Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

تواجه الأرضيات الخرسانية في المصانع والمستودعات والأماكن العامة المزدحمة معركة مستمرة ضد التآكل. فكل خطوة قدم، وكل عربة متدحرجة، وكل إطار مركبة يطحن السطح، مما يؤدي ببطء إلى تجريد المادة وإضعاف البنية بمرور الوقت. ولبناء أرضيات تدوم طويلاً، يعتمد المهندسون على الإسمنت، وهو العامل الرابط الذي يمسك الخرسانة معاً. ومع ذلك، فإن إنتاج هذا الإسمنت يأتي بثمن باهظ: فمقابل كل طن من الإسمنت يتم إنتاجه، ينبعث ما يقرب من 0.85 طن من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مما يساهم بشكل كبير في تغير المناخ. وقد دفع هذا الواقع الباحثين للبحث عن طرق لاستبدال جزء من الإسمنت بنفايات صناعية، محولين مشكلة التلوث إلى حل إنشائي. وتأتي إحدى هذه النفايات من مصافي النفط، حيث تُستخدم جزيئات صغيرة تسمى "المحفزات" للمساعدة في تحويل النفط الخام إلى وقود. وبمجرد أن تؤدي هذه الجزيئات مهمتها، يتم التخلص منها كـ "محفز مستهلك". وتعد هذه الجزيئات غنية بالألومنيوم والسيليكا، وهي نفس المكونات الموجودة في الصخور والرمال التي تشكل الخرسانة، مما يشير إلى إمكانية فائدتها في حياة جديدة.

وضع فريق من الباحثين خطة لاختبار ما إذا كان يمكن خلط هذه الجزيئات المستبعدة من مصافي النفط في الخرسانة لإنشاء أرضيات أقوى وأكثر متانة تساعد أيضاً في حماية البيئة. وقد ركزوا على نوعين مختلفين من الخلطات الخرسانية؛ الأول كان خليط إسمنت قياسي، حيث تعمل جزيئات النفايات كحشو لاستبدال بعض الإسمنت. والثاني كان خليط "منشط قلوي"، وهو نوع أكثر تقدماً من الخرسانة يستخدم محلولاً كيميائياً لربط جزيئات النفايات معاً دون الحاجة إلى الإسمنت التقليدي على الإطلاق. أراد الباحثون معرفة كيف يؤثر حجم جزيئات النفايات ونوع الخليط على قدرة الخرسانة على مقاومة السحق، والانحناء، والجر المستمر الناتج عن الاحتكاك. كما هدفوا إلى وضع مجموعة من القواعد التي يمكن للمهندسين استخدامها للتنبؤ بمدى قوة الأرضية حتى قبل صب الخرسانة، بناءً ببساة على كمية النفايات المضافة ومدى نعومة الجزيئات.

بدأ الفريق بجمع موادهم: الإسمنت البورتلاندي القياسي، ورمل النهر، والماء، وجزيئات المحفز المستهلك من مصفاة في بولندا. وقاموا بفرز جزيئات المحفز بعناً إلى حجمين، أحدهما أنعم والآخر أخشن، لمعرفة ما إذا كان الحجم يشكل فرقاً. ثم أنشأوا سلسلة من دفعات الاختبار؛ حيث استبدلت بعض الدفعات ما يصل إلى 20 بالمائة من الإسمنت بجزيئات النفايات، بينما استخدمت دفعات أخرى الجزيئات كمكون رئيسي في الخليط المنشط قلويًا. ولضمان قابلية الخلط للتشغيل، أضافوا مادة ملينة سائلة للمساعدة في تدفق الخرسانة الرطبة بسهء داخل القوالب. وبعد أن تصلدت الخرسانة، أخضع الباحثون العينات لسلسلة صارمة من الاختبارات؛ حيث قاموا بسحق مكعبات المادة لقياس قوة الضغط، وثني عوارض طويلة لاختبار قوة الانحناء، واستخدموا آلة متخصصة تقوم بحك عجلة كاشطة ثقيلة على السطح لقياس مقدار الوزن الذي تفقده المادة بمرور الوقت. ويعد اختبار التآكل هذا حاسماً لأنه يحاكي سنوات من حركة المشاة وارتفاع حركة المركبات في غضون ساعات قليلة.

