيئات الأسمنت معًا بشكل أقوى. على مدى 28 يومًا تقلصت المسام بشكل كبير، وأصبحت البنية الداخلية أكثر كثافة ونعومة، وزادت المقاومة المقاسة تبعًا لذلك. كما ساعدت الألياف الفولاذية الممزوجة في الخرسانة على جعل الفشل أكثر تدريجيّة وليونة بدلًا من التشقق المفاجئ والكارثي.

خرسانة أنظف لمستقبل أقل كربونًا

عن طريق استبدال خُمس الأسمنت برم ساق الذرة والرمل السيليكي، خفضت خلطة الخرسانة المحسنة انبعاثات الكربون من المادة الرابطة بنحو خُمس مقارنةً بالأسمنت العادي، مع الحفاظ على مقاومة عالية جدًا. بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن نفايات المزارع التي كانت تُعامل كقمامة يمكن أن تصبح مكوّنًا ذا قيمة في خرسانة قوية وطويلة الأمد، مما يخفف العبء البيئي لكل من الزراعة والبناء. إذا تم اعتماد مثل هذه الخلطات على نطاق واسع، فقد تساعد المدن على التوسع عموديًا وأفقيًا بينما تقلل أثرها على الكوكب.

الاستشهاد: Wang, R., Chen, Y., Wei, G. et al. Optimization of mix proportions and hydration study of high-strength concrete incorporating corn stalk ash and silica fume as supplementary cementitious materials. Sci Rep 16, 8318 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39419-1

الكلمات المفتاحية: خرسانة مستدامة, رم ساق الذرة, خرسانة عالية المقاومة, مكملات أسمنتية, بناء منخفض الكربون