Effects of inactive mineral fillers and fine aggregate on the strength and crack resistance of cementitious immobilization matrices

عندما يتم توليد نفايات مشعة منخفضة المستوى، يجب حبسها في شكل صلب لا يتفتت أو يتشقق أو يسرب مواد ضارة لآلاف السنين. إحدى أكثر الطرق شيوعاً للقيام بذلك هي خلط النفايات مع الإسمنت، مما يخلق كتلة صلبة تحبس المادة الخطرة بداخلها. تعتمد هذه العملية، المعروفة باسم التثبيت، على تصلب الإسمنت ليصبح مصفوفة متينة. ومع ذلك، لدى الإسمنت ميل طبيعي للانكماش أثناء جفافه وتفاعله مع الماء. وإذا لم يتم كبح هذا الانكماش، فإن المادة ستصاب بالتشقق. وبالنسبة لحاوية النفايات المشعة، فإن أي شق صغير غير مرئي يعتبر فشلاً، لأنه يخلق مساراً لدخول الماء وحمل الجسيمات المشعة إلى البيئة. لقد عرف المهندسون منذ زمن طويل أن إضافة الرمل إلى الإسمنت يساعد في منع هذا الانكماش والتشقق، ولكن بالنسبة للعديد من أنواع النفايات، يتم إبقاء الخليط كعجينة ناعمة أو ملاط دقيق دون وجود أحجار خشنة. سأل هذه الدراسة سؤالاً حاسماً: إذا لم يكن بإمكاننا استخدام الرمل، فهل يمكننا ببساطة إضافة مساحيق ناعمة أخرى لجعل الإسمنت قوياً بما يكفي للصمود دون تشقق؟

قام الباحثون في شركة "إف إن سي تكنولوجي" (FNC Technology Co., Ltd) ومعهد كوري لعلوم الطاقة الذرية بتجربة هذه الفكرة من خلال إنشاء عشر خلطات إسمنتية مختلفة مصممة لاحتواء النفايات المشعة. وقد ركزوا على نوعين محددين من المساحيق الناعمة التي لا تتفاعل كيميائياً مع الإسمنت ولكن غالباً ما تُضاف لتغيير خصائصه: الكوارتز فائق النعومة، وهو في الأساس رمل دقيق جداً، والماجنيتيت، وهو معدن حديدي ثقيل يُستخدم غالباً للحماية من الإشعاع. كما تضمنت خلطاتهم الرمل القياسي في بعض الحالات لمعرفة كيف سيقارن بالمساحيق الناعمة. كان الهدف هو معرفة أي الخلطات يمكن أن تلبي معايير السلامة الصارمة: كان يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الضغط، ومقاومة لتسرب الماء من خلالها، والأهم من ذلك، أن تظل خالية تماماً من الشقوق المرئية بعد الجفاف وتحمل التغيرات الحرارية الشديدة.

قام الفريق بإنشاء خلطات باستخدام الإسمنت فقط، وخلطات تحتوي فقط على المساحيك الناعمة، وخلطات تجمع بين المساحيق والرمل القياسي. وأضافوا كمية صغيرة من مسحوق الكوبالت إلى كل كتلة ليعمل كبديل آمن للكوبالت-60 المشع، مما سمح لهم باختبار مدى جودة احتجاز الإسمنت للمادة بالداخل. وبعد ترك الكتل لتتصلب لمدة 28 يوماً، أخضعوها لسلسلة من الاختبارات القاسية. فقد تم تجفيف الكتل، ثم تعريضها لدورات حرارية تتراوح من البرودة الشديدة إلى الحرارة العالية ثلاثين مرة، وأخيراً نقعها في الماء لمدة 90 يوماً. وطوال هذه العملية، راقب الباحثون بدقة أي علامات للتشقق وقاسوا قوة الكتل في كل مرحلة.

