השפעת תכולת CaO באפר מעופף מסוג Class C על תכונות העיוות של בטון מדורג-מלא

הפיכת פסולת תחנת הכוח לסכרים חזקים יותר

סכרים מודרניים ומבני בטון עצומים אחרים צורכים כמויות עצומות של חומרים. במקביל, תחנות כוח פחמיות מייצרות הרים של אפר מעופף, אבקה אפורה דקה שבדרך כלל נתפסת כפסולת. מחקר זה בוחן האם צורה עשירה בסידן של אפר מעופף יכולה להחליף בצורה בטוחה חלק מהמלט בבטון לסכרים גדולים, ולסייע בהפחתת עלויות והשפעה סביבתית, תוך שמירה על עמידות המבנים בפני סדיקה לאורך עשורים של שימוש.

מדוע אפר זה חשוב למבני בטון גדולים

אפר מעופף נוצר כאשר פחם נשרף וחלקיקים מינרליים ממוזגים לכדורים זגוגיים זעירים. מהנדסים כבר משתמשים בסוג שכיח אחד, הידוע כאפר מעופף מסוג Class F, כדי לשפר בטון ולהפחית שימוש במלט. באזורים מסוימים בסין כמו שינג’יאנג, עם זאת, מרבית האפר הזמין עשיר בסידן. אפר מסוג Class C זה מתנהג אחרת: תוספת הסידן יכולה להגביר את תגובתו עם המלט, אך גם להסתיר צורות לא יציבות של סיד שעשויות לגרום לנפיחות או לסדיקה של הבטון לאורך זמן. כדי לנצל נכונה משאב מקומי זה בפרויקטים גדולים של סכרים, יש להבין בפירוט את השפעתו על התמתחות, התכווצות ויציבות הבטון.

איך הצוות בדק את הבטון

חוקרי האקדמיה אספו אפר מעופף ממספר תחנות כוח עם תכולות חמצן סידן (CaO) שנעו מתחת לממוצע ועד כ-16.5 אחוז, ומדדו גם כמה מהסידן הזה נמצא בצורת "חופשית" תגובתי במיוחד. הם ערבבו את האפרים הללו לשני סוגי בטון לסכרים: אחד עם ארבעה גדלים של אבנים וחצץ, ואחד עם שלושה גדלים. התערובות המדורגות-מלאות הללו נועדו לארוז את חלקיקי השלד באופן צפוף, דבר שחשוב להפחתת חללים פנימיים וסדקים. הצוות ערך סדרת ניסויי מעבדה כדי לעקוב אחר יציבות נפחית (soundness), מרחק ההתמתחות עד לסדיקה (ultimate tensile strain), קשיחות (מודול אלסטי), שינוי נפח טבעי ללא ייבוש (deformation autogenous), ושינוי נפח בזמן ייבוש (drying shrinkage).

מה למדו על יציבות וסדיקה

חשש מרכזי היה האם תכולת סידן גבוהה יותר תגרום להתרחבות לא יציבה. המחקר מצא שכאשר לאפר מעופף מסוג Class C יש תכולת CaO בטווח של כ-5.1 עד 16.5 אחוזים, ואפילו כאשר הוא מחליף עד 70 אחוז מהמלט, הבטון עדיין עומד בגבולות הסטנדרטיים ל־soundness. בניסויים מכניים, בטון עם יותר CaO באפר הראה קיבולת מתח מתיחה מעט גבוהה יותר ומודול אלסטי גבוה יותר, כלומר הוא הפך במעט טוב יותר בהתנגדות לסדיקה ובאותו הזמן מעט יותר נוקשה. במקביל, שינוי הנפח האוטוגני שנגרם על ידי תגובת המלט והאפר נטה להפוך ליותר בכיוון ההתכווצות ככל שתכולת ה-CaO עלתה, במיוחד בבטון עם ארבעה גדלים של אבנים. למרות מגמות אלה, ההשפעה הכוללת של רמת ה-CaO על התכונות העיוותיות נותרה מתונה.

מדוע דירוג שלד החצץ עושה הבדל

ההשוואה בין בטון מדורג בארבעה גדלים לבין בטון מדורג בשלושה גילתה כי אופן גודל ותמהיל האבנים יכול להשפיע לא פחות מהרכב האפר. תערובות המדורגות בארבעה גדלים, עם טווח רחב יותר של גדלי חלקיקים, ספגו מתח מתיחה גבוה יותר לפני סדיקה והראו התכווצות ייבוש מעט קטנה יותר מאשר התערובות המדורגות בשלושה. הקשיחות שלהן השתנתה ביתר יציבות לאורך זמן, מה שמרמז על מבנה פנימי יציב יותר. לגבי שינוי נפח אוטוגני, עם זאת, הבטון המדורג בארבעה גדלים הצטמצם במעט יותר מהגרסה המדורגת בשלושה, במיוחד כאשר תכולת ה-CaO באפר הייתה גבוהה יותר. תמונות מיקרוסקופיות איששו שאפרים עשירי סידן יכולים לייצר מוצרי תגובה צפופים יותר אך גם ליצור פגמים זעירים סביב חלקיקים שלא הגיבו אם תכולת הסידן גבוהה מדי.

מה משמעות הדבר עבור סכרים בעתיד

בעבור קוראים שאינם מומחים, המסר העיקרי מהמחקר מרגיע: בטווח סידן מוגדר היטב, אפר מקומי מסוג Class C שנחקר כאן יכול להחליף בצורה בטוחה חלק גדול מהמלט בבטון לסכרים מבלי לגרום להתרחבות מסוכנת או לסדיקה מוגזמת. בחירת רמות CaO בקפידה, בשילוב דירוג שלד מתוכנן היטב, מאפשרת למהנדסים לבנות מבנים עצומים ויציבים תוך ניצול טוב יותר של תוצרי תעשייה והפחתת הביקוש במלט חדש. העבודה מדגישה גם את הצורך בניסויים נוספים בתנאי טמפרטורה, לחות ועומס ריאליסטיים יותר, אך מצביעה לכיוון עתיד שבו מה שהיה פעם פסולת פחמית הופך לחומר אמין בתשתיות הידראוליות ארוכות-טווח.

ציטוט: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

מילות מפתח: בטון מאפר מעופף, בניית סכרים, התכווצות וסדיקה, החלפת מלט, פסולת תעשייתית עשירה בסידן