Experimental and Machine Learning-Based Performance Evaluation of Ambient-Cured Geopolymer Mortar Using Microstructural Characterisation and ABAQUS Numerical Analysis

ثورة الخرسانة الخضراء: قصة الرماد، والتحول الكيميائي، والذكاء الاصطناائي

تخيل صناعة البناء كوحش ضخم وجائع يلتهم موارد الكوكب. لأكثر من قرن، تغذى هذا الوحش على أسمنت بورتلاند، وهي مادة قوية للغاية ولكنها أيضاً ملوثة هائلة، حيث تطلق سحباً ضخمة من ثاني أكسيد الكربون في كل مرة يتم تصنيعها. بحث العلماء عن بديل "أخضر" لسنوات، ووجدوا مرشحاً رائعاً: الملاط الجيوبوليمري (geopolymer mortar). لا تنظر إليه باعتباره اختراعاً جديداً، بل باعتباره تحولاً سحرياً. فبدلاً من خبز الطين لصنع الأسمنت، يأخذ هذا النوع الجديد من المواد النفايات الصناعية - مثل الرماد المتبقي من حرق الفحم أو خبث صناعة الصلب - و"يوقظها" باستخدام حساء كيميائي خاص يسمى المنشط القلوي. الأمر يشبه أخذ بقايا طعام المصنع وتحويلها إلى طوبة فائقة القوة والمتانة دون البصمة الكربونية الثقيلة.

لكن الجزء الصعب هنا هو: جعل هذا "الغبار السحري" يعمل بشكل مثالي يشبه محاولة خبز كعكة مثالية بدون وصفة. عليك خلط أنواع مختلفة من النفايات (الذي يمثل "الدقيق")، واختيار الحساء الكيميائي المناسب (الذي يمثل "الخميرة")، وتحديد مدة تركه ليتفاعل (الذي يمثل "وقت الخبز"). إذا أخطأت في الخليط، ستكون النتيجة ضعيفة وهشة. وإذا أصبت، ستحصل على مادة أقوى من الخرسانة التقليدية وأكثر رفقاً بالكوكب. هذا هو اللغز الذي يحاول الباحثون حله: كيف نخلط هذه البقايا الصناعية لإنشاء أقوى مادة بناء يمكن الاعتماد عليها، وكل ذلك مع معالجتها في درجة حرارة الغرفة العادية بدلاً من فرن شديد الحرارة؟

التجربة: خلط الوصفة "الخضراء" المثالية

في هذه الدراسة، قرر الباحثان روشيكيث كارتودي وسوباش باتانكار لعب دور الكيميائيين المهرة. كان هدفهم هو إيجما الوصفة النهائية للملاط الجيوبوليمري الذي يمكن صنعه وتقسيته مباشرة في ورشة عمل عادية، دون الحاجة إلى حرارة مكلفة. لقد جمعوا أربعة أنواع مختلفة من "الدقيق" (المواد الأولية): الرماد المتطاير (Fly Ash - من محطات الفحم)، وخبث الأفران العالية المحبب والمطحون (GGBFS - من مصانع الصلب)، والميتاكاولين (مشتق من الطين)، وخبث الصلب. كما اختبروا "خمائر" مختلفة (المنشطات القلوية)، مع التركيز بشكل أساسست على المحاليل الكيميائية القائمة على الصوديوم والبوتاسيوم.

لم يكتفوا بالتخمين؛ بل أجروا سلسلة ضخمة من التجارب. أنشأوا عشرات الخلطات المختلفة، مع تغيير نسب المكونات. بعض الخلطات كانت 100% رماد متطاير، وبعضها 100% GGBFS، والعديد منها كانت هجينة، مثل تقسيم 50-50. صبوا هذه الخلطات في قوالب وتركوها في درجة حرارة الغرفة، وفحصوا قوتها بعد 7 و14 و28 يوماً. كما قاموا بقياس مدى "انسيابية" الملاط الرطب، لأنه إذا كان سميكاً جداً، فسيكون من الصعب صبه في الشقوق لأغراض الإصلاح.

الاكتشاف الكبير:
كانت النتائج واضحة. الخلطة المصنوعة بالكامل من 100% GGBFS كانت البطل بلا منازع. فبعد 28 يوماً، وصلت إلى قوة ضغط بلغت 68.51 ميجا باسكال، وهو رقم مرتفع للغاية لمادة تم معالجتها في درجة حرارة الغرفة. أما الوصيف فكان خليطاً هجيناً من 50% رماد متطاير و50% GGBFS، والذي حقق 61.44 ميجا باسكال. كان هذا الهجين يمثل "النقطة المثالية"، حيث قدم توازناً رائعاً بين القوة وقابلية التشغيل.

من ناحية أخرى، الخلطات التي تعتمد بشكل كبير على الميتاكاولين أو خبث الصلب لم يكن أداؤها جيداً في ظل ظروف درجة حرارة الغرفة هذه. كانت أضعف، مما يشير إلى أنه بدون كمية كافية من الكالسيوم (الذي يتوفر بكثرة في GGBFS) والنداء الكيميائي الصحيح، فإن هذه المواد لا تتصلب بفعالية. وجد الباحثون أيضاً أن الحساء الكيميائي القائم على الصوديوم (NaOH + Na2SiO3) يعمل بشكل أفضل بكثير من تلك القائمة على البوتاسيوم أو الكالسيوم لهذه المهمة المحددة.

