High-value reuse of coal gangue through fiber- reinforced pavement-base composites: Mechanical performance and model-based feasibility

تنتج صناعة الفحم العالمية كل عام كميات هائلة من الصخور والتربة المتبقية، وهي نتاج نفايات يُعرف باسم "خبث الفحم". هذه المادة، التي تشكل ربع الفحم الخام المستخرج من الأرض، تُكدس عادةً في جبال ضخمة وغير جذابة تشغل مساحات من الأراضي، وتلوث التربة، بل ويمكن أن تشتعل فيها النيران من تلقاء نفسها. لعقود من الزمن، بحث المهندسون عن طرق لتحويل هذه النفايات إلى شيء مفيد، وغالباً ما يتم طحنها لاستخدامها في بناء الطرق. ومع ذلك، فإن مجرد خلط هذا الصخر المطحون مع الأسمنت لصنع قاعدة طريق يعيبه عيب واحد: يمكن أن تكون المادة الناتجة هشة، مما يعني أنها قد تتشقق بسهماً تحت الوزن الثقيل والمتكرر للشاحنات. ولحل هذه المشكلة، بدأ الباحثون في تجربة إضافة ألياف دقيقة إلى الخليط، تماماً مثل إضافة قضبان الحديد إلى الخرسانة، لجعل المادة أكثر متانة ومقاومة للكسر.

وضع فريق من الباحثين من الصين وأستراليا هدفاً لإيجاد التوازن المثالي لهذا النوع الجديد من مواد الطرق. فقد صنعوا خليطاً مركباً يتكون من خبث الفحم، والرماد المتطاير (مسحوق ناعم من محطات الطاقة)، والأسمنت، وألياف البازلت المقطعة. كان هدفهم هو تحديد الكمية الدقيقة من الألياف المطلوبة لجعل قاعدة الطريق قوية دون جعلها لينة جداً أو صلبة جداً. قاموا باختبار خلطات تحتوي على كميات مختلفة من الألياف، تتراوح من كمية صغيرة جداً إلى تركيز عالٍ، وأخضعوها لاختبارات مخبرية صارمة. قاموا بضغط المادة لمعرفة مقدار الوزن الذي يمكن أن تتحمله قبل الكسر، وسحبوها لاختبار مقاومتها للتشقق، وقاسوا مدى ارتدادها بعد الضغط عليها. كما استخدموا مجاهر قوية للنظر في الهياكل الدقيقة داخل المادة، وأجروا محاكاة حاسوبية لمعرفة كيف ستتصرف طريق مصنوعة من هذا الخليط تحت حركة المرور في العالم الحقيقي.

كشفت التجارب عن "نقطة مثالية" واضحة لكمية الألياف المستخدمة. فعندما أضاف الباحثون كمية صغيرة من ألياف البازلت، أصبحت المادة أقوى، ولكن حتى حد معين فقط. وقد ثبت أن الخليط الذي يحتوي على 0.6 بالمائة من الألياف بالنسبة للوزن هو الفائز، حيث حقق أعلى قوة في اختبارات الضغط والشد. عند هذا المستوى، استطاعت المادة تحمل قوة سحق تقترب من 14.5 ميجاباسكال بعد 28 يوماً من المعالجة، وهو تحسن ملحوظ مقارنة بالخلطات التي تحتوي على كميات أقل أو أكثر من الألياف. ومن المثير للاهتمام أن إضافة المزيد من الألياف عن هذا القدر الأمثل جعلت المادة أضعف، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الألياف بدأت في التكتل مع بعضها البعض بدلاً من الانتشار بشكل متساوٍ. وبينما كان خليط الـ 0.6 بالمائة هو الأقوى، اكتشف الباحثون أيضاً مقايضة: فكلما أضافوا المزيد من الألياف، أصبحت المادة أقل صلابة قليلاً، مما يعني أنها ستنثني قليلاً تحت الحمل بدلاً من البقاء جامدة. وهذا يشير إلى أنه بينما تجعل الألياف الطريق أكثر متانة ضد التشقق، فإنها تجعله أيضاً أكثر مرونة قليلاً.

