تأثير إضافة نفايات الفولاذ كبديل للإسمنت على الخصائص الميكانيكية وقدرة الحماية الإشعاعية للخرسانة المستدامة

تحويل خردات الفولاذ إلى خرسانة أكثر أمانًا

تعتمد الحياة العصرية على كل من الخرسانة وتقنيات الإشعاع، من المستشفيات إلى محطات الطاقة. تستكشف هذه الدراسة طريقة لصنع خرسانة لا تعيد استخدام نفايات صناعة الفولاذ فحسب، بل تقوم أيضًا بعمل أفضل في حجب الإشعاع الضار. من خلال دمج جسيمات الفولاذ والبِدْر الحديدي المتبقي في الخرسانة، يسعى الباحثون إلى إنشاء مبانٍ أكثر متانة وطرق عزل أكثر أمانًا مع تقليل النفايات الصناعية.

لماذا إعادة التفكير في مكونات الخرسانة

تعتمد الخرسانة التقليدية بشكل كبير على الإسمنت والصخور الطبيعية، وهو ما يترتب عليه أثر بيئي عند استخراجها وإنتاجها. وفي الوقت نفسه، تولد مصانع الفولاذ كميات كبيرة من النفايات، مثل القشور الناعمة، وشوائب الطحن، وقطع الفرامل المتهالكة، التي غالبًا ما تُلقى في مكبات النفايات. طرح فريق هذه الدراسة سؤالًا بسيطًا: هل يمكن لهذه البقايا الثقيلة والغنية بالحديد أن تستبدل جزءًا من الإسمنت في الخرسانة وتحوّل مشكلة التخلص إلى مكوّن مفيد، لا سيما في المنشآت التي تحتاج حماية من الإشعاع؟

بناء خلائط تجريبية من مخلفات صناعية

لاكتشاف الإجابة، أعدَّ الباحثون ثلاثة عشر نوعًا من الخرسانة. في كل خلطة، استُبدِل الحصى الخشن المستخدم عادة في الخرسانة بخبث الفولاذ، وهو منتج ثانوي من صناعة الصلب. ثم تم استبدال نسب متفاوتة من الإسمنت بأربعة مضافات قائمة على الفولاذ: بطانة فرامل مستهلكة، قشور مطحنة من مدحلة الأسطوانات، نشارة حديد، والهيماتيت، وهو شكل كثيف من أكسيد الحديد. جُرِّب كل مضاف عند ثلاثة مستويات، تستبدل 10% أو 20% أو 30% من الإسمنت. قاس الفريق قابلية التشغيل للخلطات عند الطزاجة، وقوة كل خليط بعد التصلب، ومدى قدرته على حجب أشعة غاما عند ثلاث طاقات نموذجية. كما استخدموا مجاهر قوية لفحص بنية الخرسانة الدقيقة ورؤية كيفية ترتيب الجسيمات الصغيرة داخلها.

خرسانة أقوى وأكثر كثافة وأقل مسامية

أظهرت النتائج أن استبدال أجزاء من الإسمنت بالمضافات القائمة على الفولاذ حسّن الخرسانة في أغلب الحالات. ارتفعت قوة الانضغاط والشد بعد 28 يومًا عمومًا مقارنة بالخرسانة العادية المحتوية على نفس كمية الإسمنت والخبث، خاصة عند استعمال الهيماتيت. قدّمت خلطة تحتوي على 10% هيماتيت واحدًا من أفضل التوازنات، مع تعزيز واضح في كلا النوعين من القوى. أوضحت الصور المجهرية سبب ذلك: فالجسيمات الثقيلة والناعمة ملأت الفراغات بين حبيبات الإسمنت وساهمت في تشكيل بنية داخلية أكثر إحكامًا وتجانسًا. مقارنةً بخليط الضبط، كانت العينات المحتوية على نفايات الفولاذ أقل مسامية وبمسام أصغر، مما يعني أن المادة كانت أكثر كثافة وأقل عرضة لوجود نقاط ضعف.

كيف تحجب الخرسانة الإشعاع

عندما تمر أشعة غاما عبر المواد، يتم امتصاص جزء من طاقتها أو تشتتها، وهي عملية تعرف بالتوهين. قاس العلماء مدى سرعة انخفاض شدة الإشعاع أثناء مروره عبر أقراص من كل نوع خرسانة. كل الخلطات التي احتوت نفايات فولاذ أو هيماتيت وفّرت حماية أفضل من خليط الضبط، بفضل كثافتها الأعلى ومحتواها من الحديد. تفوّقت خلائط الهيماتيت مرة أخرى، وحققت أعلى قيم للتوهين. عمليًا، يعني ذلك أن جدارًا مصنوعًا من هذه الخرسانات الثقيلة والغنية بالحديد يمكن أن يحقق نفس مستوى الحماية بسماكة أقل مما يحتاجه جدار من الخرسانة العادية. وكما هو متوقع، كانت أشعة غاما ذات الطاقة الأعلى أصعب في الإيقاف، لكن الخلطات المحسنة تفوقت على الخلطة القياسية عند كل طاقة مختبرة.

ماذا يعني هذا لمبانٍ المستقبل

للقراء غير المتخصصين، الخلاصة الأساسية هي أن الاستخدام الذكي لنفايات الفولاذ يمكن أن يحوّل الخرسانة إلى مادة بناء أكثر استدامة وأكثر قدرة على الحماية. من خلال استبدال جزء من الإسمنت بمساحيق مختارة غنية بالحديد، وجدت الدراسة أن الخرسانة يمكن أن تصبح أقوى وأكثر كثافة وأكثر قدرة على حجب الإشعاع الضار، وفي الوقت نفسه تساهم في إبقاء خردة الفولاذ خارج مكبات النفايات. يبرز المؤلفون خلطة تحتوي على 10% هيماتيت باعتبارها واعدة بشكل خاص، مع الإشارة إلى أن المتانة على المدى الطويل والتكلفة والأداء في ظروف قاسية ما تزال بحاجة إلى دراسة قبل أن تُعتمد هذه الخلطات على نطاق واسع في البناء العملي.

الاستشهاد: Mukhtar, S., Sallam, H.ED.M. & Elsadany, R.A. The effect of steel waste addition as a cement replacement on the mechanical and radiation shielding properties of sustainable concrete. Sci Rep 16, 15036 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51323-2

الكلمات المفتاحية: الخرسانة المستدامة, نفايات الفولاذ, الحماية من الإشعاع, الهيماتيت, توهين غاما