الكرة البلورية: استخدام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بالمستقبل

إن صنع الخرسانة عملية مكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً. يجب عليك الخلط، والصب، والانتظار لأسابيع، ثم سحقها لترى ما إذا كانت قد نجحت. ولتسريع هذه العملية، لجأ الباحثون إلى كرة بلورية رقمية: التعلم الآلي (Machine Learning). لقد غذوا بيانات تجاربهم في أربعة نماذج من أدمغة الكمبيوتر: الشبكات العصبية الاصطناعية (ANN)، وانحدار العملية الغاوسية (GPR)، والغابة العشوائية (RF)، وآلة ناقلات الدعم (SVM).

تخيل هذه النماذج كأربعة طلاب يحاولون تخمين درجة الامتحان النهائي بناءً على مقدار الواجبات المنزلية التي أنجزوها. كان الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) هو الطالب المتفوق؛ فقد تعلم القواعد الكيميائية المعقدة وغير الخطية بشكل أفضل من غيره. توقع قوة الملاط بدقة مذهلة، مطابقة النتائج الواقعية بشكل شبه مثالي. كانت النماذج الأخرى جيدة، لكن ANN كان الأكثر موثوقية.

وللتأكد من أن الكمبيوتر لا يخمن فحسب، استخدم الباحثون أداة تسمى تحليل SHAP. هذا يشبه سؤال الكمبيوتر: "لماذا اعتقدت أن هذا الخليط سيكون قوياً؟". أشار الكمبيوتر بإصبعه إلى المكونات الأكثر أهمية: كمية GGBFS، وتركيز هيدروكسيد الصوديوم، وجرعة سيليكات الصوديوم. لقد أكد ما أظهرته التجارب: هذه هي مفاتيح المملكة.

المجهر واختبار الحرارة: النظر داخل الطوبة

لفهم لماذا كان خليط GGBFS قوياً جداً، نظر الباحثون إليه تحت المجهر وأخضعوه للحرارة.

• المجهر (SEM & XRD): عندما نظروا إلى خليط 100% GGBFS، رأوا مدينة كثيفة ومكتظة من الجل (Gel). كانت مليئة بغراء خاص يسمى C-(A)-S-H gel، والذي يتكون بسرعة بسبب ارتفاع نسبة الكالسيوم في الخبث. كانت الفتحات (المسام) قليلة جداً، والجسيمات ملتصقة ببعضها البعض بإحكام. في المقابل، كانت الخلطات الأضعف تحتوي على فجوات أكثر وغراء أقل.
• اختبار الحرارة (TGA-DTG): قاموا بتسخين العينات حتى 1000 درجة مئوية لرؤية مدى صمودها. كان خليط GGBFS صلباً جداً؛ فقد فقد وزناً قليلاً جداً مع ارتفاع الحرارة، مما يثبت أن بنيته الداخلية مستقرة ولا تتفكك بسهولة. وهذا يشير إلى أن هذه الطوب لن تكون قوية فحسب، بل ستكون مقاومة للحريق ومتينة بمرور الوقت.

الاختبار الإنشائي: إنقاذ عارضة متداعية

أخيراً، سأل الباحثون: "هل يمكن لهذا الشيء أن ينقذ مبنى بالفعل؟" استخدموا محاكاة حاسوبية قوية تسمى ABAQUS لنمذجة عارضة خرسانية كانت متصدعة وضعيفة. ثم قاموا بلف هذه العارضة بـ "سترة" مصنوعة من ملاط الجيوبوليمر الجديد وعززوها بطبقات من الشبكة السلكية سداسية الشكل (مثل شبك الدجاج).

اختبروا السترات ذات الطبقة الواحدة، والطبقتين، والثلاث طبقات من الشبك:

• العارضة الأصلية الضعيفة لم تستطع تحمل سوى 48 كيلو نيوتن من القوة قبل الانهيار.
• العارضة ذات سترة الجيوبوليمر المكونة من 3 طبقات استطاعت تحمل 74 كيلو نيوتن.
• هذا يمثل زيادة في القوة بنسبة 54.2%!

أظهرت المحاكاة أن سترة الجيوبوليمر تعمل مثل درع البطل الخارق؛ فهي تمنع انتشار الشقوق، وتمسك العارضة معاً، وتجعلها أكثر صلابة. وكلما زاد عدد طبقات الشبك، زاد أداء العارضة، حيث أظهرت النسخة ذات الـ 3 طبقات أقل قدر من الضرر وأقل قدر من الانحناء.

الحكم النهائي

ترسم هذه الأبحاث صورة واعدة جداً لمستقبل البناء. فهي تثبت أنه يمكننا أخذ النفايات الصناعية وتحويلها إلى مادة بناء عالية الأداء تكون أقوى من العديد من الأسمنت التقليدي، وكل ذلك دون الحاجة إلى فرن. خليط 100% GGBFS هو الأقوى، لكن خليط 50-50 (الرماد المتطاير/GGBFS) يعد بديلاً ممتازاً ومتوازناً.

كما أظهرت الدراسة أننا لسنا بحاجة للتخمين بشأن الوصفة بعد الآن؛ إذ يمكن لنماذج الكمبيوتر الذكية (خاصة ANN) التنبؤ بالنتائج بدقة عالية، مما يوفر الوقت والمال. ولعل الأهم من ذلك، أن هذه المادة الجديدة ليست مجرد فضول مخبري؛ بل هي أداة قوية لإصلاح وتقوية المباني القديمة والمتضررة، مما يجعل بنيتنا التحتية أكثر أماناً واستدامة. وبينما يشير الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من الاختبارات لمعرفة كيفية تعامل هذه المواد مع الطقس القاسي على مدى سنوات عديدة، إلا أن الأدلة المتاحة حتى الآن تشير إلى أن الملاط الجيوبوليمري يمثل قفزة هائلة نحو البناء الأخضر.