Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
تُظهر هذه الدراسة أنه من بين المواد الإسمنتية المكونة من مسحوق الزجاج العادم المنشط بسيليكات الصوديوم القائمة على رماد قشور الأرز والمحضرة بمعاملات متفاوتة، فإن المعامل 1.5 يحقق أعلى مقاومة للضغط عند عمر 28 يومًا (39.6 ميجا باسكال) من خلال تحسين التوازن بين إزالة بلمرة الشبكة في العمر المبكر وبلمرة التكثيف في العمر اللاحق، كما يتضح من الزيادة الكبيرة في نسبة الأكسجين الجسري.
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
في العالم الحديث، يواجه قطاع البناء تحدياً مزدوجاً: إذ يتعين عليه إيجاد طرق لبناء هياكل أقوى وأكثر متانة، وفي الوقت ذاته تقليل البصمة الكربونية الهائلة التي يتركها إنتاج الإسمنت التقليدي. وفي الوقت نفسه، تولد المدن كميات هائلة من النفايات الصلبة، ولا سيما الزجاج، الذي لا يتحلل أو يتفكك طبيعياً وغالباً ما ينتهي به المطاف في مكبات النفايات. يعلم العلماء منذ زمن طويل أن مسحوق الزجاج يمكن استخدامه كبديل لبعض الرمل والحصى في الخرسانة، لكن مجرد خلطه ليس كافياً لجعله قوياً. ولتحويل زجاج النفايات إلى مادة رابطة تمسك المباني ببعضها البعض، يستخدم الباحثون عملية تسمى "التنشيط القلوي". ويتضمن ذلك خلط مسحوق الزجاج بسائل عالي القلوية، والذي يعمل كمذيب كيميائي لتفكيك هيكل الزجاج الصلب ثم إعادة تجميعه في شكل هلام (جل) صلب جديد. ويكمكم السر في هذه العملية في المُنَشِّط السائل نفسه؛ فإذا كان السائل قوياً جداً، فإنه يفكك الزجاج بسرعة ولكنه قد لا يترك ما يكفي من وحدات البناء لتشكيل شبكة قوية لاحقاً، أما إذا كان ضعيفاً جداً، فلن يتمكن من إذابة الزجاج بفعالية في المقام الأول. إن إيجاد التوازن المثالي أمر ضروري لإنشاء مادة صديقة للبيئة ومتينة ميكانيكياً في آن واحد.
لقد سعى فريق من الباحثين في جامعة كوتشو في الصين لحل عملية التوازن هذه باستخدام نوعين محددين من المواد العادمة: مسحوق زجاج النفايات ورماد قشور الأرز. رماد قشور الأرز هو منتج ثانوي ناتج عن معالجة الأرز وهو غني بالسيليكا، وهي المكون الرئيسي نفسه الموجود في الزجاج والرمل. وبدلاً من شراء مواد كيميائية تجارية باهظة الثمن لتنشيط الزجاج، ابتكر الفريق منشطاً سائلاً خاصاً بهم عن طريق إذابة رماد قشور الأرز في محلول هيدروكسيد الصوديوم. ثم قاموا بخلط هذا السائل المصنوع منزلياً مع مسحوق زجاج النفايات لإنشاء عجينة. ولفهم كيف تؤثر الوصفة على القوة النهائية، أعدوا ثلاث دفعات مختلفة. وفي كل دفعة، حافظوا على كمية الزجاج ثابتة ولكنهم غيروا نسبة المكونات في المنشط السائل. تضمنت إحدى الدفعات نسبة منخفضة من السيليكا إلى الصوديوم، وأخرى نسبة متوسطة، والثالثة نسبة عالية من السيليكا. ثم اختبروا مدى صلابة هذه المواد بعد أسبوع واحد وبعد أربعة أساباء.
