Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

ليست الأرض تحت أقدامنا دائماً أساساً صلباً وغير قابل للتغيير. ففي أجزاء كثيرة من العالم، تهيمن التربة الطينية على الأرض، وهي مادة دقيقة الحبيبات تتصرف مثل الإسفنج. فعندما تسقط الأمطار أو تتغير الفصول، تمتص هذه الطينة الماء وتنتفخ، مما يدفع نحو الأعلى بقوة كبيرة. وعندما يكون الهواء جافاً، تنكمش وتتشقق، مبتعدة عما يرتكز فوقها. وتعد دورة التمدد والانكماش المستمرة هذه كابوساً للمهندسين وأصحاب المنازل على حد سواء، حيث تسبب تعرجات في الطرق، وتشققات في الأساسات، وهبوطاً غير متساوٍ للمنشآت. ولجعل هذه التربة آمنة للبناء، يقوم المهندسون تقليدياً بخلطها بالإسمنت العادي أو الجير؛ حيث تعمل هذه الروابط على تصلب جزيئات التربة معاً، مما يخلق قاعدة مستقرة. ومع ذلك، فإن إنتاج هذه الروابط التقليدية يعد مصدراً رئيسياً لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مما يساهم بشكل كبير في أزمة المناخ العالمية. وقد دفع هذا البحث عن بدائل يمكنها تثبيت الأرض دون التكلفة البيئية الباهظة.

لقد وجه الباحثون اهتمامهم إلى مخلفات المنتجات الصناعية، وتحديداً الرماد المتطاير (fly ash) وخبث الأفران العالية المحبب (slag). الرماد المتطاير هو المسحوق الناعم المتبقي بعد حرق الفحم في محطات الطاقة، بينما الخبث هو منتج ثانوي لصناعة الحديد. وكلا المادتين غنيتان بالمكونات الكيميائية اللازمة لإنشاء مادة قوية تشبه الصخر عند خلطهما بمحلول قلوي محدد. هذه العملية، المعروفة باسم "الجيوبوليمرية" (geopolymerization)، تحول هذه المواد العادمة إلى رابط يمكن أن يحل محل الإسمنت التقليدي. وقد وضع فريق من الباحثين في المعهد الهندي للتكنولوجيا في مدراس وكلية ثياجاراجر للهندسة هدفاً لاختبار مدى قدرة هذه المنتجات الثانوية الصناعية على ترويض نوع معين من الطين الإشكالي الموجود في مادوراي بالهند. لم يكن هدفهم فقط معرفة ما إذا كانت التربة ستصبح أقوى، بل أيضاً فهم كيف يغير هذا العلاج طريقة هبوط التربة تحت الوزن ومدى انكماشها عند جفافها.

اختار الفريق عينة من الطين من عمق مترين بالقرب من موقف حافلات محلي. وقد صُنفت هذه التربة بأنها ذات انضغاطية متوسطة، مما يعني أنها تنضغط بسهولة تحت الضغط، وكانت ذات انتفاخ متوسط، مع ميل عالٍ للانتفاخ عند البلل. ولمعالجة هذه التربة، خلط الباحثون كميات متفاوتة من الرماد المتطاير والخبث، مما خلق ثلاث تركيزات مختلفة لكل مادة: 25%، و35%، و45% من الوزن الجاف الإجمالي. وقاموا بتنشيط هذه الخلطات بمحلول من هيدروكسيد الصوديوم وسيليكات الصوديوم، والذي يعمل كمحفز كيميائي لبدء عملية التصلب. كما أضافوا كمية صغيرة من مادة مؤخرة كيميائية إلى خلطات الخبث لمنعها من التصلب بسرعة كبيرة. ثم تم دمج التربة المعالجة في أسطوانات وتركها لتتصلب لفترات زمنية مختلفة، تتراوح من صفر يوم حتى 28 يوماً، قبل إخضاعها للاختبار.

كشفت النتائج عن قصة تحول واضحة. فقد كانت الطينة غير المعالجة ذات قوة منخفضة جداً، حيث بلغت 3.63 كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع. وعندما اختبر الباحثون التربة المعالجة بالرماد المتطاير، وجدوا أن القوة تزداد مع تصلب التربة بمرور الوقت. وكان الأداء الأفضل من نصيب الخليط الذي يحتوي على 35% من الرماد المتطاير، والذي وصل إلى قوة 17.19 كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع بعد 28 يوماً. مثل هذا تحسناً هائلاً، مما جعل التربة أقوى بنحو أربعة أضعاف من حالتها الطبيعية. ومع ذلك، عندما رفعوا محتوى الرماد المتطاير إلى 45%، انخفضت القوة فعلياً، مما يشير إلى أن الكثير من المادة الرابطة قد يخفف من بنية التربة بدلاً من تقويتها.

