تحليل الخواص الميكانيكية للخرسانة الجيوبوليمرية المعتمدة على رماد القش العصيري باستخدام تعلم الآلة

تحويل نفايات المزرعة إلى خرسانة أقوى وأنظف

الخرسانة هي العمود الفقري للمدن الحديثة، لكن إنتاج الأسمنت العادي يطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون. تستكشف هذه الدراسة طريقة لتقليل تلك الانبعاثات من خلال تحويل نفاية زراعية—رماد ناتج عن معالجة قصب السكر—إلى مكوّن رئيسي لنوع جديد من الخرسانة. كما تُظهر كيف يمكن للأدوات الحديثة للبيانات، بما في ذلك تعلم الآلة، أن تساعد المهندسين على التنبؤ بسرعة بمدى قوة هذه الخرسانة الأكثر صداقة للبيئة.

لماذا يهم نوع جديد من الخرسانة

تعتمد الخرسانة التقليدية على أسمنت بورتلاندي، وتصنيعه يتطلب طاقة عالية وهو مسؤول عن حصة كبيرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. في السنوات الأخيرة، برزت الخرسانة «الجيوبوليمرية» كبديل واعد. بدلاً من الاعتماد على الأسمنت، تستخدم مخلفات صناعية غنية بالسيليكا والألومينا—مثل رماد الفحم من محطات الطاقة—يتم تنشيطها بمحاليل قلوية. هذه الكيمياء تنتج رابطًا صلبًا يشبه الحجر مع إمكانية خفض الانبعاثات بنسبة 22–72%، كل ذلك دون التضحية بالصلابة أو المتانة. والاختلاف في هذا العمل هو استبدال جزء من رماد الفحم برماد قش قصب السكر، وهي نفاية تنتج بكميات هائلة في مطاحن السكر وغالبًا ما تُلقى في مكبات النفايات أو تُطلق كغبار ناعم ملوث.

من حقول قصب السكر إلى كتل البناء

تنتج الهند، كواحدة من أكبر منتجي قصب السكر في العالم، ملايين الأطنان من رماد قش قصب السكر سنويًا. كيميائيًا، هذا الرماد غني بالسيليكا التفاعلية وأكاسيد أخرى، مما يعني أنه يمكن أن يتصرف بطريقة مشابهة لمضافات الأسمنت التقليدية إذا استخدم بشكل صحيح. جمع الباحثون رماد الفحم ورماد قش قصب السكر من مصادر محلية، وخلطاها بنسب مختلفة، ودمجوها مع رمل وحصى قياسيين. ثم أضافوا محلول هيدروكسيد الصوديوم بتراكيز مختلفة لتحفيز تفاعل الجيوبوليمر، وصبّوا عينات الاختبار وعالجوها. كان الهدف الرئيسي هو معرفة مقدار رماد الفحم الذي يمكن استبداله برماد القش مع الحفاظ على مقاومة انضغاطية وانحناء وتمزق عالية—وهي القياسات الثلاث الرئيسية لأداء الخرسانة تحت أنواع مختلفة من الإجهاد.

العثور على النسبة المثلى للقوة

اختبر الفريق خلطات استبدل فيها رماد قش قصب السكر 0–50% من رماد الفحم وغيّروا قوة المحلول القلوي. وجدوا أن كلًا من كمية رماد القش وتركيز هيدروكسيد الصوديوم يؤثران بقوة على الأداء. كانت وصفة ناجحة بشكل خاص تستخدم 30% من رماد القش وتركيز منشط متوسط-عالي. بعد 28 يومًا، بلغت مقاومة الانضغاط لهذه الخلطة حوالي 47 ميغاباسكال، وهي قيمة مناسبة للتطبيقات الهيكلية وأعلى من الخلطة الضابطة دون رماد القش. ظهرت اتجاهات مماثلة في اختبارات الانحناء والانقسام، رغم أن القيم استقرت أو انخفضت قليلاً عند أعلى محتويات الرماد. تشير النتائج إلى وجود توازن أمثل: قدر كافٍ من رماد القش لتعزيز البنية الداخلية للربط، ولكن ليس كثيرًا بحيث تبدأ المسامية والتفاعل غير المكتمل في إضعاف المادة.

ترك الخوارزميات تتعلم من الخرسانة

قياس قوة الخرسانة في المختبر يستغرق وقتًا ويكلف الكثير، خاصة عندما تتغير العديد من المتغيرات—مثل نوع الرماد، ومستوى الاستبدال، وتركيز المواد الكيميائية—في آن واحد. لتسريع ذلك، درّب الباحثون ثلاثة أنواع من نماذج تعلم الآلة لتوقع القوة اعتمادًا على تصميم الخلطة: شبكة عصبية اصطناعية، وغابة عشوائية، ونموذج XGBoost. بينما كانت الشبكة العصبية تناسب بيانات التدريب جيدًا، فقد تعثرت أمام بيانات جديدة، وهو علامة كلاسيكية على الإفراط في الملاءمة. كان XGBoost، وهو طريقة تعزيزية قوية، شبه مثالي على مجموعة التدريب لكنه فقد الدقة على حالات الاختبار. نجحت الغابة العشوائية في إيجاد أفضل توازن، محافظًة على قدرة تنبؤية عالية على بيانات غير مرئية لجميع مقاييس القوة الثلاثة، مما يجعلها الخيار الأكثر موثوقية للتنبؤ العملي.

ماذا يعني هذا للبناء الأكثر خضرة

تُظهر هذه الدراسة أن رماد قش قصب السكر، الذي كان يُعامل سابقًا كمشكلة تصريف، يمكن أن يكون مكوّنًا ذا قيمة في الخرسانة الجيوبوليمرية عالية الأداء. بالنسبة للنسبة الصحيحة من الخلطة ومستوى المنشط، فإنه لا يوجه النفايات بعيدًا عن المدافن ويقلل انبعاثات الكربون فحسب، بل يقدم أيضًا خرسانة قوية مثل—أو أقوى من—الخلطات التقليدية. إن الجمع بين هذه الخلطات الأكثر استدامة ونماذج تعلم الآلة المتينة يمكّن المهندسين من تقدير القوة بسرعة اعتمادًا على تصميم الخلطة وحده، مما قد يختصر دورات التطوير ويخفض تكاليف الاختبار. للمختصر، النتيجة بسيطة: يمكن للمخلفات الزراعية والخوارزميات الذكية أن تتعاون لبناء هياكل أنظف وأقوى لمدن المستقبل.

الاستشهاد: Pratap, B., Kumar, S., Gupta, K.K. et al. Mechanical properties analysis of geopolymer concrete based on the sugarcane bagasse ash using machine learning. Sci Rep 16, 14485 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44848-z

الكلمات المفتاحية: الخرسانة الجيوبوليمرية, رماد قش قصب السكر, البناء المستدام, تعلم الآلة, رماد الفحم