لفهم كيفية أداء هذه المادة في طريق سريع حقيقي، بنى الفريق نموذجاً حاسوبياً ثلاثي الأبعاد لمقطع من الطريق. قاموا بمحاكاة طريق سريع مكون من أربعة مسارات يحتوي في طبقته الأساسية على خليطهم الأفضل أداءً، وراقبوا كيف يستقر الطريق ويتفاعل مع المركبات المتحركة. أظهرت المحاكاة أن كمية الألياف في الطبقة الأساسية كان لها تأثير ضئيل بشكل مفاجئ على مقدار هبوط الطريق تحت حركة المرور. وسواء كانت نسبة الألياف 0.2 بالمائة أو 0.8 بالمائة، فإن الفرق في استقرار الطريق كان ضئيلاً. وبدلاً من ذلك، كشفت عمليات المحاكاة أن سرعة المركبات ووزن حركة المرور كانت عوامل أكثر أهمية بكثير. فعندما تتحرك المركبات ببطء، يهبط الطريق بشكل أكبر لأن الحمل الثقيل يبقى في مكان واحد لفترة أطول، مما يضغط عليه بقوة أكبر. وعلى العكس من ذلك، تسببت المركبات الأسرع في هبوط أقل. وبالمثل، تسببت الشاحنات الأثقل في غوص أكبر بكثير من الشاحنات الأخف. وهذا يشير إلى أنه بينما المادة نفسها متينة، فإن سلوك الطريق مدفوع بكيفية تحرك المرور عبره أكثر من الاختلافات الطفيفة في محتوى الألياف.

عند النظر عن كثب إلى المادة تحت المجهر، رأى الباحثون كيف يعمل "سحر" هذا الخليط في الواقع. فقد وفرت جزيئات خبث الفحم، وهي بطبيعتها خشنة وغير منتظمة، سطحاً جيداً لتمسك الأسمنت بها. ومع مرور الوقت، تفاعل الأسمنت والرماد المتطاير لتكوين مادة كثيفة تشبه الغراء ملأت الفجوات بين جزيئات الصخر. ووُجدت ألياف البازلت مغروسة في هذه المصفوفة الصلبة، حيث تعمل مثل جسور صغيرة يمكنها تماسك المادة معاً إذا بدأ تشقق ما. وأظهرت الصور أنه بعد 28 يوماً، أصبحت المادة أكثر كثافة وصلابة مما كانت عليه بعد أسبوع واحد فقط، مع وجود مساحات فارغة أقل واتصالات أفضل بين جميع المكونات. وقد أكدت هذه الأدلة المجهرية أن الألياف لم تكن مجرد موجودة هناك، بل كانت تتفاعل بنشاط مع عجينة الأسمنت لتعزيز الهيكل.

في النهاية، توفر هذه الدراسة مساراً واضحاً لاستخدام خبث الفحم بطريقة ذات قيمة عالية. فمن خلال إيجاد الكمية الدقيقة من الألياف المطلوبة، يمكن للمهندسين إنشاء قواعد طرق قوية، ومتينة، وقادرة على التعامل مع حركة المرور الثقيلة دون هشاشة المواد التقليدية. وتشير الأبحاث إلى أنه بينما تهم المكونات المحددة للخليط، فإن الطريقة التي نقود بها على هذه الطرق — وتحديداً سرعتنا ووزن مركباتنا — تلعب دوراً أكبر في كيفية صمود الطريق بمرور الوقت. إن هذا العمل يحول مشكلة بيئية ضخمة إلى حل عملي، مما يوفر طريقة لبناء بنية تحتية مستدامة تكون قوية ومرنة بما يكفي للاستمرار.