Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

ملخص تقني: تقييم أداء الخرسانة التي تشتمل على ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي ورماد الفحم السفلي

بيان المشكلة
تواجه صناعة البناء تحدياً مزدوجاً: البصمة البيئية العالية لتصنيع الإسمنت، الذي يساهم في انبعاثات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، والندرة المتزايدة وتكلفة الركام الناعم الطبيعي (رمل الأنهار). إن الاعتماد التقليدي على الإسمنت البورتلاندي العادي (OPC) والرمل الطبيعي غير مستدام بسبب استنزاف الموارد والأضرار البيئية الناجمة عن عمليات المحاجر والجرف. علاوة على ذلك، لا يزال التخلص من المنتجات الثانوية الصناعية مثل رماد الفحم السفلي (CBA) يمثل قضية في إدارة النفايات. وبينما تم استكشاف المواد الإسمنتية التكميلية (SCMs)، تبرز الحاجة إلى تحسين تصميمات الخلطات التي تستخدم في الوقت نفسه النفايات الصناعية كبديل للركام الناعم وتدمج المواد النانوية لتعزيز الخصائص البنيوية الدقيقة دون المساس بقابلية التشغيل أو المتانة طويلة الأمد.

المنهجية
ركزت الدراسة على خرسانة من رتبة M35، مصممة وفقاً لمعايير IS 10262:2009 وIS 456:2000. تضمن البرنامج التجريبي ثلاثة متغيرات رئيسية:

1. استبدال الركام الناعم: تم استبدال الركام الناعم الطبيعي جزئياً أو كلياً برماد الفحم السفلي (CBA) بزيادات تتراوح من 10% إلى 100%.
2. إضافة المواد النانوية: تمت إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي (NTi) إلى مصفوفة الإسمنت بجرعات متفاوتة (من 1% إلى 7% من الوزن) لتقييم تأثيره على الإماهة والبنية الدقيقة.
3. الخلطة الضابطة: استُخدمت خلطة تقليدية من رتبة M35 كمرجع للمقارنة.

وظفت البحث منهجية اختبار شاملة:

• الخصائص الطازجة: تم تقييم قابلية التشغيل عبر اختبارات مخروط الهبوط، ومعامل الدمك، وجدول التدفق.
• الخصائص الميكانيكية: تم قياس قوة الضغط عند 3، 7، 28، 56، و90 يوماً. كما تم تقييم مقاومة الشد الانشطاري ومقاومة الانحناء عند 28، 56، و90 يوماً.
• المتانة: تم اختبار مقاومة الهجوم الحمضي (الغمر في 5% HCl) عن طريق قياس فقدان الكتلة وانخفاض القوة بمرور الوقت. كما أُجريت اختبارات نفاذية الكلوريد السريع (RCPT) عند 90 يوماً لتقييم النفاذية.
• الاختبارات غير الإتلافية (NDT): استُخدمت اختبارات مطرقة الارتداد وقياسات سرعة النبض فوق الصوتي (UPV) لتقييم الجودة الداخلية والكثافة.
• التحليل البنيوي الدقيق: استُخدم حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحديد الأطوار البلورية، ونواتج الإماهة، وتحسين بنية المسام.

