Influence of Waste Glass Powder on Rheology, Printability and Mechanical Properties of Alkali-Activated Materials for 3D Concrete Printing
تُظهر هذه الدراسة أن دمج 30% من مسحوق الزجاج المستهلك في المواد المنشطة قلويًا يحقق التوازن الأمثل بين قابلية الطباعة والأداء الميكانيكي للطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد، مع تقليل الكربون المتضمن بنسبة 35% تقريبًا مقارنة بملاط الإسمنت التقليدي.
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
تعد صناعة البناء محركاً ضخماً للحياة الحديثة، لكنها تأتي مع ثمن بيئي باهظ. فجزء كبير من انبعاثات الكربون في العالم يأتي من صناعة الإسمنت، وهو المادة الرابطة التي تمسك الخرسانة ببعضها البعض. تتضمن هذه العملية تسخين الحجر الجيري إلى درجات حرارة قصوى، وهي خطوة تطلق كميات هطيلة من ثاني أكسيد الكربون. وفي الوقت نفسه، ينتج العالم كميات هائلة من نفايات الزجاج من الزجاجات والنوافذ. وبينما يعد الزجاج قابلاً لإعادة التدوير نظرياً، إلا أن الواقع معقد؛ حيث غالباً ما تختلط أنواع وألوان مختلفة من الزجاج معاً، مما يجعل فرزها لإعادة التدوير التقليدي أمراً صعباً ومكلفاً. وهذا يترك ملايين الأطنان من الزجاج ينتهي بها المطاف في مكبات النفايات.
في السنوات الأخيرة، ظهرت تقنية تسمى الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد كوسيلة لبناء الهياكل طبقة تلو الأخرى دون الحاجة إلى قوالب خشبية. وتعد هذه الطريقة بتوفير الوقت وتقليل النفايات، لكنها تخلق مشكلة جديدة: يجب أن يكون الخليط الخرساني المستخدم للطباعة محدداً للغاية. إذ يجب أن يكون سائلاً بما يكفي ليتم ضخه عبر فوهة، وصلباً بما يكفي ليحافظ على شكله فور وضعه. ولتحقيق ذلك، تعتمد الخلطات التقليدية غالباً على كميات عالية من الإسمنت، مما يقوض الفوائد البيئية لعملية الطباعة. ويبحث الباحثون الآن عن طرق لاستبدال هذا الإسمنت بالمنتجات الثانوية الصناعية والمواد العادمة، آملين في ابتكار مادة للطباعة تكون قوية ومستدامة في آن واحد.
وضع فريق من الباحثين في جامعة غريفيث في أستراليا نصب أعينهم حل هذا اللغز من خلال اختبار نوع معين من النفايات: مسحوق الزجاج المطحون. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم تحويل مسحوق الزجاج العادم إلى مكون رئيسي للمباني المطبوعة ثلاثية الأبعاد. كان هدفهم هو إيجاد الكمية المناسبة من الزجاج لخلطها في نظام إسمنتي بديل يُعرف باسم "المادة المنشطة قلويًا". وبخلاف الإسمنت العادي، يستخدم هذا النظام تفاعلاً كيميائياً بين المنتجات الثانوية الصناعية مثل الرماد المتطاير والمحفز السائل ليتصلب، متجنباً الحاجة إلى الإسمنت التقليدي تماماً. واختبر الباحثون نوعين مختلفين من مسحوق الزجاج العادم: أحدهما مصنوع من الزجاجات والبرطمانات المحطمة، والآخر من الزجاج المسطح مثل النوافذ. وخلطوا هذه المساحيق في وصفتهم بمستويات مختلفة، مستبدلين ما يصل إلى نصف الرماد المتطاير في الخليط.
