تقييم ميكانيكي ومتانة خرسانة بمسحوق الرخام والألياف مدعوم بتنبؤات التعلم الآلي

تحويل نفايات البناء إلى مورد مفيد

الخرسانة هي العمود الفقري للمدن الحديثة، لكن إنتاج مكونها الأساسي، الإسمنت، يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. وبالتوازي، تولّد الصناعات سُحُبًا هائلة من مسحوق الرخام ونفايات البلاستيك التي يصعب التخلص منها بأمان. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كان يمكن أن يساعد هذان المشكلتان في حل بعضهما البعض: هل يمكن خلط مسحوق الرخام المعاد ونفايات الألياف البلاستيكية في الخرسانة لتجعلها أكثر صداقة للبيئة، وأقوى وأكثر دوامًا، بمساعدة أدوات التعلم الآلي الحديثة؟

خلط مسحوق الحجر وخيوط البلاستيك في الخرسانة

ركز الباحثون على مادتين من النفايات. مسحوق الرخام، وهو مسحوق ناعم غني بكربونات الكالسيوم، ينتج عن قطع وصقل الحجر. أما ألياف البولي بروبيلين فهي خيوط قصيرة مقطوعة من منتجات بلاستيكية مهملة. في الدراسة، استُبدل جزء من الإسمنت في خرسانة هيكلية قياسية بمسحوق الرخام بنسب تتراوح من 0 إلى 20 بالمئة، بينما أُضيفت الألياف بنسب حجمية صغيرة من 0 إلى 1 بالمئة. أنتج هذا 25 توليفًا مختلفًا، جميعها محضرة بنفس الركام ومحتوى الماء حتى يمكن تتبّع أي تغيّر في السلوك إلى المسحوق والألياف.

اختبار القوة والتشقّق ومقاومة الماء

خضع كل خليط لسلسلة كاملة من الاختبارات التي تحاكي المطالب الواقعية على المبنى. قاس الفريق مدى انسياب الخرسانة الطازجة إلى القوالب، ثم فحص وزنها وكثافتها. بعد المعالجة، اختبروا مقدار الضغط الذي تستطيع الخرسانة تحمّله قبل التفتت، ومدى مقاومتها للشد أو الانحناء، ومدى سهولة امتصاص الماء أو مروره عبرها. كما عرضوا عينات لمحاليل حمضية ليروا مدى سرعة تآكلها. أتاح هذا المنظور الواسع للمؤلفين تحديد ليس فقط الخلطات الأقوى، بل تلك التي توازن بين القوة والمتانة والخصائص العملية.

إيجاد نقطة التوازن للأداء

أظهرت النتائج أن مسحوق الرخام والألياف البلاستيكية يمكن أن يعملا معًا بشكل تكاملي—حتى حد معيّن. ساعد محتوى متوسط من المسحوق، نحو 10 بالمئة من الإسمنت، الجسيمات الدقيقة على ملء الفراغات الصغيرة في الخرسانة، مما زاد من تماسكها وقوّى مقاومتها. وفي الوقت نفسه، عملت الألياف بنسب تتراوح تقريبًا بين 0.6 و0.8 بالمئة من الحجم كغرز صغيرة تربط الشقوق الدقيقة تحت الحمولة، مما رفع مقاومة الانقسام والانحناء بنحو ربع إلى ثلث مقارنة بالخرسانة العادية. كما امتصّت هذه التركيبات كمية أقل من الماء وسمحت بمروره بمعدل أبطأ، وهي مؤشرات على بنية داخلية أكثر كثافة ومتانة. ومع ذلك، عندما زاد أي من المكونين بشكل مفرط، أصبح الخليط أصعب في التعامل معه، واحتبس مزيد من الهواء، وتراجع تدريجيًا في القوة.

السماح للخوارزميات بتوجيه تصاميم خلطات أكثر خضرة

بدلًا من الاعتماد فقط على التجربة والخطأ، درّب الفريق عدة نماذج تعلم آلي على بياناتهم التجريبية. تعلّمت هذه الخوارزميات كيف تؤثر تغييرات مسحوق الرخام ومحتوى الألياف ومتغيرات الخلطة الأخرى على خصائص رئيسية مثل القوة وامتصاص الماء والنفاذية. إن النماذج ذات الأداء الأفضل، المبنية على الشبكات العصبية الاصطناعية والغابات العشوائية، أعادت إنتاج نتائج الاختبار بدقة عالية. ثم استُخدمت ضمن إجراء تحسين للبحث في فضاء التصميم عن الوصفة الأكثر توازنًا. اقترح النموذج الأمثل—حوالي 10 بالمئة مسحوق رخام و0.6 بالمئة ألياف—تطابقت مع "نقطة التوازن" الملحوظة تجريبيًا، مؤكدًا أن الأدوات التي تعتمد على البيانات يمكن أن توجه تصميمات الخرسانة البيئية المستقبلية بمصداقية دون حملات مختبرية مرهقة.

ماذا يعني هذا لمبانٍ المستقبل

لغير المتخصصين، الخلاصة واضحة: لا يجب أن تكون الخرسانة مجرد خليط بسيط من حجر ورمل وإسمنت. من خلال دمج نفايات صناعية ذكية مثل مسحوق الرخام والألياف البلاستيكية المعاد تدويرها، يمكن للمهندسين تقليل استخدام الإسمنت، والاستفادة أفضل من النفايات، وفي الوقت نفسه إنشاء خرسانة تقل فيها الشقوق وتمنع تسرب الماء بشكل أكثر فعالية. تُظهر هذه الدراسة أن أفضل النتائج تأتي من نسب متوازنة بعناية، وأن الذكاء الاصطناعي يمكن أن يساعد في تحديد تلك النسب. إذا تم تبنّي مثل هذه الخلطات على نطاق واسع، فقد تُقلّل تدريجيًا البصمة البيئية للقطاع الإنشائي مع تحسين متانة الهياكل التي نعتمد عليها يوميًا.

الاستشهاد: Sai, A.N., Sakthivel, M., Arunvivek, G.K. et al. Mechanical and durability assessment of marble dust–fiber concrete supported by ML prediction. Sci Rep 16, 10106 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40874-z

الكلمات المفتاحية: خرسانة مستدامة, مسحوق الرخام, ألياف بلاستيكية معاد تدويرها, المتانة, التعلم الآلي