وكشفت النتائج عن نمط واضح في كيفية تطور المادة بمرور الوقت. فبعد أسبوع واحد فقط، كانت الدفعة ذات نسبة السيليكا الأدنى هي الأقوى، حيث وصلت قوتها الانضغاطية إلى 31.4 ميجا باسكال. حدث هذا لأن التركيز العالي للمكون القلوي في ذلك المزيج فكك شبكة الزجاج بسرعة كبيرة، مما سمح لها بالتصلب مبكراً. ومع ذلك، ومع مرور الوقت، تغيرت القصة. فبحلول علامة الأربعة أسابيع، برزت الدفعة ذات نسبة السيالكا المتوسطة كفائزة واضحة، حيث حققت قوة انضغاطية بلغت 39.6 ميجا باسكال، وهي أعلى بكثير من المجموعتين الأخريين. أما الدفعة ذات نسبة السيليكا الأعلى، والتي كانت تحتوي على أكبر عدد من وحدات البناء المتاحة، فقد انتهت في المنتصف، بينما تراجعت الدفعة التي بدأت قوية لتصبح الأقل قوة في المجموعة. أظهر هذا التحول أنه بينما يساعد الهجوم الكيميائي القوي الأولي على تماسك المادة بسرعة، فإن القوة طويلة الأمد تعتمد على توفر كمية كافية من السيليكا المذابة لبناء شبكة كثيفة ومترابطة بمرور الوقت.
ولفهم سبب حدوث ذلك، نظر الباحثون داخل المادة باستخدام أدوات تصوير متقدمة يمكنها رؤية ترتيب الذرات وبنية الروابط الكيميائية. ووجدوا أن العملية لم تنتج أي بلورات جديدة؛ بدلاً من ذلك، تحول الزجاج إلى صلب غير متبلور وغير منظم، يشبه الزجاج الأصلي ولكن مع بنية داخلية مختلفة. ومن خلال تحليل الروابط الكيميائية، قاموا بقياس نسبة ذرات "الأكسجين الجسري"، وهي الروابط التي تمسك ذرات السيليكون معاً في شبكة ثلاثية الأبعاد قوية. في الأسبوع الأول، كان المزيج ذو نسبة السيليكا الأدنى يمتلك أعلى عدد من هذه الروابط، مما يفسر قوته المبكرة. ولكن بحلول الأسبوع الرابع، طورت الدفعة ذات النسبة المتوسطة أعلى عدد من الروابط الجسرية، حيث وصلت إلى 63.25 بالمائة. وقد تطابقت هذه الزيادة في عدد الاتصالات مباشرة مع الزيادة في القوة. فالمزيج ذو نسبة السيليكا الأدنى نفدت منه وحدات البناء في وقت مبكر جداً لتشكيل المزيد من الروابط، بينما لم يكن المزيج ذو النسبة الأعلى يذيب الزجاج بالسرعة الكافية لاستخدام كل تلك الوحدات الإضافية. فقط المزيج المتوسط نجح في الحفاظ على إذابة الزجاج وتشكيل الروابط في نفس الوقت، مما خلق أقوى هيكل ممكن.
توضح هذه الدراسة أن الطريق نحو مادة بناء أقوى وأكثر اخضراراً لا يكمن في تعظيم مكون واحد، بل في إيجاد التوازن الدقيق بين سرعة التفاعل الكيميائي وإمدادات مواد البناء. ومن خلال استخدام رماد قشور الأرز لإنشاء المنشط، أظهر الباحثون أنه من الممكن تحويل نوعين مختلفين من النفايات إلى بديل إسمنتي عالي الأداء. وتشير النتائج إلى أنه بالنسبة لهذا المزيج المحدد من المواد، فإن توفير كمية معتدلة من السيليكا في المنشط يوفر أفضل بيئة لإذابة الزجاج وإعادة تجميعه في شبكة كثيفة ومتينة. يقدم هذا النهج مخططاً عملياً لتحويل أكوام الزجاج والنفايات الزراعية المتزايدة في العالم إلى مورد قيم للبناء المستدام، مما يثبت أن الوصفة الكيميائية الصحيحة يمكن أن تحول ما كان يعتبر يوماً ما نفايات إلى أساس للمستقبل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.