الطُف البركاني كمادة بادئة مستدامة لتخليق الجيوبوليمر: تحسين وفهم البنية المجهرية

تحويل الصخر البركاني إلى لبنات بناء أكثر خضرة

الخرسانة موجودة في كل مكان حولنا، لكن الأسمنت الذي يربطها يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون أثناء إنتاجه. تستكشف هذه الدراسة ما إذا كان بالإمكان تحويل صخر بركاني شائع يُدعى الطُف من الجزائر إلى مادة رابطة قوية ومنخفضة الكربون لتحل محل جزء من الأسمنت التقليدي في المباني المستقبلية.

من صخر يشبه الرماد إلى مادة رابط تشبه الأسمنت

ركز الباحثون على الطُف البركاني من محجر في شمال‑شرق الجزائر. هذا الصخر غني طبيعيًا بالسيليكا والألومينا، مكونات يمكنها تكوين شبكة صلبة تشبه الحجر عند خلطها بسائل قلوي. بدايةً جُفِّف الطُف وطُحن ناعماً وحُلل كيميائياً. أظهرت الاختبارات أنه يستوفي المعايير الدولية كمادة «بوزولانية» تفاعلية، أي أنه يمكن أن يتفاعل مع المحاليل القلوية لتكوين رابطة تشبه الأسمنت. ثم جمع الفريق مسحوق الطُف مع محاليل هيدروكسيد الصوديوم وسيليكات الصوديوم لصنع عجينة جيوبوليمرية تتصلب إلى مادة صلبة.

ضبط الوصفة من أجل القوة

بدلاً من تغيير مكوّن واحد في كل مرة، استخدم الفريق طريقة تصميم إحصائية لاستكشاف العديد من التركيبات بكفاءة. غيّروا أربعة عوامل رئيسية: تركيز هيدروكسيد الصوديوم، كمية السيليكا المضافة المذابة، درجة حرارة التعتيق، ونسبة السائل إلى الطُف الصلب. صبّوا عينات اختبار صغيرة ثم عُتّقت إما في درجة حرارة الغرفة أو في فرن عند درجات أعلى قبل سحقها لقياس مقاومتها الانضغاطية، وهو طريقة بسيطة لتقييم قدرة المادة على تحمل الأحمال.

إيجاد ما يؤثر أكثر

أظهرت التحليلات أن درجة حرارة التعتيق كان لها التأثير الأكبر على القوة، تلتها كمية السيليكا المضافة في محلول المنشّط ونسبة السائل إلى الصلب. رفع درجة التعتيق من درجة حرارة الغرفة إلى 60 و80 درجة مئوية زاد القوة بشكل كبير وجعل النتائج أكثر اتساقاً. كما ساعد ارتفاع محتوى السيليكا في المحلول، حيث قوّى الشبكة الداخلية التي تتكون أثناء تصلّب المادة. بالمقابل، بعد نقطة معينة أدى إضافة المزيد من السائل إلى إضعاف المادة، على الأرجح لأن فائض الماء ترك مسامات إضافية عند تبخره. أما تركيز هيدروكسيد الصوديوم فقد كان أقل أهمية مقارنة بهذه العوامل الأخرى، بشرط أن يبقى ضمن نطاق معتدل.

نظرة داخل الحجر الجديد

لفهم سبب تفوق بعض الخلطات، استخدم الفريق عدة أدوات للتعمق في المادة المتصلبة. أظهرت قياسات حيود الأشعة السينية والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء أن الخلطات الناجحة تكوّن كميات كبيرة من طور زجاجي شبيه بالهلام يربط الجسيمات معاً. كشفت صور المجهر الإلكتروني أن العينات الأفضل أداءً كانت ذات نسيج كثيف وخالٍ من الشقوق، مع ملء الفراغات بين حبيبات الطُف بهذا الهلام. أما العينات الأضعف، وخصوصاً تلك المعتّقة في درجة حرارة الغرفة وبمحتوى سيليكا أقل، فقد أظهرت مزيداً من الجسيمات غير المتفاعلة، ومسامات أكبر، وشقوق ظاهرة، وكلها تقلل من القوة.

تحسين وصفة عملية

باستخدام نهج رياضي قائم على «المرغوبية»، حدد الباحثون تركيبة من المكونات وظروف التعتيق متوقعة أن تعطي قوة عالية للغاية. شملت هذه الوصفة محلولاً قلوياً نسبياً مركزاً، ومحتوى سيليكا عالٍ، وكمية معتدلة من السائل، وتعتيقاً عند 80 درجة مئوية. عندما اختُبرَت هذه الوصفة في المختبر، كانت القوة المقاسة قريبة من القيمة المتوقعة، مما يؤكد أن طريقة التحسين كانت موثوقة وأن الطُف البركاني الجزائري قادر بالفعل على تشكيل رابطة جيوبوليمرية قوية.

ماذا يعني هذا للبناء المستقبلي

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن صخراً طبيعياً متاحاً على نطاق واسع، يُستخرج بكميات كبيرة بالفعل في الجزائر، يمكن تحويله إلى مادة قوية تشبه الأسمنت عند تنشيطه بالمحلول القلوي المناسب والحرارة. بينما هناك حاجة لمزيد من العمل لاختبار المتانة على المدى الطويل والإنتاج على نطاق واسع، تُظهر هذه الدراسة أن الطُف البركاني قد يساعد في تقليل الاعتماد على الأسمنت التقليدي وتخفيف الأثر المناخي للمباني والبنى التحتية المستقبلية.

الاستشهاد: Boumaza, A., Khouadjia, M.L.K., Belebchouche, C. et al. Volcanic tuff as a sustainable precursor for geopolymer synthesis: optimization and microstructural insight. Sci Rep 16, 14932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44923-5

الكلمات المفتاحية: طف بركاني, جيوبوليمر, خرسانة منخفضة الكربون, درجة حرارة التعتيق, بناء مستدام