كشفت النتائج عن انقسام واضح في الأداء اعتماداً على نوع الخرسانة المستخدمة. ففي خلطات الإسمنت القياسية، كان إضافة جزيئات النفايات يعمل بشكل ممتاز؛ فعندما استبدل الباحثون 20 بالمائة من الإسمنت بالمحفز المستهلك، أصبحت الخرسانة الناتجة أقوى وأكثر مقاومة للتآكل. حقق الخليط ذو الجزيئات الأكثر نعومة قوة ضغط بلغت 52 ميجاباسكال وقوة انحناء بلغت 8 ميجاباسكال، كما أظهر تحسناً بنسبة 18 بالمائة في مقاومة التآكل مقار بالمنافسة بالإسمنت الصافي. فقد عملت جزيئات النفايات مثل الإسفنج، حيث امتصت الماء وتفاعلت مع الإسمنت لملء الفجوات الصغيرة، مما خلق مادة أكثر كثافة وصلابة. ومع ذلك، كانت القصة مختلفة بالنسبة للخلطات المنشطة قلويًا؛ ففي هذه الخلطات، لم تتفاعل جزيئات النفايات بشكل كامل مع الرابط الكيميائي، وكانت المادة الناتجة أضعف بكثير وعانت من تآكل أعلى بكثير، حيث فقدت وزناً بمعدل تسعة أضعاف خلطات الإسمنت بعد 28 يوماً. ووجد الباحثون أن عملية التنشيط الكيميائي كانت غير مكتملة، مما ترك العديد من جزيئات النفايات غير متفاعلة وممسوكة بشكل فضفاض داخل البنية، مما جعل السطح يتفتت بسهء تحت تأثير الاحتكاك.

ولفهم هذه النتائج المعقدة، طور الباحثون مجموعة من النماذج الرياضية التي يمكنها التنبؤ بأداء الخرسة دون الحاجة إلى إجراء كل اختبار على حدة. ولم تكن هذه النماذج مجرد تخمينات عشوائية، بل بُنيت على مبادئ فيزيائية تربط بين كمية النفية المضافة، وحجم الجزيئات، ونوع الرابط، وعمر الخرسانة، وبين قوتها النهائية ومتانتها. وقد أثبتت النماذج دقة عالية، حيث تنبأت بقوة الضغط، وقوة الانحناء، وفقدان التآكل بهامش خطأ يقل عن 7 بالمائ %؛ وهذا يعني أنه إذا عرف المهندس الخليط المحدد الذي يخطط له، فيمكنه استخدام هذه الصيغ للتنبؤ بثقة بكيفية أداء الأرضية تحت حركة المرور الكثيفة. وأكدت النماذج أنه بالنسبة للإسمنت القياسي، كان إضافة النفايات بمثابة فوز مزدوج، حيث عزز القوة والمتانة. أما بالنسبة للخلطات المنشطة قلويًا، فقد أوضحت النماذج أن الوصفات الكيميائية الحالية ليست جاهزة بعد للاستفادة الكاملة من هذه النفايات، حيث ظلت الجزيئات خاملة للغاية بحيث لا توفر قوة الربط اللازمة.

تخلص الدراسة إلى أن استخدام نفايات مصفاة النفط في الخرسانة هو مسار قابل للتطبيق، ولكن الأمر يتطلب النهج الصحيح. إن استبدال جزء من الإسمنت بهذه الجزيئات يخلق مادة عالية الأداء تكون أكثر صلابة ضد التآكل وتخفض البصمة الكربونية للبناء. ويقدر الباحثون أن استبدال 20 بالمائة من الإسمنت يمكن أن يقلل من انبعاثات الكربون بنحو 170 كيلوغراماً لكل طن من المادة الرابطة. ومع ذلك، لا يتحقق هذا الفضل إلا عندما تُستخدم النفايات في خلطات الإسمنت التقليدية، حيث تعمل كحشو تفاعلي. أما في الأنظمة التجريبية المنشطة قلويًا، فإن التكنولوجيا ليست ناضجة بما يكفي للتعامل مع هذه النفايات تحديداً بشكل فعال. ويوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لصناعة البناء: فمن خلال الاختيار الدقيق لنوع الخرسانة وحجم جزيئات النفايات، يمكن للبنائين إنشاء أرضيات ليست أكثر استدامة فحسب، بل هي أيضاً أطول عمراً، محولين بذلك منتجاً صناعياً ثانوياً إلى أساس للمستقبل.