واجه الفريق عملية توازن دقيقة. فإذا كان الخليط سائلاً جداً، ستنهار الطبقات المطبوعة وتفقد شكلها. وإذا كان صلباً جداً، فقد يسد فوهة الطباعة أو يتفتت أثناء دفعه عبر الآلة. ووجدوا أن إضافة كمية معتدلة من مسحوق الزجاج، وتحديداً حوالي 30 بالمائة من إجمالي المكونات الصلبة، خلقت حلاً وسطاً مثالياً. عند هذا المستوى، عمل مسحوق الزجاج مثل كرات محامل (رولمان بلي) صغيرة وناعمة، مما جعل الخليط الطازج يتدفق بسهولة أكبر عبر المضخة. ومع ذلك، بمجرد وضع المادة، استعادت صلابتها بسرعة، مما سمح للطبقات بالتراكم فوق بعضها دون انهيار. ويعد هذا الاسترداد السريع للصلابة أمراً حيوياً لطباعة الهياكل العالية، لأنه يضمن قدرة كل طبقة جديدة على تحمل وزن الطبقة التي تعلوها.
ومع ذلك، كان نوع الزجاج لا يقل أهمية عن كميته. فالمسحوق المصنوع من الزجاج المسطح، والذي يتكون من جزيئات أدق وغير منتظمة، مال إلى جعل الخليط أكثر صلابة وقوة من المسحوق المصنوع من زجاج العبوات. وبينما حافظت خلطات الزجاج المسطح على شكلها جيداً، إلا أنها كانت أحياناً أصعب في الضخ. أما خلطات زجاج العبوات فقد تدفقت بشكل أفضل لكنها كانت أقل قوة قليلاً. واكتشف الباحثون أن رفع محتوى الزجاج بشكل كبير ليصل إلى 50 بالمائة تسبب في فشل المادة. فعلى الرغم من أن خلطات الزجاج العالية حافظت على شكلها بشكل جيد جداً، إلا أنها أصبحت مقاومة للتدفق لدرجة أنها لم تستطع الخروج بسلاسة، مما أدى إلى ظهور خطوط متقطعة وفجوات في الهيكل المطبوع. وقد أثبت هذا أن مجرد جعل الخليط أكثر صلابة لا يضمن طباعة أفضل؛ إذ يجب أن تظل المادة سائلة بما يكفي لتتحرك عبر الآلة.
وعندما اختبر الباحثون قوة الكتل المتصلبة، وجدوا أن إضافة المزيد من الزجاج تجعل المادة أضعف قليلاً، وهو أمر متوقع عند استبدال المكونات التفاعلية بمكونات أقل تفاعلاً. وحافظت الخلطات التي تحتوي على مسحوق الزجاج المسطح على قوة أكبر من تلك التي تحتوي على زجاج العبوات، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الجزيئات الأدق تتراكم معاً بشكل أكثر إحكاماً. ورغم هذا الانخفاض الطفيف في القوة، ظلت خلطات الاستبدال بنسبة 30 بالمائة قوية بما يكفي للاستخدام في البناء. وكشفت الفحوصات المجهرية أن هذه الخلطات المثالية تمتلك بنية داخلية كثيفة ومتماسكة مع وجود عيوب قليلة جداً، بينما أظهرت الخلطات التي تحتوي على الكثير من الزجاج عيوباً أكثر وضوحاً.
وبعيداً عن الخصائص الفيزيائية، سلطت الدراسة الضوء على مكسب بيئي كبير. فمن خلال استبدال الإسمنت التقليدي واستخدام زجاج النفايات، حسب الباحثون أن مادتهم الجديدة القابلة للطباعة قللت من البصمة الكربونية بنحو 35 بالمائة مقارنة بملاط الإسمنت القياسي. ويعد هذا الانخفاض كبيراً، خاصة بالنظر إلى أن المادة ألغت تماماً استخدام الإسمنت العادي. وتشير الدراسة إلى أنه مع عدم استقرار إمدادات المنتجات الثانوية الصناعية التقليدية مثل الرماد المتطاير بسبب التحول بعيداً عن طاقة الفحم، فإن زجاج النفايات يوفر بديلاً موثوقاً ووفيراً. وتثبت هذه الأبحاث أنه من الممكن تحويل مشكلة نفايات شائعة إلى مادة بناء عالية الأداء، بشرط ضبط الوصفة بدقة. والنتيجة الرئيسية هي أن استبدال مسحوق زجاج النفايات بنسبة 30 بالمائ المائة يقدم أفضل حل وسط، حيث يوفر مادة تُطبع بسلاسة، وتحافظ على شكلها، وتقف بقوة، مع خفض التكلفة البيئية للبناء بشكل كبير.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.