دراسة عن متانة الخرسانة المعاد تدويرها المحتوية على السيراميك تحت دورات التجمد والذوبان في منطقة مرتفعة الغرب

تحويل نفايات البلاط إلى طرق أكثر متانة

في أنحاء العالم، تتكدس كميات هائلة من بلاط السيراميك المكسور من مواقع البناء والتجديد في مكبات النفايات. في الوقت نفسه، تتعرض الطرق والجسور والمباني في المناطق الباردة عالية الارتفاع لدورات متكررة من التجمد والذوبان التي تقوّض الخرسانة التقليدية تدريجياً. تستكشف هذه الدراسة حلّاً مزدوج الفائدة: طحن نفايات البلاط الخزفي وخلطها في الخرسانة لإعادة تدوير تيار نفايات عنيد وبناء عناصر تتحمل ظروف الشتاء القاسية بشكل أفضل.

لماذا يكسر التجمد والذوبان الخرسانة

تبدو الخرسانة صلبة، لكنها داخلياً مشبعة بمسام دقيقة وشقوق شعرية. عندما يتسرب الماء ثم يتجمد، يتمدّد مثل الجليد في أنبوب مسدود. مع كل دورة تجمد–ذوبان، تعمل هذه التمددات والانكماشات على فتح الشقوق الدقيقة، وإضعاف مادة الإسمنت الشبيهة بالغراء، وإفقاد حبيبات السطح تماسكها. عبر سنوات، يمكن لهذا التجوية الداخلية البطيئة أن تحوّل كتلة قوية إلى مادة متفتتة ومتسربة. بالنسبة للمناطق ذات الارتفاعات العالية حيث تتقلب درجات الحرارة حول نقطة التجمد لفترات طويلة، فإن فهم هذا الضرر وإبطائه ضروري للبنى التحتية الآمنة وطويلة الأمد.

من البلاط المكسور إلى خرسانة جديدة

اختبر الباحثون ما إذا كان يمكن استبدال جزء من الجسيمات بحجم الرمل في الخرسانة ببقايا بلاط خزفي مطحون. صبّوا ست مجموعات من كتل الخرسانة، مع زيادة تدريجية في نسبة جسيمات السيراميك من 0% (الخرسانة المعاد تدويرها العادية) وحتى 100%، حيث يأتي كل الركام الناعم من نفايات البلاط. نقعوا هذه الكتل بالكامل في الماء ثم جمدوها مراراً عند نحو −18 °C ثم أذابوها إلى ما فوق نقطة التجمد بقليل، مع دورة تستغرق أربع ساعات. كل 30 دورة، وزن الفريق الكتل لقياس كمية المادة المتساقطة وقياس سهولة مرور الموجات الصوتية من خلالها، وهو مؤشر حساس للصلابة الداخلية والتشققات.

إيجاد النقطة المثلى عند 20 بالمئة

ظهر نمط واضح. فقد فقدت كل الكتل صلابتها مع تزايد عدد الدورات، ما يشير إلى تراكم الضرر الداخلي، لكن معدل الانخفاض اختلف بشكل كبير اعتماداً على كمية السيراميك. كانت الخرسانة التي تحتوي على 20% جسيمات سيراميك الأكثر مرونة: إذ تحملت حوالى 398 دورة تجمد–ذوبان قبل أن ينخفض أداؤها تحت المعايير المقبولة. أظهرت الصور المجهرية أن الضرر المبكر اقتصر غالباً على طبقة سطحية رقيقة، بينما بقي الداخل كثيفاً ومتماسكاً جيداً. ساعدت حبيبات السيراميك، التي تمتص ماءً أقل وتحتوي على مسام مفتوحة أقل من الرمل المعاد تدويره التقليدي، على الحد من كمية الماء التي دخلت الخرسانة ومدى توسعها عند التجمد.

مع ذلك، بعد تجاوز نسبة الاستبدال 20% تدهورت المتانة بشكل حاد. عند محتويات سيراميك عالية، ارتبطت أسطح البلاط اللامعة بشكل ضعيف مع الإسمنت المحيط، تاركة فراغات إضافية وواجهات ضعيفة. عملت هذه الفجوات كخزانات صغيرة يمكن أن يتجمد فيها الماء ويتوسع ويترابط إلى شبكات من الشقوق. عند محتويات 80% وخاصة 100% سيراميك، عانت الكتل تقشّراً سريعاً للسطح وتشققاً عميقاً ولم تستطع النجاة من اختبار 300 دورة دون أضرار جسيمة. أظهرت قياسات دقيقة لمنطقة الانتقال الرقيقة حول كل حبيبة أنها أصبحت أكثر سماكة ومسامية مع زيادة محتوى السيراميك، مما قوض القوة العامة للخرسانة.

التنبؤ بمدة بقاء الخرسانة صالحة

معرفة أن محتوى 20% سيراميك هو الأفضل ليست كل القصة؛ يحتاج المهندسون أيضاً إلى تقدير المدة التي ستظل فيها هذه الخرسانة آمنة في العالم الحقيقي. لمعالجة هذا، تعامل المؤلفون مع فقدان الصلابة والكتلة التدريجي كنوع من العمليات العشوائية البطيئة الحركة. باستخدام أداة رياضية طورت أصلاً لتتبع الجسيمات المتحركة، بنوا منحنى موثوقية يبيّن كيف تنخفض فرصة استمرار الخرسانة في تلبية معايير الأداء مع تزايد عدد دورات التجمد–الذوبان. للمزيج الأفضل أداءً، تشير التحليلات إلى أنه يمكنه تحمل حوالى 383 دورة قبل أن تنخفض موثوقيته دون عتبة أمان محافظة، وحوالى 398 دورة قبل أن يعتبر عملياً منتهي العمر.

ما الذي يعنيه هذا للبناء في المناطق الباردة

من الناحية العملية، تُظهر الدراسة أن جرعة معتدلة من بلاط السيراميك المطحون — نحو خُمس الركام الناعم في الخلطة — يمكن أن تحول منتجاً نفاياتياً إلى مكوّن ثمين لخرسانة متينة في المناطق الباردة عالية الارتفاع. عند هذه النسبة، تساعد القطع الخزفية في الحد من امتصاص الماء والضرر الداخلي الناتج عن الجليد؛ أما عند زيادة النسبة فستُدخل نقاط ضعف كثيرة وتسرع الفشل فعلياً. من خلال الجمع بين اختبارات المعمل ونمذجة توقع العمر، تقدم الدراسة وصفة وأداة توقع للمصممين الذين يرغبون في بناء طرق وهياكل تدوم أطول مع تقليل نفايات البناء. سيبحث البحث المستقبلي كيف تقاوم هذه الخرسانة المحسنة تهديدات طويلة الأمد أخرى، مثل الأملاح المخترقة وثاني أكسيد الكربون، مما يوضح أكثر دورها في بنية تحتية مستدامة.

الاستشهاد: Kuan, P., Heyuqiu, L. & Yaping, L. Study on freeze–thaw cyclic durability of reclaimed ceramic concrete in western high altitude region. Sci Rep 16, 12952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42770-y

الكلمات المفتاحية: الخرسانة المعاد تدويرها, نفايات بلاط السيراميك, مقاومة دورات التجمد والذوبان, البنى التحتية في المناطق الباردة, عمر خدمة المادة