كشفت النتائج عن انفصال مفاجئ بين القوة والسلامة. فقد تبين أن الخليط الذي يحتوي على الكوارتز فائق النعومة فقط كان الأقوى على الإطلاق، حيث وصلت قوة الضغط لديه إلى 46.3 ميجاباسكال بعد 28 يوماً. وكان هذا أعلى بكثير من قوة كتلة الإسمنت العادية، رغم أن خليط الكوارتز كان يحتوي على نسبة مياه أعلى وبدا أن به المزيد من الثقوب الصغيرة في داخله. وجد الباحثون أن جزيئات الكوارتز عملت كحشو فيزيائي، مما ساعد هيكل الإسمنت على التكون بشكل أكثر إحكاماً دون إنشاء روابط كيميائية جديدة. ومع ذلك، ورغم هذه القوة المثيرة للإعجاب، فشلت كتلة الكوارتز وحدها في اختبار حاسم: فقد ظهرت بها شقوق مرئية في غضون يوم أو يومين من الجفاف. كما تشققت كتلة الماجنيتيت وحدها أيضاً، وإن كان ذلك ليس بسرعة كتلة الكوارتز. وفي المقابل، ظلت كتلة الإسمنت العادية خالية من الشقوق خلال عملية التجفيف الأولية، لكنها تشققت في النهاية بعد دورات درجات الحرارة والنقع في الماء.

تغيرت القصة تماماً عند إضافة الرمل القياسي إلى الخلطات. فكل كتلة احتوت على الرمل ظلت ملساء تماماً وخالية من أي شقوق مرئية، حتى بعد الجفاف، ودورات الحرارة الشديدة، والنقع الطويل في الماء. حافظت هذه الكتل التي تحتوي على الرمل على مستويات عالية من القوة، وهي أعلى بكول بكثير من الحد الأدنى المطلوب البالغ 3.44 ميجاباسكال، ولم تظهر عليها أي علامات لفشل هيكلي. لاحظ الباحثون أن جزيئات الرمل عملت مثل الهيكل العظمي، حيث ثبتت عجينة الإسمنت في مكانها فيزيائياً ومنعتها من الانكماش بما يكفي لتمزيق نفسها. كان هذا التقييد الفيزيائي أكثر فعالية في منع التشقق من الخصائص الكيميائية أو الفيزيائية للمساحيق الناعمة وحدها.

ربما كانت النتيجة الأكثر كشفاً تتعلق بسلامة المواد المشعة بالداخل. فقد قاس الباحثون كمية الكوبالت التي تسربت من الكتل على مدار خمسة أيام. وقد احتجزت جميع الخلطات، بما في ذلك تلك التي تعرضت للتشقق، الكوبالت بشكل ممتاز، حيث كانت معدلات التسرب أقل بكثير من حد الأمان. وهذا يعني أن الكتل المتشققة تقنياً كانت جيدة في احتجاز المادة المشعة خلال هذا الاختبار المحدد. ومع ذلك، خلصت الدراسة إلى أن الاعتماد على مقاومة التسرب العالية أو القوة العالية وحدها أمر خطير. إذ يمكن للكتلة أن تكون قوية وخالية من التسرب في اختبار مختبري، ولكنها قد تفشل في العالم الحقيقي إذا ظهرت بها شقوق مرئية، لأن تلك الشقوق تمثل فقداناً للسلامة الهيكلية قد يؤدي إلى الفشل تحت ظروف مختلفة.

أثبتت الدراسة في النهاية أنه بينما يمكن لمساحيق المعادن الناعمة مثل الكوارتز والماجنيتيت أن تجعل الإسمنت قوياً جداً، إلا أنها لا تستطيع أن تحل محل دور الرمل في منع التشقق. لقد حسنت المساحيق الناعمة الهيكل الداخلي للإسمنت، لكنها لم تستطع منع المادة من الانكماش والتكسر أثناء الجفاف والتبريد. لقد وفرت إضافة الرمل القياسي التقييد الفيزيائي اللازم لإبقاء الكتل سليمة. ومن أجل التخلص الآمن من النفايات المشعة، وجد الباحثون أن الخليط يجب ألا يكون قوياً ومقاوماً للتسرب فحسب، بل يجب أن يكون متماسكاً وغير متصدع فيزيائياً. وكان الحل الأكثر موثوقية الذي تم تحديده هو تضمين الركام الناعم، لضمان بقاء شكل النفايات قطعة واحدة صلبة قادرة على تحمل ضغوط البيئة دون تطوير المسارات التي قد تؤدي في النهاية إلى حدوث تسرب.