كانت القصة مختلفة قليلاً مع الخلطات القائمة على الخبث. فبالنسبة للخبث، استمرت القوة في الارتفاع مع زيادة كمية المادة المضافة. وسجل أعلى مستوى قوة في الدراسة بأكملها الخليط الذي يحتوي على 45% من الخبث، والذي وصل إلى 18.84 كيلوغرام لكل سنتيمتر مربع بعد 28 يوماً. مثّل هذا زيادة بنسبة 419% عن الطين غير المعالج. ولأن القوة كانت لا تزال في ارتفاع عند أعلى كمية تم اختبارها، أشار الباحثون إلى أن الكمية المثالية من الخبث قد تكون أعلى حتى من 45%، في حين أن الرماد المتطاير قد تجاوز بالفعل نقطته المثالية عند 35%.

وبعيداً عن مجرد جعل التربة أكثر صلابة، فقد غيرت المعالجة بشكل جذري كيفية سلوك التربة تحت الضغط. فعند وضع أحمال ثقيلة على الطين الناعم، تنضغط التربة ويُعصر الماء منها، مما يسبب هبوط الأرض بمرور الوقت. وقد قاس الباحثون هذا السلوك ووجدوا أن التربة المعالجة كانت أقل عرضة للانضغاط بكثير. فقد قلل الخليط الذي يحتوي على 35% من الرماد المتطاير من ميل التربة للانضغاط بنحو 70%، بينما قلل خليط الـ 45% من الخبث الانضغاط بنحو 84%. علاوة على ذلك، هبطت التربة المعالجة بشكل أسرع من الطين غير المعالج، مما يعني أن أي هبوط متبقٍ سيحدث بشكل أسرع وسيكون مصدر قلق أقل على المدى الطويل للمنشآت المبنية فوقها.

ولعل النتيجة الأكثر أهمية للمناطق المعرضة للجفاف والأمطار الغزيرة هي التغيير في الانكماش. فالطين غير المعالج ينكمش بشكل كبير أثناء جفافه، مما يخلق شقوقاً عميقة يمكن أن تضر بالأساسات. وقد كبحت معالجة "الجيوبوليمر" هذا السلوك بشكل كبير؛ حيث قلل الخليط الذي يحتوي على 35% من الرماد المتطاير من حجم الانكماش بنحو النصف، بينما قلل خليط الـ 45% من الخبث الانكماش بنحو 63%. وهذا يعني أن التربة المعالجة ستظل أكثر استقراراً خلال مواسم الجفاف، مما يقاوم التشققات والانتفاخ الذي يعاني منه عادةً المباني القائمة على التربة الطينية. كما لاحظ الباحثون أن التربة أصبحت أقل لدونة، مما يعني أنها أقل عرضة للتشوه الدائم عند البلل، مما يعزز استقرارها بشكل أكبر.

تشير هذه النتائج إلى أن استخدام المنتجات الثانوية الصناعية مثل الرماد المتطاير والخبث يوفر بديلاً قوياً ومنخفض الكربون للإسمنت التقليدي لتثبيت التربة الصعبة. لقد حددت الدراسة أن 35% من الرماد المتطاوي و45% من الخبث كانت النسب الأكثر فعالية ضمن النطاقات التي تم اختبارها، حيث قدمت مكاسب في القوة تقارب خمسة أضعاف القوة الأصلية للتربة، مع تقليل مخاطر الانتفاخ والانكماش بشكل جذري. ومن خلال تحويل المواد العادمة إلى مادة رابطة عالية الأداء، لا يحل هذا النهج مشكلة جيوتقنية فحسب، بل يعالج أيضاً مشكلة بيئية، حيث يوفر وسيلة للبناء على أرض غير مستقرة دون البصمة الكربونية الثقيلة للإسمنت التقليدي. ويؤكد هذا العمل أن هذه الروابط الجيوبوليمرية يمكنها بفعالية تحويل الطين الإشكالي إلى مادة أساس موثوقة، جاهزة لدعم البنية التحتية للمستقبل.