Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

تُعد الخرسانة أكثر مواد البناء استخداماً على وجه الأرض، وهي عبارة عن خليط من الرمل والماء ومسحوق رابط يسمى الإسمنت. فعندما يلتقي الماء بالإسمنت، يبدأ تفاعل كيميائي يحول الخليط اللين إلى مادة صلبة تشبه الحجر. هذه العملية، المعروفة باسم "الإماهة" (hydration)، تطلق حرارة. وفي المنشآت الضخمة مثل السدود أو قواعد ناطحات السبناط، يمكن لهذه الحرارة أن تتراكم لتصل إلى مستويات خطيرة، مما يتسبب في تشقق الخرسانة أثناء تبريدها. ولإدارة ذلك، غالباً ما يبحث المهندسون عن طرق لإبطاء التفاعل أو تقليل إجمالي الحرارة المتولدة. وفي الوقت نفسه، ينتج قطاع البناء كميات هائلة من النفايات، بما في ذلك الطوب المسحوق، والبلاط القديم، وقطع الخرسانة المهدمة. وبينما يتم في كثير من الأحيان إعادة تدوير القطع الكبيرة من هذا الحطام لتصبح حصى جديدة، فإن المسحوق الناعم والغباري الناتج عن السحق غالباً ما يتم التخلص منه. ويقوم الباحثون الآن بالتحقيق فيما إذا كان يمكن لهذا المسحوق الناعم الناتج عن النفايات أن يحل محل جزء من الإسمنت في الخرسانة الجديدة، محولين بذلك مشكلة التخلص من النفايات إلى مورد مفيد يساهم أيضاً في تبريد التفاعل الكيميائي.

لقد شرع فريق من العلماء في الجزائر في اختبار هذه الفكرة باستخدام ثلاثة أنواع محددة من نفايات البناء: مسحوق مصنوع من بلاط السيراميك المعاد تدويره، ومسحوق من الطوب المعاد تدويره، ومسحوق من الخرسانة المعاد تدويرها. قاموا بإنشاء سلسلة من خلطات المونة، وهي تشبه الخرسانة ولكنها تستخدم الرمل الناعم فقط. وفي تجاربهم، استبدلوا 10% و20% و30% من الإسمنت القياسي في كل خليط بأحد مساحيق النفايات هذه. ثم وضعوا هذه الخلطات في حاوية معزولة خاصة مصممة لقياس التغيرات في درجات الحرارة أثناء تصلب المواد. ومن خلال تتبع مقدار الحرارة المنبعثة وسرعة خروجها، تمكن الباحثون من رسم خريطة لدورة حياة التفاعل الكيميائي بأكملها منذ لحظة إضافة الماء.

أظهرت النتائج أن إضافة مساحيق النفايات هذه غيرت سلوك الإسمنت بشكل كبير. ففي كل حالة تم فيها استبدال الإسمنت، انخفض إجمالي كمية الحرارة المنبعثة على مدار خمسة أيام. وكلما زادت كمية المسحوق المضافة، قلّت الحرارة المنتجة. وعندما استبدلوا 30% من الإسمنت بمسحوق الخرسانة المعاد تدويره، كانت إجمالي الحرارة المنبعثة تبلغ حوالي 70% فقط مما تنتجه الخلطة القياسية. وهذا الانخفاض ذو قيمة خاصة في البناء في المناخات الحارة، حيث يمكن للحرارة المفرطة أن تضر بالهيكل قبل أن يتصلب تماماً. وبالإضافة إلى مجرد تقليل إجمالي الحرارة، أدت مساحيق النفايات أيضاً إلى إبطاء سرعة التفاعل. فقد تأخرت اللحظة التي بلغت فيها انبعاثات الحرارة ذروتها -وهي نقطة النشاط الكيميائي الأكثر كثافة- بمقدار ساعتين إلى ثلاث ساعات مقارنة بالإسمنت العادي. وهذا التأخير يمنح العمال مزيداً من الوقت لصب وتشكيل الخرسانة قبل أن تبدأ في التصلب.

كما درس الباحثون مراحل التفاعل الكيميائي عن كثب لفهم سبب حدوث هذه التغييرات. ووجدوا أن نوع مسحوق النفايات كان مهماً؛ إذ أدى مسحوق السيراميك المعاد تدويره، وهو دقيق جداً، إلى تقصير مرحلة النواة والنمو الأولية للتفاعل، بينما أدت مساحيق الطوب والخرسانة إلى إطالة هذه المرحلة. ومع ذلك، وبغض النظر عن نوع المسحوق، فقد تأخرت ذروة تدفق الحرارة بمقدار ساعتين إلى 3 ساعات لجميع الخلطات. وكشفت الدراسة أن التفاعل يتضمن تسلسلاً من الأحداث: أولاً، تتشكل بلورات جديدة وتنمو؛ ثم تتفاعل هذه البلورات مع حبيبات الإسمنت المتبقية؛ وأخيراً، يتباطأ التفاعل مع ضرورة انتقال الأيونات عبر المادة المتصلبة لتجد أماكن جديدة للتفاعل. وقد غيرت مساحيق النفايات توقيت هذه الخطوات؛ فعلى سبيل المثال، أدت مساحيق الطوب والخرسانة إلى إطالة مرحلة نمو البلورات الأولية، بينما جعل مسحوق السيراميك مرحلة الانتشار النهائية البطيئة أكثر هيمنة.

في الختام، تؤكد الدراسة أن هذه الأجزاء الناعمة من نفايات البناء ليست مجرد مواد مالئة خاملة، بل هي مكونات نشطة تغير كيفية سلوك الإسمنت. تمتلك مساحق النفايات خصائص تسمح لها بالمشاركة في عملية التصلب، مما يخلق مادة نشطة كيميائياً ولكنها تنتج حرارة أقل. وتشير النتائج إلى أن استخدام ما يصل إلى 30% من هذه المساحيق المعاد تدويرها يعد استراتيجية قابلة للتطبيق لإنشاء مواد بناء أكثر استدامة. ومن خلال تقليل الحرارة المتولدة أثناء البناء، يمكن لهذه الخلطات أن تساعد في منع التصدع في المنشآت الكبيرة، وفي الوقت ذاته، تحويل أطنان من النفايات بعيداً عن المكبات. وتوفر هذه الأبحاث صورة واضحة لكيفية عمل هذه المواد، مما يقدم مساراً عملياً لجعل صناعة البناء أكثر كفاءة وأقل ضرراً بالبيئة.