Influence of recycled fine aggregate particle size on wet carbonation for producing sustainable aggregate from construction waste
تُظهر هذه الدراسة أن الكربنة الرطبة للركام الناعم المعاد تدويره (RFA) تعتمد بشكل كبير على حجم الجسيمات، حيث تحقق الأجزاء الأخشن (>1.18 مم) تحسيناً فائقاً في المسامية وتكراراً منتظماً للكربنة نتيجة لبطء ترشيح الأيونات، بينما تعاني الأجزاء الأنعم من التخميل السطحي وزيادة المسامية، مما يؤدي في النهاية إلى تحسن بنسبة 25.1% في مقاومة الضغط للملاط عند استخدام الركام المعاد تدويره المكرتن والمدمج.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
كلما نمت مدينة أو هُدم جسر قديم، تترك خلفها جبالاً من الخرسانة المحطمة. لعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية للتعامل مع هذا الحطام هي سحقه واستخدامه كبديل للرمل والحصى الطبيعي الموجود في مجاري الأنهار. هذه المادة المعاد تدويرها هي مورد حيوي لبناء مستقبل مستدام، لكنها تأتي مع عيب؛ فالقطع المحطمة غالباً ما تكون مغلفة بطبقة خشنة ومسامية من عجينة الإسمنت القديمة التي تجعلها ضعيفة وعطشة للماء. ولإصلاح ذلك، طور العلماء عملية تسمى "الكربنة الرطبة". وببساطتة، يتضمن ذلك نقع الخرسانة المسحوقة في الماء وتمرير غاز ثاني أكسيد الكربون عبر الخليط. يتفاعل الغاز مع الكالسيوم الموجود في الإسمنت القديم لتكوين معدن جديد صلب يمكنه ملء الفجوات وتقوية المادة. إنها طريقة ذكية لتحويل النفايات إلى لبنة بناء أفضل مع حبس ثاني أكسيد الكربون من الهواء في الوقت نفسه.
ومع ذلك، تشير دراسة جديدة من باحثين في جامعة "سنترال ساوث" إلى أن هذه العملية لا تعمل بنفس الطريقة لكل قطعة من الحطام. فقد اكتشف الفريق أن حجم الجزيئات المسحوقة هو العامل الحاسم في تحديد ما إذا كان العلاج سيساعد أم سيضر. ووجدوا أن هذه الطريقة تعمل مثل سلاح ذي حدين: فهي تقوي القطع الكبيرة من الرمل المعاد تدويره بينما تضعف الحبيبات الأكثر نعومة في آن واحد. يتحدى هذا الاكتشاف الافتراض الشائع بأن جميع الخرسانة المعاد تدويرها تستفيد بالتساوي من الكربنة، ويكشف أن حجم الجزيئات هو ما يحدد معركة كيميائية معقدة تحدث داخل الماء.
ولكشف هذه الديناميكية الخفية، أخذ الباحثون دفعة من الركام الناعم المعاد تدويره، وهو في الأساس رمل الخرسانة المسحوق، وصنفوه إلى خمس مجموعات حجمية متميزة. ثم عالجوا كل مجموعة على حدة، عن طريق تمرير ثاني أكسيد الكربون عبر خليط الماء والرمل لمدة ساعة واحدة. ومن خلال إبقاء أحجام الجزيئات منفصلة، تمكنوا من مراقبة كيفية تطور التفاعلات الكيميائية بدقة في الغبار الناعم مقابل الحبيبات الخشنة. وقاسوا حموضة الماء، وتتبعوا إطلاق المعادن، وفحصوا التغيرات الفيزيائية لحبيبات الرمل باستخدام مجاهر قوية وأدوات تحليل كيميائي.
