⚡ الهندسة الكهربائية

Mechanical properties and self-expansion mechanism of cemented slag- based backfill influenced with biomass ash

تُظهر هذه الدراسة أن دمج رماد الكتلة الحيوية في الردم القائم على الخبث والأسمنتي يعمل على تحسين قوته الميكانيكية وخصائص التمدد الذاتي من خلال تعزيز تكوين هلام (C-S-H) عند نسب حرجة محددة، بينما يؤدي المحتوى الزائد من الرماد إلى إدخال سيليكا غير متفاعلة تضعف الأداء.

المؤلفون الأصليون: Shi Wang, Xiangyu Ma, Rui Wu, Yaohua Liu, Long Liu, Mingkun Tang, Kun Yang, Xuepeng Song

نُشر 2026-09-28

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Shi Wang, Xiangyu Ma, Rui Wu, Yaohua Liu, Long Liu, Mingkun Tang, Kun Yang, Xuepeng Song

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 الأنفاق العميقة تحت الأرض في المناجم الحديثة، تعتمد السلامة والكفاءة على ما يحدث بعد إزالة الخام. فعندما يستخرج عمال المناجم المعادن الثمينة، يتركون خلفهم فراغات شاسعة وفارغة يمكن أن تتسبب في انهيار الصخور فوقها. ولمنع حدوث ذلك، يقوم المهندسون بملء هذه المساحات بمزيج من الماء والأسمنت وصخور النفايات المسحوقة، مما يخلق كتلة صلبة تدعم سقف المنجم. ومع ذلك، يبرز تحدٍ محدد مع أنواع معينة من نفايات الصخور، المعروفة باسم "الخبث" (slag)، والتي تتمدد طبيعياً أثناء تصلبها. هذا التمدد الذاتي هو سلاح ذو حدين؛ فمن ناحية، يساعد المادة المالئة على الانتفاخ والضغط بإحكام ضد سقف المنجم، مما يلغي الفجوات الخطيرة. ومن ناحية أخرى، غالباً ما يؤدي هذا الانتفاخ إلى إضعاف المادة، مما يجعلها هشة للغاية بحيث لا تستطيع تحمل الأحمال الثقيلة أو تمنعها من الحفاظ على شكلها بمرور الوقت. لقد كان الهدف للمهندسين لفترة طويلة هو إيجاد طريقة للحفاظ على التمدد المفيد مع إيقاف الإضعاف الخطير.

وضع الباحثون في جامعة جيانغشي للعلوم والتكنولوجيا وجامعة شمال الصين للعلوم والتكنولوجيا هدفهم لحل هذا اللغز من خلال اختبار منتج ثانوي شائع لعملية حرق المواد النباتية لإنتاج الطاقة: وهو رماد الكتلة الحيوية (biomass ash). قاموا بخلط هذا الرماد في مادة ردم أسمنتية مصنوعة من خبث التعدين لمعرفة ما إذا كان يمكنه العمل كمنظم. أعد الفريق عشرات العينات الأسطوانية، مع تغيير كمية الرماد المضافة من صفر إلى خمسة بالمائة من الوزن الإجمالي للمواد الصلبة. ثم انتظروا لتصل هذه العينات إلى مرحلة التصلب على فترات مدتها سبعة، وأربعة عشر، وثمانية وعشرون يوماً، مع إخضاعها لاختبارات تقيس مقدار ما يمكن ضغطه قبل الكسر ومدى قدرتها على التمدد قبل الانقطع. كما تتبعوا مقدار نمو حجم العينات بمرور الوقت. ولفهم ما يحدث بالضبط داخل المادة، استخدموا مجاهر قوية وماسحات كيميائية للنظر في الهياكل الدقيقة التي تتشكل أثناء تصلب الخليط.

كشفت النتائج عن توازن دقيق يعتمد كلياً على الكمية الدقيقة للرماد المضاف. فعندما أضاف الباحثون كمية صغيرة من رماد الكتلة الحيوية، أصبحت مادة الردم أقوى بشكل ملحوظ. عمل الرماد مثل مسحوق ناعم ملأ الفجوات الصغيرة بين جزيئات الصخور الأكبر حجماً وتفاعل مع الأسمنت لخلق غراء أكثر تماسكاً وقوة. جعلت هذه العملية المادة أكثر كثافة وأقل عرضة لتطور شقوق داخلية كبيرة. ومع ذلك، وجدت الدراسة أن هذه الفائدة لها حد صارم؛ فإذا أضيفت كمية كبيرة جداً من الرماد، تبدأ المادة في الفشل. حيث يدخل الرماد الزائد المزيد من السيليكا، وهو مكون لا يستطيع الأسمنت استخدامه بالكامل، مما يترك جزيئات غير متفاعلة تضعف البنية. حدد الباحثون "نقطة مثالية" محددة لمحتوى الرماد؛ فلكي تصل المادة إلى أقصى قوتها بعد ثمانية وعشرين يوماً، وُجد أن الكمية المثالية من رماد الكتلة الحيوية هي حوالي 2.5 بالمائ % من الوزن الإجمالي. أما بالنسبة لمقاومة المادة للشد، فقد كانت الكمية المثالية أقل قليلاً، حوالي 1.7 بالمائ %.

تماماً كما تبعت القوة منحنى صعود ثم هبوط، اتبع سلوك تمدد مادة الردم نمطاً مشابهاً. فبدون أي رماد، تمددت مادة الردم بشكل كبير بمرور الوقت، وهو أمر مفيد لملء الفجوات ولكنه سيء للسلامة الهيكلية. ومع إضافة كميات صغيرة من الرماد، انخفض معدل التمدد، مما يعني أن المادة أصبحت أكثر استقراراً ولم تنمو بقدر كبير. كان هذا الانخفاض في التمدد نتيجة مباشرة لمساعدة الرماد في إنشاء بنية داخلية أكثر إحكاماً وتماسكاً. ومع ذلك، بمجرد أن تجاوز محتوى الرماد عتبة حرجة تبلغ حوالي 3 بالمائ %، بدأ التمدد في الارتفاع مرة أخرى. أدى الرماد الزائد إلى تعطيل التفاعلات الكيميائية التي تحافظ عادة على استقرار المادة، مما تسبب في انتفاخها أكثر من عينات الضبط.

من خلال فحص التفاصيل المجهرية، أكد الفريق أن الرماد يعمل عن طريق تعزيز تكوين مادة تشبه الهلام (gel) تربط جزيئات الصخور ببعضها البعض. عندما تكون كمية الرماد مضبوطة تماماً، يملأ هذا الهلام المسام ويخلق شبكة كثيفة وقوية. وعندما تكون الكمية زائدة عن الحد، تصبح الشبكة مسامية وضعيفة لأن الجزيئات الإضافية تمنع الهلام من التشكل بشكل صحيح. تخلصت الدراسة من أن رماد الكتلة الحيوية هو أداة قوية لمهندسي المناجم، ولكن فقط إذا استُخدم بدقة. فهو يوفر وسيلة لضبط مادة الردم، مما يسم يسمح لهم بالاختيار بين خليط يتمدد أكثر لملء السقف أو خليط يبقى قوياً لدعم الأحمال الثقيلة، وذلك ببساطة عن طريق تعديل كمية الرماد المضافة إلى الخليط. يقدم هذا الاكتشاف طريقة عملية لتحسين السلامة في المناجم من خلال تحويل منتج من النفايات إلى أداة هندسية دقيقة.

أبحاث مشابهة