שילוב סול סיליקה-ננו מזורז בבסיס אלקליין לשיפור העמידות של מרטון מבוזר-תלולית מופעל בפחמתי בסביבות אגרסיביות

מדוע בטון חזק וידידותי לסביבה חשוב

ערים מודרניות, גשרים ונמלים נשענים על בטון, אך המלט המסורתי נושא מחיר אקלימי כבד ויכול להתפורר במהירות בסביבות קשות כגון קו חוף ואזורים קרים. מחקר זה בוחן חומר קושר חלופי מבטיח לבטון שמפיק פחות פחמן דו-חמצני ועדיין מתמודד עם מי ים, הקפאה וחומרים אגרסיביים. על ידי הוספת מרכיב סיליקה ננו-גודל לסוג חדש של מרטון מבוסס סלג, החוקרים מציגים כיצד ניתן לבנות עבודות ימיות ותשתיות שיחזיקו מעמד זמן רב יותר תוך הפחתת העומס על כוכב הלכת.

סוג חדש של לבנה בנייה דלת-פחמן

בטון רגיל מסתמך על מלט פורטלנד, whose ייצורו מהווה חלק משמעותי מהפליטות העולמיות של פחמן. נתיב ירוק יותר משתמש בתוצרי תעשייה משניים כגון סלג מותז, שמופעלים בכימיקלים בסיסיים כדי ליצור חומר קושר קשה הדומה לאבן. בעבודה זו הצוות התמקד במרטון סלג המופעל בפחמתי על ידי פחמן נתרן, חומר יחסית ידידותי לאקלים ובעל עלות נמוכה שמקטין גם כיווץ וסדקים. המחיר הוא שמרטון סלג מופעל בפחמן נתרן נוטה להיות בעל מבנה פנימי יותר סופג, מה שהופך אותו פגיע לפגיעה ממלחים, מים ומחזורי הקפאה–הפשרה — תנאים שכיחים בסביבות ימיות וכבישיות.

איך טיפות סיליקה זעירות עוזרות

כדי לטפל בחולשה זו, החוקרים הוסיפו כמויות משתנות של סול סיליקה ננו מזורזת בבסיס אלקליין, נוזל המכיל חלקיקי סיליקה זעירים המפוזרים היטב. בניגוד לפודרת סיליקה ננו יבשה, הסול הזה מתפשט באופן שווה במרטון הטרי. במהלך ההתקשות הסיליקה הננו מגיבה עם הסידן שמשתחרר מהסלג ליצירת ג'ל קושר נוסף, בעוד שחלקיקים שנשארו ממלאים רווחים. הצוות הכין מלטים עם תכולות סיליקה ננו שונות ואז מדד את אלקליניות המשטח, ספיגת המים, עמידות להקפאה וכמה בקלות יוכלו יונים מזיקים כמו סולפט וכלוריד לחדור. דימות מיקרוסקופי, דיפרקציית קרני X ומדידות גודל הנקבוביות שימשו כדי לראות מה מתרחש בתוך החומר.

עמידה במים, מלח וקרח

בכל הבדיקות, המלטים המכילים סול סיליקה ננו הציגו ביצועים טובים משמעותית מהחומר הביקורת. הסיליקה הנוספת הורידה את אלקליניות המשטח, צמצמה את הספיגות הכוללת והקטינה את ספיגת המים בכפלי נימים, כלומר פחות מים יכולו לחדור פנימה. תחת מחזורי הקפאה–הפשרה חוזרים, תערובות עם תכולות סיליקה ננו גבוהות איבדו פחות מסה ושמרו על חוזק רב יותר, ומשטחיהן הראו הרבה פחות קילוף וסדקים. בהיחשפות למשך חודשים לתמיסות סודיום ומגנזיום סולפט — חומרים שמאיימים לעיתים קרובות על בטון בקרקע ומי ים — המלטים עם כ־8% סיליקה ננו סבלו מאובדן חוזק קטן בהרבה, עם הפחתה ניכרת בנזק הנגרם על ידי המגנזיום סולפט האגרסיבי יותר. במבחנים המדמים מחזורי הרטבה ויובש במי מלח וחדירה ישירה של כלורידים, המלטים העשירים בסיליקה ננו עמדו שוב טוב יותר בפני חדירת יונים, והראו עומקי חדירה וקצבי נדידה שצנחו ביותר מחצי לעומת הגרסה ללא טיפול.

מה משתנה בתוך החומר

הדימות והניתוחים המבניים חשפו מדוע מתרחשים השיפורים הללו. סול הסיליקה ננו יצר רשת פנימית צפופה יותר, כאשר נקבוביות גדולות ובינוניות רבות הומרו לנקבוביות ג'ל דקים יותר ופחות מהן יצרו דרכי רצף. המיקרו־מבנה המעודן הזה הקשה פיזית על מים ויונים אגרסיביים לנוע דרך המרטון. במקביל, הסיליקה המתווספת עידדה היווצרות ג'לים קושרים רחבים ויציבים יותר שקשרו את גרגירי הסלג לשלד תלת־ממדי. כמות הגבישים המתרחבים שגורמים לסדקים — כגון אתרינגיט, גיר, ברוסיט ומלחים הנושאים כלורידים — הייתה נמוכה יותר בתערובות עם סיליקה ננו, משום שפחות יונים יכלו לחדור ויותר מהם הוחזקו באופן לא מזיק על פני משטחי הג'לים והננו־חלקיקים.

מה המשמעות לבנייה בעתיד

בעבור הקורא שאינו מומחה, המסקנה היא שטיפות סיליקה זעירות ומפוזרות היטב יכולות להפוך מרטון דליל וסופג יחסית לחומר קשוח ודחוס יותר שמתמודד טוב יותר עם סביבות אגרסיביות. על ידי עיבוי רשת הנקבוביות וייצוב הג'ל הפנימי, סול סיליקה ננו מזורזת בבסיס אלקליין משפרת באופן חד את ההתכנסות למים, למלח ולהרס ההקפאה, כאשר תוספת של כ־8% סיפקה את התוצאות הטובות ביותר בעבודה זו. גישה זו מציעה מסלול מעשי וזול יותר לעבר מרטונים ובטונים עמידים וידידותיים יותר לסביבה למבנים ימיים, כבישים ותשתיות אחרות החשופות לתנאים אגרסיביים.

ציטוט: Zheng, X., Hu, Z., Liu, H. et al. Incorporating alkali-catalyzed nano-silica sol to enhance the durability of sodium carbonate-activated slag mortar in aggressive environments. npj Mater Degrad 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00763-2

מילות מפתח: סלג מופעל אלקליין, סול סיליקה ננו, עמידות בטון, התנגשות בסולפטים וכלורידים, בנייה דלת-פחמן