المساهمات والنتائج الرئيسية

• قابلية التشغيل: حافظ دمج 60% من رماد الفحم السفلي (CBA) مع 40% من الركام الناعم الطبيعي بشكل عام على قابلية تشغيل متوسطة. أدت إضافة NTi إلى تحسين قابلية التشغيل، حيث حققت جرعة 5% أعلى هبوط (128 ملم) وتدفق (93%)، مما صنفها ضمن قابلية التشغيل "العالية". ومع ذلك، فإن الجرعات التي تتجاوز 5% أظهرت عوائد متناقصة أو أداءً منخفضاً.
• القوة الميكانيكية:
  • استبدال CBA: تفوقت الخلطة التي تحتوي على 60% CBA و40% ركام ناعم طبيعي على الخلطة الضابطة. عند 90 يوماً، حققت هذه الخلطة قوة ضغط بلغت 47.1 نيوتن/مم² (مقارنة بـ 46.3 نيوتن/مم² للخلطة الضابطة)، بالإضافة إلى تحسن في مقاومة الشد الانشطري (3.04 نيوتن/مم²) ومقاومة الانحناء (3.54 نيوتن/مم²). أدى الاستبدال الكامل للركام الناعم بـ CBA إلى انخفاض القوة.
  • تحسين NTi: أدت إضافة 5% من NTi إلى خلطة الـ 60% CBA إلى تحقيق أفضل أداء ميكانيكي. حققت هذه التركيبة ذروة قوة ضغط بلغت 47.9 نيوتن/مم² عند 90 يوماً، متفوقة على كل من الخلطة الضابطة وخلطات CBA المعدلة فقط. الجرعات المنخفضة (1-2%) من NTi أدت في البداية إلى قوة أقل مقارنة بخلطة CBA وحدها.
• المتانة:
  • مقاومة الحمض: أظهرت خلطة 5% NTi مقاومة فائقة للتعرض لـ 5% HCl. عند 28 يوماً، أظهرت انخفاضاً في القوة بنسبة 12.07% فقط، وهو أقل بكثير من الخلطة الضابطة (27.01%) وخلطة 60% CBA (23.50%). وبينما زاد فقدان القوة بمرور الوقت، ظلت الخلطة المعدلة بـ NTi أكثر مقاومة من المتغيرات الأخرى عند 90 يوماً.
  • نفاذية الكلوريد: أشارت نتائج RCPT إلى أن خلطة 5% NTi كانت ذات أدنى نفاذية للكلوريد (379 كولوم)، والتي صُنفت على أنها "منخفضة جداً"، مقارنة بـ 756 كولوم لخلطة 60% CBA و886 كولوم للخلطة الضابطة.
  • نتائج الاختبارات غير الإتلافية (NDT): أكد اختبار UPV تعزيز جودة الخلطة المعدلة بـ NTi، حيث سجلت سرعة نبض قدرها 5.36 كم/ثانية ("ممتاز")، مقارنة بـ 3.85 كم/ثانية لخلطة CBA و3.66 كم/ثانية للخلطة الضابطة.
• الرؤى البنيوية الدقيقة:
  • تحليل XRD: تم تأكيد وجود NTi (طور الأناتاز). أظهرت خلطة 5% NTi انخفاضاً في قمم هيدروكسيد الكالسيوم (البورتلانديت) وتكثيفاً في منطقة سيليكات الكالسيوم المائية (C-S-H)، مما يشير إلى أن NTi عمل كموقع نووي، مما عزز إماهة أكثر كثافة.
  • تحليل SEM: كشفت الصور المجهرية أن الخلطة المعدلة بـ NTi تمتلك بنية مسامية منقحة مع تقليل الفراغات. عملت جزيئات CBA كأجزاء ركام دقيقة، حيث ملأت الفراغات، بينما عزز NTi المنطقة الانتقالية البينية، مما أدى إلى مصفوفة أكثر كثافة.

الأهمية والادعاءات
تخلص الورقة إلى أن الاستخدام التآزري لرماد الفحم السفلي كبديل مستدام للركام الناعم، مع إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم النانوي كعنصر محسن للأداء، يوفر مساراً قابلاً للتطبيق لتطوير خرسانة مستدامة. وتدعي الدراسة أن هذا المزيج المحدد من 60% CBA و5% NTi يمثل الحل الأمثل، حيث يوفر:

1. تعزيز الأداء الميكانيكي: قوة ضغط، وشد انشطري، وانحناء أعلى مقارنة بالخرسانة التقليدية.
2. تحسين المتانة: تقليل كبير في نفاذية الكلوريد وتحسين المقاومة للهجوم الحمضي، مما يشير إلى عمر خدمة أطول، خاصة في البيئات القاسية.
3. التحسين البنيوي الدقيق: مصفوفة أكثر كثافة مع تقليل المسامية ونواتج إماهة محسنة.
4. الجدوى العملية: حافظت الخلطات على قابلية التشغيل أو حسنتها، مما يشير إلى أن هذه التعديلات المستدامة لا تتطلب إجراءات مناولة معقدة في الموقع.

يضع المؤلفون هذا النهج ليس كحل سحري شامل، بل كمرشح قوي للتطبيقات التي تُعطى فيها الأولوية للسلامة الهيكلية طويلة الأمد والاستدامة البيئية. ويؤكد البحث أن النفايات الصناعية يمكن تثمينها بفعالية عند اقترانها بالمواد النانوية المتقدمة لمعالجة قيود الخرسانة التقليدية.