أظهرت النتائج انقساماً حاداً عند عتبة حجم محددة تبلغ 1.18 ملم. فبالنسبة للحبيبات الأكبر، كانت العملية ناجحة؛ ولأن هذه الجزيئات أكبر، فإن مساحة سطحها أقل بالنسبة لحجمها، مما يعني أن التفاعل الكيميائي حدث ببطء أكبر. سمحت هذه الوتيرة البطيئة لثاني أكسيد الكربون بالتغلغل عميقاً في مسام الرمل قبل أن تتكون قشرة صلبة على السطح الخارجي. ونتيجة لذلك، تشكل المعدن الجديد داخل الثقوب، مما أدى إلى سدها وجعل الحبيبات أكثر كثافة وقوة. وانخفض امتصاص الماء لهذه الحبيبات الكبيرة، وتحسنت قدرتها على مقاومة السحق بشكل ملحوظ.
في المقابل، واجهت الحبيبات الأكثر نعومة، وهي تلك الأصغر من 1.18 ملم، مصيراً مختلفاً. فهذه الجزيئات المتناهية الصغر تمتلك مساحة سطح هائلة، مما تسبب في إطلاق معادنها الداخلية في الماء بسرعة كبيرة. أدى هذا الإطلاق السريع إلى تفاعل فوري على سطح الحبيبات، مما خلق طبقة معدنية سميكة وصلبة بشكل شبه فوري. ورغم أن هذا يبدو مفيداً، إلا أنه خلق حاجزاً؛ حيث منعت هذه القشرة السطحية ثاني أكسيد الكربون من الوصول إلى داخل الحبيبات. وفي الوقت نفسه، أدى التفاعل الكيميائي السريع إلى تجريد بعض المواد الرابطة من داخل الحبيبات، مما تركها مليئة بالمزيد من الثقوب وهيكلاً أضعف. وقد زاد إجمالي حجم المسام في هذه الحبيبات الناعمة بنسبة تقارب 11.9%، مما جعلها أكثر هشاشة وامتصاصاً مما كانت عليه من قبل.
وعلى الرغم من هذا التدهور في الجزء الأكثر نعومة، إلا أن القصة الإجمالية تنتهي بنبرة إيجابية. فقد أعاد الباحثون دمج جميع الحبيبات المعالجة، وخلطوا الحبيبات الكبيرة المقواة مع الحبيبات الصغيرة الضعيفة لإنشاء رمل كامل متدرج صالح للبناء. وعندما استخدموا هذا الرمل المختلط والمعالج لصنع الملاط، كان المنتج النهائي أقوى بكثير من الملاط المصنوع من الرمل المعاد تدويره غير المعالج. فبمعدل استبدال بنسبة 100%، كان الملاط الجديد أقوى بنسبة 25.1% بعد 28 يوماً. ويشير الباحثون إلى أن المكاسب الناتجة عن تقوية الحبيبات الكبيرة كانت كافية للتغلب على الخسائر الناتلة عن الحبيبات الدقيقة. علاوة على ذلك، فإن التغيرات الكيميائية في الحبيبات الدقيقة، رغم أنها أضرت بهيكلها الفردي، قد أنتجت مادة غنية بالسيليكا قد تساعد في ربط الإسمنت معاً في الخليط النهائي، مما يوفر فائدة ثانوية.
تسلط هذه الدراسة الضوء على أن إعادة تدوير نفايات البناء ليست حلاً واحداً يناسب الجميع. ففعالية ترقية الركام المعاد تدويره تعتمد بشدة على الحجم المحدد للجزيئات التي يتم معالجتها. تعمل هذه العملية بشكل أفضل عندما يُسمح للتفاعل بالتقدم ببطء كافٍ للتغلغل داخل المادة بدلاً من مجرد طلاء السطح. وبالنسبة لقطاع البناء، يعني هذا أن مصانع إعادة التدوير في المستقبل قد تحتاج إلى فرز نفاياتها بعناية أكبر، وربما معالجة أجزاء الأحجام المختلفة بتوقيت أو طرق مختلفة لتعظيم قوة مادة البناء النهائية. ومن خلال فهم هذه التفاعلات المجهرية، يمكن للمهندسين تحويل جبال الحطام الحضري إلى أساس لعالم أكثر استدامة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.