Strength Properties of High-Performance Concrete with Green Banana (Musa acuminata, AAA Group) Peel Ash as Partial Cement Replacement

معضلة الخرسانة: مشكلة لزجة مع حل أخضر

تخيل عالم البناء كأنه مطبخ ضخم وصاخب حيث يحاول الجميع خبز الكعكة المثالية والأكثر قوة. لعقود من الزمن، كان المكون الرئيسي في هذه الوصفة هو الإسمنت. إنه الغراء الذي يربط مدننا ببعضها، محولاً الرمل والصخور إلى ناطحات سحاب وجسور وطرق. لكن هناك مشكلة: صنع الإسمنت يشبه تشغيل فرن ضخم ينفث الكربون؛ فهو مسؤول عن جزء كبير من تلوث العالم، وأصبح من الصعب تجاهل التكلفة البيئية لغاباتنا الخرسانية.

إليك مفهوم "الخرسانة عالية الأداء" (HPC). لا تفكر في هذا كمادة خرسانية عادية، بل كنسخة "الرياضي الخارق" من المادة. لقد صُممت لتكون قوية للغاية، ومتينة، ومقاومة للعوامل الجوية، مما يجعلها مثالية للمنشآت شديدة التحمل في المستقبل. ولجعل هذه المادة بهذه القوة، يخلط المهندسون عادةً "إضافات معدنية" خاصة—وهي مكونات سرية مثل الرماد المتطاير أو غبار السيليكا التي تملأ الفجوات الصغيرة وتجعل الخرسانة أكثر كثافة. ولكن ماذا لو استطعنا العثور على مكون سري ليس مفيداً للكوكب فحسب، بل هو أيضاً منتج من مخلفات نلقيها بالفعل؟ هذا هو السؤال الذي تطرحه هذه الدراسة: هل يمكننا تحويل قطعة من نفايات المطبخ الشائعة إلى مكون خارق لأقوى مبانينا؟

تحويل النفايات إلى كنوز: تجربة قشر الموز

في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين من جامعة كمبالا الدولية اختبار منتج نفايات محلي محدد للغاية: قشور الموز الأخضر. في أماكن مثل أوغندا، يعتبر هذا الموز (المعروف محلياً باسم "ماتوكي") غذاءً أساسياً، لكن القشور غالباً ما تنتهي كقمامة، حيث تتعفن وتطلق غازات. تساءل الباحثون: إذا أحرقنا هذه القشور وحولناها إلى مسحوق رمادي ناعم (رماد)، فهل يمكن لهذا المسحوق أن يحل محل بعض الإسمنت في الخرسانة عالية الأداء؟

لمعرفة ذلك، عامل الباحثون قشور الموز كأنها تجربة علمية في مطبخ. قاموا بجمع القشور الخضراء، وتجفيفها، ثم حرقها في درجة حرارة عالية ومتحكم بها بلغت 800 درجة مئوية. أدى ذلك إلى تحويل القشور إلى رماد ناعم، والذي قاموا بعد ذلك بطحنه ونخله للتأكد من أنه ناعم مثل الدقيق. قاموا بتحليل "رماد قشر الموز الأخضر" (GBPA) لمعرفة مكوناته، ووجدوا أنه غني بالسيليكا والألومينا، وهي نفس المواد الكيميائية الموجودة في الإضافات الخرسانية الشهيرة الأخرى، مما يشير إلى امتلاكه "قدرات بوزولانية". وباللغة البسيطة، يعني هذا أن الرماد يمكنه التفاعل مع الماء والإسمنت لتكوين غراء فائق القوة بمرور الوقت.

الوصفة والسباق

أقام الفريق سباقاً لمعرفة مقدار رماد الموز الذي يمكنهم استبداله في وصفة الخرسانة دون إفساد "الكعكة". صنعوا خمس خلطات مختلفة من الخرسانة عالية الأداء:

1. المجموعة الضابطة: 100% إسمنت، 0% رماد موز.
2. خلطة الـ 5%: استبدال 5% من الإسمنت برماد الموز.
3. خلطة الـ 10%: استبدال 10%.
4. خلطة الـ 15%: استبدال 15%.
5. خلطة الـ 20%: استبدال 20%.

حافظوا على كل شيء آخر كما هو تماماً—كمية الماء والرمل والصخور—ليتأكدوا من أن أي تغييرات في القوة تعود إلى رماد الموز. صبوا هذه الخلطات في قوالب وانتظروا، واختبروها عند 7 أيام، و14 يوماً، وأخيراً عند 28 يوماً، وهو الوقت القياسي لمعرفة مدى قوة الخرسانة.

