تصميم وتوصيف الملاط المستدام المتضمن لمواد مشتقة من نفايات صناعية

البناء بالنفايات بدلاً من الصخور الجديدة

يشكّل الخرسانة والملاط مدننا بهدوء، لكن إنتاج الأسمنت الذي يربطها ببعضها مصدر رئيسي لثاني أكسيد الكربون المسبب للاحتباس الحراري. تستكشف هذه الدراسة مسارًا مختلفًا: ملاطات مصنوعة بشكل كبير من نفايات صناعية، مثل الرماد الطائر من محطات الطاقة والخبث من إنتاج الصلب. من خلال تنشيط هذه المساحيق بعناية باستخدام محاليل قلوية، يبيّن الباحثون أنه من الممكن خلق مواد بناء قوية ومتانة مع تقليل البصمة المناخية والحد من الحاجة إلى خامات جديدة.

لماذا إعادة التفكير في الأسمنت مهمة

يُنتَج الأسمنت البورتلاندي التقليدي في أفران هائلة تسخّن الحجر الجيري والطين إلى نحو 1450 °م، وهي عملية تستهلك قدراً كبيراً من الطاقة وتطلق CO₂ من كل من الوقود ومن الحجر الجيري نفسه. مع نمو الطلب العالمي على المباني والبنية التحتية، يمثل الأسمنت وحده نحو 7% من انبعاثات CO₂ العالمية. لذلك تسعى العديد من الدول إلى مواد بناء أنظف تظل قادرة على توفير القوة والمتانة التي يعتمد عليها المهندسون، ولكن بانبعاثات أقل واستخدام أفضل للمنتجات الثانوية الصناعية التي كانت ستتجه إلى مطامر النفايات.

تحويل الرماد والخبث إلى ملاط جديد

صمم الباحثون ثلاث وصفات ملاط تستبدل الأسمنت البورتلاندي بخليطات من الرماد الطائر (مسحوق ناعم من احتراق الفحم)، وخبث أفران الصهر المطحون من صناعة الصلب، ورذاذ السيليكا، وكلها مُمزوجة بالرمل. لم تُنشّط هذه المساحيق بالخبز بدرجة حرارة عالية، بل بمزجها مع محلول هيدروكسيد البوتاسيوم وسيليكات الصوديوم السائلة، ثم معالجة الملاطات في درجة حرارة الغرفة ورطوبة معتدلة. استخدم أحد الخلطات رمادًا طائرًا من محطة طاقة رومانية، وأخرى استخدمت رمادًا طائرًا من كندا، والثالثة جمعت الرماد الكندي مع الخبث. للمقارنة، أعد الفريق أيضاً ملاطًا قياسيًا قائمًا على الأسمنت كمجموعة تحكم.

ما مدى قوة هذه الملاطات المعتمدة على النفايات؟

خلال 28 يومًا، اختُبرت الملاطات لقياس مقاومة الضغط (مقدار الحمولة التي يمكنها تحملها قبل الانهيار) ومقاومة الانحناء. تبيّن أن نوع الرماد الطائر والنسب الدقيقة للمُنَشّط السائل كان لها تأثير كبير. وصلت مقاومة الضغط للملاط المصنوع من الرماد الروماني إلى نحو 8 ميغا باسكال فقط، بينما ضاعف الرماد الكندي ذلك الأداء تقريبًا إلى نحو 26 ميغا باسكال. أظهر تعديل نسبة السائل إلى المسحوق أن الكثير من المنشط يترك المادة مسامية وضعيفة، بينما تُنتج كمية متوازنة مصفوفة أكثر كثافة وقوة. كما عزز زيادة تركيز محلول هيدروكسيد البوتاسيوم من 3.8 إلى 5.1 مولارية القوة على الأرجح لأنه حلّن ونظم الجسيمات الرمادية بشكل أكثر فعالية.

تعزيز الأداء بخبث صناعة الصلب

النتيجة البارزة جاءت من الخلطة التي مزجت الرماد الطائر الكندي مع خبث أفران الصهر وقليل من رذاذ السيليكا. حققت هذه الوصفة مقاومة ضغط بنحو 44 ميغا باسكال ومقاومة انحناء 7.4 ميغا باسكال بعد 28 يومًا — قيم قابلة للمقارنة أو أفضل من الملاط الضابط القائم على الأسمنت البورتلاندي. أظهرت التصويرات المجهرية أن الخلطة الأفضل أداء كونت شبكة هلامية كثيفة ومتصلة احتوت الجسيمات المتبقية والرمل، مع تشققات وفراغات أقل. أشارت الاختبارات الحرارية إلى أن هذه الملاطات تفقد نسبة صغيرة جداً من الكتلة عند التسخين لدرجات عالية، مما يوحي باستقرار جيد عند التعرض للنار أو للحرارة.

الأثر المناخي والوعد العملي

بعيدًا عن الأداء الميكانيكي، قدّر الفريق البصمة الكربونية لملاطهم المعتمد على النفايات. لأن الرماد الطائر والخبث ورذاذ السيليكا هي منتجات ثانوية لصناعات أخرى، فلا تتطلب معالجة جديدة بدرجات حرارة عالية لاستخدامها في الملاط. عند شمول إنتاج المنشط ولكن دون احتساب النقل، ينبعث من هذه الملاطات نحو 220 كيلوغرامًا من CO₂ لكل متر مكعب. هذا أقل بنحو 30% من الخرسانات النمطية المصنوعة من الأسمنت البورتلاندي فقط وحوالي 45% أقل من بعض ملاطات الأسمنت والخبث المبلغ عنها في الأدبيات. بعبارة أخرى، يمكن لهذه الخلطات أن تقدم قوة عالية مع تقليل كبير في الانبعاثات.

ماذا يعني هذا لمباني المستقبل

ببساطة، تُظهر الدراسة أن الملاطات المصممة جيدًا والمصنوعة من مساحيق نفايات صناعية، والمنشطة في درجة حرارة الغرفة بمحاليل قلوية معتدلة، يمكن أن تنافس أو تتفوق على ملاطات الأسمنت التقليدية من حيث القوة مع خفض كبير لانبعاثات CO₂. إذا ما تم توسيع نطاق الإنتاج، قد تسمح مثل هذه المواد للبنائين بتحويل الرماد والخبث إلى مكونات قيِّمة بدلًا من نفايات مكلفة، مما يخفف الضغط على المحاجر والأفران على حد سواء. بينما لا تزال الحاجة قائمة لاختبار المتانة على المدى الطويل والإنتاج واسع النطاق، يشير العمل إلى مستقبل يمكن أن تقف فيه المباني حرفيًا على أساسات معاد تدويرها.

الاستشهاد: Caftanachi, M., Vrabie, M., Harja, M. et al. Design and characterization of sustainable mortars incorporating industrial waste–derived materials. Sci Rep 16, 12145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41743-5

الكلمات المفتاحية: ملاط مستدام, مواد منشّطة بالقلويات, رماد طائر, خبث فرن الصهر, بناء منخفض الكربون