الخصائص الميكانيكية والميكروهيكلية والاهتزازية الحرة للخرسانة المسلحة بألياف PVC المعاد تدويرها من نفايات إلكترونية

تحويل الكابلات القديمة إلى خرسانة أقوى وأكثر هدوءًا

تتكدس سنويًا كميات هائلة من الكابلات الكهربائية المهملة، مما يسبب مشكلة نفايات متزايدة. تستكشف هذه الدراسة طريقة غير متوقعة لإعطاء بعض هذه النفايات حياة ثانية: تقطيع الأسلاك المطلية بالبلاستيك وخلطها داخل الخرسانة. أرد الباحثون معرفة ما إذا كانت هذه الألياف المعاد تدويرها يمكن أن تجعل الخرسانة ليست أقوى فحسب، بل تساعد أيضًا في تقليل اهتزاز المباني والبنى التحتية الناتج عن حركة المرور أو الرياح أو الآلات.

من كومة النفايات الإلكترونية إلى مادة بناء

بدأ الفريق بالكابلات الكهربائية الموجهة للتخلص منها. قاموا بإزالة الغلاف الخارجي وقطع الموصلات النحاسية المعزولة إلى قطع قصيرة بطول 30 أو 50 مليمترًا. في خليط الخرسانة، تعمل هذه القطع كخيوط تقوية صغيرة، حيث يلامس الطلاء البلاستيكي (PVC) المونة بينما يبقى قلب النحاس مدفونًا بالداخل. حضر الباحثون خلطة خرسانة عالية الجودة قياسية ثم صنعوا عدة نسخ تحتوي على كميات مختلفة من هذه الألياف، بالإضافة إلى خلطة «تحكم» بسيطة بدون ألياف للمقارنة. صبوا مكعبات لاختبارات الضغط، وعوارض لاختبارات الانحناء، وعوارض أطول لدراسة سلوك المادة عند الاهتزاز الحر بعد دفعها وإطلاقها.

موازنة المتانة: الضغط والانحناء

عند ضغط مكعبات الخرسانة، أعطت محتويات ألياف معتدلة بنسبة 0.8 في المئة من الوزن أعلى مقاومة انضغاط، بنحو 8 في المئة أكثر من الخرسانة العادية. إضافة المزيد من الألياف بعد هذه النسبة أضعفت المادة قليلاً تحت الانضغاط الخالص، على الأرجح لأن الألياف الزائدة بدأت تتكتل وتخلق نقاط ضعف صغيرة أو مسامات إضافية. في اختبارات الانحناء، انقلبت القصة. مع زيادة محتوى الألياف حتى 1.2 في المئة، أصبحت العوارض أفضل تدريجيًا في مقاومة الشقوق، محققةً أكثر من 22 في المئة زيادة في مقاومة الانثناء مقارنةً بعينة التحكم. قدمت الألياف الطويلة (50 مليمترًا) دفعة إضافية في أداء الانحناء مقارنة بالأقصر، لأن غرزها الأكبر داخل الخرسانة يساعدها على ربط شقوق أوسع وامتصاص طاقة أكبر قبل أن تنسحب.

إخماد الاهتزازات في الهياكل اليومية

تتعرض العديد من هياكل الخرسانة — أرضيات المصانع، والأساسات تحت الآلات الثقيلة، والطرق المرتفعة — لاهتزاز مستمر بسبب الأحمال المتحركة. تُقيَّم قدرة المادة على امتصاص هذا الحركة بواسطة نسبة التخميد: قيمة أعلى تعني أن الاهتزازات تخبو أسرع. قام الباحثون بتثبيت أحد طرفي كل عارضة مثل لوح غطس، سحبوا الطرف الحر بقوة معروفة، ثم أطلقوه. باستخدام مستشعر حركة صغير مرتبط بوحدة تحكم دقيقة رخيصة، سجلوا كيف تعود العارضة المهتزة تدريجيًا إلى السكون. من خلال ملاءمة الحركة المقاسة مع نموذج موجة «متلاشية» بسيط، استخرجوا مدى سرعة فقدان الطاقة. أظهرت العوارض ذات أعلى محتوى ألياف (1.2 في المئة) نسب تخميد أعلى تصل إلى نحو 7.5 في المئة مقارنةً بالخرسانة العادية، لا سيما عند سعات اهتزاز أكبر. ساعد طول الألياف قليلًا — فالألياف الأطول زادت التخميد ببضع نقاط مئوية — لكن كمية الألياف كانت الأهم.

ما الذي يحدث داخل الخرسانة

لفهم ما يجري على المستوى المجهر، فحص الفريق قطعًا مكسورة من العينات باستخدام مجهر إلكتروني ماسح. وجدوا معجون أسمنتي كثيفًا ومتكونًا جيدًا يحيط بالألياف، مع هياكل بلورية نموذجية تتكون أثناء تصلب الخرسانة. عند الحدود حيث تلتقي الألياف بالملاط، لاحظوا ملاطًا متصلبًا يلتصق بأسطح الألياف وعلامات فصل مسيطر عليه وانسحاب. في بعض الحالات، تم نزع الطلاء البلاستيكي جزئيًا من القلب النحاسي أثناء التصدع. تشير هذه السمات إلى واجهة احتكاكية متينة: عندما تحاول الشقوق أن تتفتح، تتمدد الألياف وتتزلزل وتنسحب تدريجيًا، محولة الطاقة الميكانيكية إلى حرارة غير ضارة وتلف مجهري بدلًا من السماح بحدوث كسر هش مفاجئ أو اهتزازات طويلة الأمد.

لماذا يهم هذا للبناء الأكثر اخضرارًا وذكاءً

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن الأسلاك المعزولة المفرومة من النفايات الإلكترونية يمكن أن تساعد الخرسانة على تحقيق وظيفتين قيّمتين في آن واحد: مقاومة شقوق الانثناء بشكل أفضل وتخميد الاهتزازات قليلًا، وكل ذلك مع الاستفادة من تيار نفايات مشكلة. هناك منطقة مثلى لكمية الألياف المضافة: نحو 0.8 في المئة للحفاظ على مقاومة الانضغاط، وحتى نحو 1.2 في المئة إذا كانت السيطرة على الاهتزاز ومقاومة الشقوق من الأولويات. وعلى الرغم من حاجة اختبارات أكثر تفصيلًا لفصل سلوك المادة عن ترتيب الاختبار بالكامل، تشير النتائج إلى أن تحويل الكابلات القديمة إلى تقويات مجهرية قد يكون خطوة عملية نحو هياكل خرسانية أكثر صلابة وهدوءًا واستدامة.

الاستشهاد: Admasu, M.B., Gissila, B., Aklilu, A. et al. Mechanical, microstructural, and free-vibration characteristics of concrete reinforced with recycled E-waste PVC fibers. Sci Rep 16, 14325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44699-8

الكلمات المفتاحية: الخرسانة المعاد تدويرها, ألياف النفايات الإلكترونية, تقوية بألياف PVC, تخميد الاهتزاز, البناء المستدام