علاقة طرق المعالجة ودرجات الحرارة مع مولارية NaOH وتأثيرها على سلوك الخرسانة الجيوبوليمرية

خرسانة أقوى وأكثر خضرة للهياكل اليومية

الخرسانة موجودة في كل مكان — من المنازل والجسور إلى الأرصفة. لكن إنتاج الخرسانة التقليدية يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. تستكشف هذه الدراسة بديلًا يسمى الخرسانة الجيوبوليمرية، التي يمكن تصنيعها من نواتج صناعية مثل الرماد المتطاير وخبث أفران الصهر. أراد الباحثون معرفة أفضل طريقة «لمعالجة» هذه الخرسانة الصديقة للبيئة — إما في فرن ساخن أو في درجة حرارة الغرفة — بحيث تصبح قوية بما يكفي للمباني الحقيقية مع الحفاظ على استهلاك طاقة وتأثير بيئي منخفض.

طريقتان لتصلب نوع جديد من الخرسانة

أنتج الفريق دفعات عديدة من الخرسانة الجيوبوليمرية باستخدام الرماد المتطاير كمكوّن رئيسي، والرمل والحصى الطبيعي كمجمّعات، وسائل قلوي عالي القلوية قائم على هيدروكسيد الصوديوم وسيلكات الصوديوم. تضمنت بعض الخلطات أيضًا خبث فرن الصهر المطحون، وهو ناتج صناعي آخر غني بالكالسيوم. ثم تم تصلب الخرسانة الطازجة باستخدام نهجين مختلفين. في أحدهما، وضعت العينات في فرن عند درجات حرارة تتراوح بين 45 °م و120 °م. في الآخر، تُركت الخلطات التي تحتوي على الخبث لتتصلب ببساطة في المختبر عند نحو 23 °م، شبيهة ببيئة داخلية معتادة. سمح ذلك بمقارنة مباشرة بين المعالجة بالحرارة المكثفة واستخدام المعالجة عند درجة حرارة الغرفة قليلة الطاقة.

البحث عن نقطة التوازن بين الحرارة والمواد الكيميائية

بالنسبة للعينات المعالجة في الفرن، قاس الباحثون مقدار الحمولة التي تستطيع الخرسانة تحملها في الضغط والانحناء والشد غير المباشر بعد المعالجة. وجدوا نمطًا واضحًا: رفع درجة حرارة الفرن من 45 °م إلى 90 °م زاد القوة بشكل كبير، لكن الارتفاع إلى 120 °م أدى إلى ضعف الخرسانة مجددًا. كشفت الصور المجهرية عن السبب — فالحرارة العالية تسرع التفاعلات الكيميائية التي تربط المادة، لكن الحرارة المفرطة تزيل الماء وتخلق تشققات دقيقة. كما كانت تركيزات المحلول القلوي مهمة: فاستعمال محلول هيدروكسيد الصوديوم الأقوى (12 مولار بدلًا من 8 أو 10) أنتج أعلى مقاومات، مع قيم ضغط انضغاطي تقارب 60–65 ميجا باسكال عند 90 °م، ما يقارن بخرسانة إنشائية عالية الأداء.

جعل المعالجة عند درجة حرارة الغرفة تعمل

المعالجة عند درجة حرارة الغرفة أكثر عملية في مواقع البناء، لذا اختبر الفريق كم ينبغي إضافة الخبث لمساعدة المادة على التصلب دون حرارة إضافية. تحت الظروف المحيطة، اعتمدت القوة اعتمادًا كبيرًا على كل من محتوى الخبث وتركيز المحلول القلوي. كميات معتدلة من الخبث — عادةً نحو 10–15% من الموثق — جعلت الخرسانة أقوى بشكل ملحوظ بفضل تكوين جلّات ربط إضافية غنية بالكالسيوم، والتي ملأت المسام وأنتجت بنية داخلية أكثر كثافة. كان الخبث القليل يؤدي إلى تصلب أبطأ، بينما الكميات الكبيرة مخففة فعالية الرماد المتطاير التفاعلي وخففت قابلية التشغيل، ما خفض المقاومات مجددًا. زيادات تركيز هيدروكسيد الصوديوم من 8 إلى 12 مولار عزّزت القوة باستمرار عبر جميع مستويات الخبث، حتى من دون معالجة بالفرن.

ما الذي يحدث داخل الخرسانة

لمعرفة ما يحدث على النطاق المجهري، استخدم الباحثون تصويرًا عالي الدقة وتحليلاً كيميائيًا. في الخلطات المتصلدة عند الظروف المحيطة التي تحتوي على خبث، بدا الهيكل الداخلي مضغوطًا نسبيًا، مع مزيج من أطوار الجل المختلفة التي ربطت الجزئيات معًا وتركت مسامًا قليلة. بالمقابل، أظهرت العينات المعالجة في الفرن دون خبث شبكات جيلات الألومينوسيليكات كثيفة جدًا لكن أيضًا المزيد من الشقوق الدقيقة عندما كانت درجات الحرارة مرتفعة جدًا. أكدت القياسات العنصرية هذه الاختلافات: امتلكت الخلطات الحاملة للخبث عناصر كالسيوم أكثر وشكلت جيلات غنية بالكالسيوم مناسبة للتصلب في درجة حرارة الغرفة، بينما اعتمدت الخلطات المعالجة في الفرن والخالية من الخبث أساسًا على جيلات ألومينوسيليكات على أساس الصوديوم استجابت بقوة للحرارة.

موازنة القوة واستهلاك الطاقة والاستدامة

بجمع كل البيانات، بما في ذلك التحليل الإحصائي، تُظهر الدراسة أن كلًا من طريقة المعالجة وتركيز القلوي يؤثران بقوة على أداء الخرسانة الجيوبوليمرية. كانت الخلطة الأقوى مفردة مصنوعة بمحلول هيدروكسيد الصوديوم 12 مولار ومعالجة عند 90 °م. ومع ذلك، حققت خلطة محسّنة عند درجة حرارة الغرفة بنفس مستوى القلوي وحوالي 10% خبث أكثر من ثلاثة أرباع تلك القوة — كافية للعديد من الاستخدامات الإنشائية — دون أي تسخين خارجي. الرسالة للمستخدم العادي بسيطة: من خلال ضبط درجة الحرارة وقوة المواد الكيميائية ومحتوى الخبث بدقة، يمكن للمهندسين تصميم خرسانات جيوبوليمرية تكون قوية بما يكفي للبناء الواقعي مع تقليل استهلاك الوقود والأثر المناخي مقارنة بالخرسانة التقليدية المعتمدة على الإسمنت.

الاستشهاد: Özkılıç, Y.O., Mohamud, M.A., Yılmaz, F. et al. The relationship of curing methods and curing temperatures with NaOH molarity and their effects on the behavior of geopolymer concrete. Sci Rep 16, 8346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4

الكلمات المفتاحية: الخرسانة الجيوبوليمرية, البناء منخفض الكربون, درجة حرارة المعالجة, خبث فرن الانفجار, مواد مستدامة