دراسة تجريبية وبنيوية مجهرية حول القوة ومقاومة التجمد للخرسانة الرغوية المعززة بألياف البازلت ومخلفات خبث الصلب

تحويل النفايات إلى لبنات بناء مقاومة للشتاء

تنتج المدن الحديثة جبالاً من مخلفات الصناعة، ويُعد خبث صناعة الصلب واحداً من أكبرها. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لهذا المنتج الجانبي الحبيبي، عند مزجه بألياف صخرية بركانية وفقاعات هواء محبوسة، أن يتحول إلى خرسانة خفيفة للغاية تظل قوية حتى بعد تعرّضها لتكرار التجمد والذوبان. لأولئك المهتمين بالبناء المستدام والطرق الآمنة في المناخات الباردة، تقدّم الدراسة لمحة عن كيفية أن جعل الفقاعات الدقيقة والألياف الصغيرة يعملان معاً يمكن أن يجعل المواد المعاد تدويرها أخفّ أثراً على البيئة وأكثر متانة أثناء الخدمة.

لماذا يهم خبث الصلب والخرسانة الرغوية

يتكدس خبث الصلب عادةً قرب المصانع، ويشغل مساحات أرضية ويثير مخاوف بيئية طويلة الأمد. وفي الوقت نفسه، يبحث قطاع البناء عن مواد أخف وأفضل عزلًا تقلّل استخدام الأسمنت وانبعاثات الكربون. تُعد الخرسانة الرغوية—التي تحتوي أساساً على جيوب هوائية دقيقة—جذابة لخفّتها وقدرتها العازلة، لكن نفس تلك المسام قد تجعلها ضعيفة ومعرضة للتلف عندما يتجمد الماء بداخلها. من خلال استخدام مسحوق خبث الصلب كبديل جزئي للأسمنت، ثم ضبط حجم الفقاعات والبنية الداخلية، يهدف المؤلفون إلى ابتكار خرسانة خفيفة ومعزولة تعيد تدوير مخلفات الصناعة في الوقت نفسه.

إضافة ألياف بركانية لمزيد من المتانة

ركز الباحثون على تقوية الخرسانة الرغوية المحتوية على خبث الصلب بألياف البازلت، المستخلصة من صخر بركاني مصهور. هذه الخيوط القصيرة الشبيهة بالشعر تتميز بقوة عالية ومقاومة للحرارة، وهي أكثر صداقة للبيئة من العديد من الألياف الصناعية. أنتج الفريق أربع تركيبات من المادة تحتوي على 0% و0.15% و0.30% و0.45% من الألياف بالحجم، مع الحفاظ على كثافة إجمالية منخفضة. ثم قاسوا مدى مقاومة كل خليط للضغط والانحناء بعد سبعة و28 يوماً من التصلُّب. برز خليط الألياف بنسبة 0.30%: فقد كانت مقاومته الانضغاطية بعد 28 يوماً أعلى بحوالي 12% مقارنةً بالنسخة الخالية من الألياف، وقدرته على مقاومة الانحناء قفزت بما يقارب ثلثيها. ومع ذلك، عندما أضيفت ألياف أكثر من اللازم، أصبح الخرسانة أضعف فعلياً، مما يبيّن أن المزيد من التعزيز ليس بالضرورة أفضل.

كيف تتحكم المسام الدقيقة في الأداء الكبير

لفهم سبب فاعلية الجرعة المعتدلة من الألياف، نظر الفريق داخل المادة باستخدام تصوير مقطعي بالأشعة السينية ومجاهر إلكترونية. كشفت هذه الأدوات عن الشبكة ثلاثية الأبعاد للمسام وطريقة تشابك الألياف داخل المَلاط المتصلِّب. مع نحو 0.30% من الألياف، احتوت المادة على مزيد من المسام الصغيرة شبه الكروية وقلّت المسام الكبيرة وغير المنتظمة. كما كانت شبكة المسام أقل تعقيدًا، ما يعني مسارات أقل تعقيدًا ومتصلة للماء كي يتحرك عبرها. تحت المجهر، يمكن رؤية الألياف تعبر الشقوق المحتملة وتلتف حول منتجات الأسمنت وجسيمات الخبث، مكوِّنة بنية داخلية أكثر كثافة وتجانساً. وعند زيادة محتوى الألياف، تشكلت كتل، وسمكت الجدران بين المسام بشكل غير متوازن، وظهرت مسام كبيرة ومتصلة أكثر، ما قلّل المكاسب.

مواجهة عقاب التجمد-الذوبان

الاختبار الحاسم للمناطق الباردة هو مدى قدرة المادة على الصمود أمام دورات التجمد والذوبان المتكررة. نقع الباحثون عيناتهم ثم تعرّضوها لـ15 دورة محكومة من هواء تحت الصفر وماء دافئ. فقدت الخرسانة الخالية من الألياف أكثر من 30% من قوتها وفقدت كتلة تكفي لتجعلها خارج الحدود الهندسية المسموح بها. في المقابل، فقد الخليط المحتوي على 0.30% ألياف بازلت أقل من 9% من قوته وحافظ على فقدان كتلة أقل من 5%، متجاوزاً المعايير ذات الصلة. أظهرت الصور المجهرية بعد الدورات أن في الخلطات المعزّزة بالألياف ظلت جدران المسام أكثر استمرارية وتباطأ نمو الشقوق، بينما في المادة البسيطة كبرت المسام وتكاثرت الشقوق الدقيقة وامتلأت المصفوفة بأشكال بلورية أكثر هشاشة.

ربط الميزات غير المرئية بالمتانة الواقعية

لربط هذه الملاحظات، استخدم المؤلفون نهجًا إحصائيًا يصنّف أي سمات المسام هي الأهم. وجدوا أن تعقيد شبكة المسام الكلي ونسبة المسام الكبيرة جداً كانتا مرتبطتين بقوة بفقدان القوة أثناء التجمد. أثّرت ألياف البازلت بشكل أساسي على تعقيد تلك الشبكة: عند الجرعة المناسبة، ساعدت في الحفاظ على المسام أصغر وأكثر استدارة وأقل اتصالًا، مما صعّب على الماء والجليد توليد ضغوط مدمرة. للقراء غير المتخصصين، الرسالة واضحة: عن طريق ضبط كمية الألياف الصخرية الطبيعية في خلطة رغوية معتمدة على الخبث، يمكن للمهندسين تحويل نفايات صناعية إلى خرسانة خفيفة تقاوم الشتاء القارس بشكل أفضل—مما يوفر فوائد بيئية ويحسّن سلامة المباني والأسس الطرقية في المناطق الباردة.

الاستشهاد: Jiang, J., Chen, M., Yu, X. et al. Experimental and microstructural investigation on the strength and frost resistance of basalt fiber reinforced steel slag foamed concrete. Sci Rep 16, 13207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42606-9

الكلمات المفتاحية: خبث الصلب, الخرسانة الرغوية, ألياف البازلت, مقاومة التجمد-الذوبان, بنية المسام