تقييم الصخر الشِسْت الجرافيتي كمواد مساعدة في الأسمنت في الخرسانة من حيث النشاط المضاد للفطريات، والمتانة، والهجرنة، والبنية الدقيقة، والحماية من الإشعاع

خرسانة أنظف لعالم يحتد فيه الاحترار

الخرسانة موجودة في كل مكان في بيئتنا المبنية، لكن صنع مكوّنها الأساسي، أسمنت بورتلاند، يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كان صخر طبيعي يُسمى الصخر الشِسْت الجرافيتي يمكن أن يحل جزئياً محل الأسمنت في الخرسانة. إذا نجحت الفكرة، فقد نقلل انبعاثات قطاع البناء، ونحصل على مقاومة للفطريات الضارة، وحتى نتمكن من تعديل قدرة الخرسانة على حجب الإشعاع في المستشفيات والمنشآت النووية.

تحويل صخر شائع إلى مكوّن مفيد

الصخر الشِسْت الجرافيتي هو صخر متحول مُرمَّّز يقع في صحراء مصر الشرقية. قام الباحثون بسحق وطحن هذا الصخر إلى مسحوق ناعم وخلطه في الخرسانة، مستبدلين إما 10 أو 15 بالمئة من الأسمنت بالوزن. ثم قارَنوا هذه الخلائط مع الخرسانة العادية، ليس فقط من حيث المتانة والقوة بل أيضاً في سلوك الخرسانة تحت الحرارة، والهجوم الفطري، والتعرض لأنواع مختلفة من الإشعاع. ونظراً لأن المعادن الرئيسية في الشست ذات كثافة منخفضة وأشكال صفيحية ملساء، توقّع الفريق أن يتصرف كمادة مالئة لملء الفراغات أكثر منه بديلاً تفاعلياً قوياً للأسمنت.

ما الذي يحدث داخل الخرسانة

على المستوى المجهري، كانت جزيئات الصخر الشِسْت الجرافيتي أصغر وذات مساحة سطحية تقارب ضعف مساحة حبيبات الأسمنت. سمح ذلك لها بالانزلاق إلى الفراغات بين حبيبات الأسمنت، فساعدت على تعبئة الخليط بشكل أكثر إحكاماً. ومع ذلك، أظهرت الاختبارات الكيميائية أن الشِسْت نفسه لم يشارك بشكل ملحوظ في تفاعلات تصلب الأسمنت. بل تصرّف في الغالب كمادة مالئة خاملة. في الخلطات التي احتوت على استبدال بنسبة 10 بالمئة، حسّن هذا التأثير الناتج عن التعبئة البنية الداخلية حول حبيبات الرمل والحصى بشكل معتدل، وخاصة في منطقة الحدود الرقيقة حيث تبدأ الشقوق في العادة. عند استبدال بنسبة 15 بالمئة، طغت المشكلات على الفوائد: المزيد من حبيبات الأسمنت غير المتفاعلة، وزيادة المسامية، وشقوق مجهرية تضعف المادة.

موازنة القوة والفطريات والحريق

فقدت الخرسانة التي تحتوي على 10 بالمئة من الصخر الشِسْت الجرافيتي بعضاً من قوتها المبكرة مقارنة بالخرسانة العادية، لكن الفجوة تقلصت خلال ستة أشهر مع استمرار تفاعل بقية الأسمنت مع الماء. بالمقابل، أظهرت خلطة 15 بالمئة انخفاضاً أوضح في القوة. وعلى الرغم من ذلك، جلب مسحوق الصخر مزايا ملحوظة. فقد بقي ثابتاً عند التسخين حتى 800 درجة مئوية، مما يوحي بأن الخرسانة المحتوية على هذا المُضاف قد تؤدي أداءً أفضل في الحرائق الشديدة. في اختبارات منفصلة في أطباق بتري، أعاق الصخر الشِسْت الجرافيتي بقوة نمو عدة فطريات مزعجة، وغالباً كان أكثر فعالية من الأسمنت وحده. يبدو أن هذا السلوك المضاد للفطريات ينبع من مساحته السطحية العالية ومكوناته المعدنية، التي معاً تُجهد وتلحق الضرر بخلايا الفطريات.

تشكيل قدرة الخرسانة على حجب الإشعاع

ونظراً لأن الخرسانة تُستخدم كثيراً لحماية الأشخاص والمعدات من الإشعاع، اختبر الفريق أيضاً كيف تعاملت الخلطات الجديدة مع النيوترونات السريعة وأشعة غاما. حسن إضافة الصخر الشِسْت الجرافيتي قليلاً من قدرة عزل النيوترونات السريعة، بفضل العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والكربون في معادنه التي تجيد إبطاء هذه الجسيمات. لكن نفس الإضافة قللت من كثافة الخرسانة وزادت مساميتها، مما أضعف قدرتها على إيقاف أشعة غاما شديدة الاختراق. قدمت خلطة 10 بالمئة تحسناً طفيفاً في درع النيوترونات بينما عانت بخسارة ملحوظة في الحماية من أشعة غاما، وكانت خلطة 15 بالمئة أسوأ في هذا الصدد.

أين يمكن أن تُستخدم هذه الخرسانة الجديدة

بشكل عام، تشير الدراسة إلى أن الصخر الشِسْت الجرافيتي يمكن أن يعمل كمضاف معدني متعدد الوظائف عند استخدامه بنسبة استبدال تقارب 10 بالمئة من الأسمنت. في هذه النسبة يساعد على خفض استخدام الأسمنت والانبعاثات المرتبطة به، ويضيف ميزات واعدة مقاومة للفطريات ومثبطة للحريق، ويمنح دفعة خفيفة في حماية النيوترونات، وإن كان ذلك على حساب حماية أشعة غاما الأقل وقوة أدنى قليلاً. قد تكون مثل هذه الخرسانة ملائمة للعناصر البنيوية غير الحرجة أو للتطبيقات المتخصصة حيث تكون مقاومة الفطريات وثبات الحريق أهم من أقصى قوة أو أعلى مستوى من الحماية الإشعاعية. مع مزيد من ضبط الخلطة ومحتوى الماء، يمكن أن يصبح الصخر الشِسْت الجرافيتي أداة مفيدة لصناعة خرسانة أذكى وأكثر استدامة.

الاستشهاد: Serry, M., Zayed, A.M., Tagyan, A.I. et al. Assessing graphite schist as a supplementary cementitious material in concrete for antifungal activity, strength, hydration, microstructure, and radiation shielding. Sci Rep 16, 12019 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40900-0

الكلمات المفتاحية: خرسانة منخفضة الكربون, استبدال الأسمنت, مواد مضادة للفطريات, حماية من الإشعاع, الصخر الشِسْت الجرافيتي