النتائج: "النقطة المثالية" صغيرة

كانت النتائج أشبه برحلة في "الأفعوانية" (المنحدرات المتذبذبة). عندما اختبروا خلطة الـ 5% من رماد الموز، كانت النتيجة واعدة ولكنها دقيقة. فبينما أظهرت الخلطة زيادة طفيفة في القوة عند 28 يوماً، لتصل إلى 69.08 ميجا باسكال مقارنة بـ 67.06 ميجا باسكال للمجموعة الضابطة، لاحظ الباحثون أن هذا الأداء كان "مماثلاً" للمجموعة الضابطة بدلاً من كونه قفزة هائلة. في الواقع، سلطت الدراسة الضوء على أن خلطة الـ 5% كانت في الواقع أقل قوة في المراحل المبكرة (7 أيام) مقارنة بالمجموعة الضابطة، ولم تلحق بها وتتجاوزها قليلاً إلا لاحقاً مع استغراق التفاعل البوزولاني وقتاً ليتطور. في النهاية، أظهرت خلطة الـ 5% خصائص ميكانيكية "مرضية"، مما أثبت قدرتها على مضاهاة قوة الإسمنت النقي دون حدوث انخفاض كبير.

ومع ذلك، تغيرت القصة عند إضافة المزيد من رماد الموز. بمجرد رفع نسبة الاستبدال إلى 10%، بدأت القوة في الانخفاض، لتصل إلى 60.167 ميجا باسكال. وعندما وصلوا إلى 15%، انهارت القوة لتصل إلى 39.55 ميجا باسكال، وعند 20%، انخفضت إلى 33.314 ميجا باسكال. يبدو أنه بينما يعد القليل من رماد الموز مكوناً صالحاً للاستخدام، فإن الكثير منه يضعف الهيكل، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أنه لا يربط الصخور ببعضها البعض بنفس كفاءة الإسمنت.

حدث نفس الاتجاه مع مقاومة الشد بالانقسام (مدى قدرة الخرسانة على مقاومة التمزق عند السحب). حققت خلطة الـ 5% أداءً جيداً، حيث وصلت إلى 5.22 ميجا باسكال، وهي نسبة مماثلة لخلطة المجموعة الضابطة التي بلغت 5.01 ميجا باسكال، بينما عانت خلطة الـ 20% عند 2.20 ميجا باسكال فقط.

المتانة: منع تسلل الماء

الخرسانة لا تتعلق بالقوة فحسب؛ بل تتعلق أيضاً بمنع تسلل الماء، الذي قد يسبب الصدأ والشقوق بمرور الوقت. اختبر الفريق كمية الماء التي تمتصها الخرسانة. كانت خلطة الـ 5% من الموز ممتازة في منع دخول الماء، حيث امتصت 1.07% فقط من وزنها، وهو ما يماثل خلطة المجموعة الضابطة التي بلغت 1.1%. ولكن مع إضافة المزيد من رماد الموز، أصبحت الخرسانة أكثر مسامية، مثل الإسفنج. فقد امتصت خلطة الـ 20% ما يعادل 1.47% من وزنها، مما يعني أنها أصبحت أكثر عرضة للتلف الناتج عن الرطوبة.

الحكم النهائي

إذاً، ما هي الخلاصة؟ تشير الدراسة إلى أن رماد قشر الموز الأخضر هو مكون واعد وصديق للبيئة للخرسانة عالية الأداء، ولكن فقط إذا استخدمته بحذر. استبدال 5% فقط من الإسمنت بهذا الرماد يبدو أنه هو "النقطة المثالية". فهو يجعل الخرسانة تؤدي وظيفتها تماماً مثل الخرسانة العادية على المدى الطويل، محتفظة بقوة مرضية وتمنع دخول الماء بفعالية، كل ذلك مع تحويل كومة من نفايات المطبخ إلى مادة بناء.

ومع ذلك، يحذر الباحثون من أن تجاوز نسبة 5% يعد فكرة سيئة لهذه الخلطات تحديداً؛ حيث تنخفض القوة والمتانة بشكل حاد. ويخلصون إلى أنه بينما تعد هذه خطوة رائعة نحو البناء المستدام، إلا أننا بحاجة إلى الدقة. إنه ليس حلاً سحرياً يمكنه استبدال كل الإسمنت، ولكنه أداة قوية لجعل خرسانتنا أكثر اخضراراً وقوة، بشرط ألا نبالغ في استخدامه. تقترح الورقة البحثية أنه مع الكمية الصحيحة، يمكننا بناء مستقبل أفضل دون التخلص من موزنا.