יחס LS/CS והקשר לביצועים בבטונים היברידיים מופעלים על‑ידי DG

הפיכת פסולת תעשייתית לבטון חזק וידידותי יותר לסביבה

הרים של פסולת ממטפי מתכת—חומרים כמו שאריות ליתיום ושאריות נחושת—מצטברים ברחבי העולם ומאיימים על הקרקע, המים ואיכות האוויר. מחקר זה בוחן דרך להפוך תוצרי לוואי אלה לרכיבים שימושיים בבטון, לצמצם פסולת ולהקטין את טביעת הרגל הסביבתית של הבנייה מבלי לוותר על חוזק. על‑ידי כיוונון מדויק של היחסים בין השאריות ועירוי עדין באמצעות תוסף מתון, מראים החוקרים כי ניתן להשיג בטון שיהיה גם ירוק יותר וגם חזק דיו לשימוש מעשי.

למה הפסולת הזו הופכת לבעיה גדלה

ייצור ליתיום לסוללות ונחושת לכבלי חשמל מייצר כמויות עצומות של שאריות לכל טון מתכת יקרה. שארית הליתיום עשירה בסיליקה ואלומינה, בעוד ששארית הנחושת מכילה הרבה ברזל וסיליקה אבל מעט סיד. לבדן, חומרים אלה מגיבים לאט במערכת המלט וקשיים בשימוש יעיל בהם. במקביל, מלט פורטלנד רגיל—עמוד השדרה של הבנייה המודרנית—אחראי לחלק גדול מפליטות הפחמן התעשייתיות. מציאת דרך לשלב שאריות אלה במלט ולקדם את התקשחותן ללא חומרים כימיים קשים יכולה להקל על הלחץ הסביבתי הן בתעשיית המתכת והן בתעשיית המלט.

דחיפה עדינה במקום חומרים אלקליים קשים

הצוות עיצב קשר היברידי שבו 30 אחוז מהמלט מוחלפים בתערובת של שארית ליתיום ושארית נחושת, בעוד שמנה קטנה של גבס מנוך—תוצר לוואי מניקוי גזי פליטה בתחנות כוח—פועלת כמפעיל מתון. במקום שימוש בבסיסים חזקים, שיכולים להיות מאכלים ויקרים, הם מסתמכים על סביבה דלת‑אלקליות ועשירה בסולפט כדי לגרום לאבקות הפסולת להגיב. שארית הליתיום טחונה לעדין מאוד על ידי רטט רטוב, מה שיוצר חלקיקים זעירים שיכולים לפעול כגרעינים לצמיחת גבישים חדשים. שארית הנחושת, עם גרגירים גדולים יותר ופינות חדות יותר, מסייעת במילוי החללים ותורמת רכיבים עשירי ברזל שמצטרפים אחר כך לרשת המתקשה.

מציאת נקודת האיזון בתערובת

כדי לבדוק כיצד שינוי במתכון משפיע על הביצועים, החוקרים הכינו מספר משחות ומרגנים עם יחסים שונים של ליתיום‑לנחושת, כולם באותו שיעור החלפה כולל. הם מדדו כמה נוזלים התערובות הטריות, כמה חזקות הן הופכות בעוד 3, 7 ו‑28 ימים, ואיזה סוגי גבישים וג׳לים נוצרו בתוכן. הם גם השתמשו בכלים כגון פיזור קרני רנטגן, ספקטרוסקופיית תת‑אדום, מיקרוסקופ אלקטרוני ובדיקות חדירת כספית כדי לבחון את המבנה הפנימי ומערכת הנקבוביות. תערובת אחת בלטה במיוחד—שכללה 20 אחוז שארית נחושת ו‑10 אחוז שארית ליתיום. לאחר 28 יום, חוזק הלחיצה שלה הגיע ליותר מ‑95 אחוז מהמלט הרגיל, וחוזק הכיפוף שלה היה גבוה באופן ברור מהתערובות שכללו סוג שארית יחיד.

איך השאריות פועלות יחד

הנתונים מראים ששאריות הליתיום והנחושת מבצעות יחד יותר ממה שכל אחת מהן יכולה להשיג בנפרד. שארית הליתיום צורכת הידרוקסיד סידן, תוצר לוואי של הידרציה של המלט, ובעשותה כן עוזרת ליצירת גלים נוספים של חומר קושר העשירים בסיליקה ואלומינה. גלים אלה גם מקדמים המשך תגובה של מינרלים בתוך שארית הנחושת, כולל שלבים נשאי ברזל שמתפרקים לאט ומצטרפים לרשת המתקשה. בו בזמן, גדלי החלקיקים השונים של המלט, שארית הליתיום המעודנת ושארית הנחושת הגסה מאפשרים דחיסה צפופה יותר ומשאירים פחות מקום ריק. מדידות הנקבוביות מגלות שהתערובת המותאמת מעברה את החומר לכיוון נקבוביות קטנות יותר ופחות מזיקות ומיקרו‑מבנה צפוף ומורכב יותר, הקשור קשר הדוק לשיפור בחוזק ועמידות.

מה משמעות הדבר לבניינים בעתיד

באופן פשוט, המחקר מראה שתערובות מאוזנות של שארית ליתיום ושארית נחושת, מפועלות בעדינות באמצעות גבס מנוך, יכולות להחליף חלק משמעותי מהמלט המסורתי ועדיין לספק חומרי בנייה חזקים ודחוסים. התערובת הטובה ביותר כמעט משווה את המלט הסטנדרטי מבחינת חוזק, משפרת את הצפיפות הפנימית והופכת פסולת תעשייתית מטרידה למשאב. אמנם נשארים שאלות לגבי התנהגות לטווח הארוך מאוד ועמידות בסביבות קשות, עבודה זו מצביעה על מסלול מעשי לבטון בר‑קיימא יותר שעושה שימוש חכם במה שהתעשייה זורקת כיום.

ציטוט: Xiang, B., Zhang, Z., Yang, G. et al. The LS/CS ratio-performance relationship in DG-activated hybrid cements. Sci Rep 16, 8865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38577-6

מילות מפתח: בטון ירוק, מחזור פסולת תעשייתית, שארית ליתיום, שארית נחושת, בטון בר קיימא