Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
تُظهر هذه الدراسة أن دمج ما نسبته 5-10% من فحم قشور جوز الهند، الناتج عن عملية التحلل الحراري، كبديل جزئي للأسمنت، يُحقق التوازن الأمثل بين خصائص الحالة الطازجة والأداء الميكانيكي في الملاط المستدام، حيث حققت نسبة الـ 5% تفوقاً في مقاومة الضغط والانحناء مقارنة بالعينة الضابطة.
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
تُعد الخرسانة أكثر مواد البناء استخداماً على وجه الأرض، فهي تشكل الهيكل العظمي لمدننا وجسورنا ومنازلنا. ومع ذلك، فإن المكون الأساسي للخرسانة، وهو الإسمنت البورتلاندي، يحمل تكلفة بيئية باهظة؛ إذ تطلق عملية تصنيعه كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون وتستهلك موارد معدنية كبيرة، مما دفع المهندسين إلى البحث عن طرق لتقليل استخدامه دون المساس بقوة الهيكل النهائي. ويتضمن أحد المسارات الواعدة استبدال جزء من الإسمنت بمواد نفايات تم تحويلها إلى مسحوق ناعم غني بالكربون. يهدف هذا النهج إلى تحويل المخلفات الزراعية إلى مكونات بناء مفيدة، مما قد يقلل من البصمة الكربونية للبناء مع إدارة النفايات في آن واحد. ويكمن التحدي في إيجاد الكمية المناسبة للإضافة؛ فإضافة القليل جداً قد لا تُحدث فرقاً، بينما إضافة الكثير قد تضعف المادة أو تجعل من المستحيل صبها وتشكيلها قبل أن تتصلب.
في دراسة حديثة، بحث الباحثون فيما إذا كان يمكن لقشور جوز الهند، وهي منتج نفايات شائع في المناطق الاستوائية، أن تعمل كبديل من هذا القبيل. فقد أخذوا قشور جوز الهند المستبعدة وسخنوها في بيئة منخفضة الأكسجين عند درجة حرارة عالية بلغت 750 درجة مئوية لمدة ساعتين. هذه العملية، المعروفة باسم التحلل الحراري، حولت القشور الصلبة إلى مسحوق أسود خفيف الوزن يسمى "فحم قشر جوز الهند". وكانت المادة الناتجة عبارة عن مادة دقيقة ومسامية ذات محتوى عالٍ من الكربون، متميزة عن الإسمنت المعدني الثقيل الذي كان من المفترض أن تحل محله. قام الفريق بخلط هذا الفحم في مونة قياسية — وهي خليط من الإسمنت والرمل والماء — بنسب متفاوتة، بدأت من كمية صغيرة وصولاً إلى ما يقرب من ثلث المادة الصلبة في الخليط. وكان هدفهم هو معرفة كيف سيؤثر هذا الإضافة على سلوك الخليط عندما يكون رطباً، وكم من الوقت سيستغرق ليتصلب، ومدى قوته بعد شهر من المعالجة.
أظهرت النتائج أن إضافة فحم قشر جوز الهند غيرت المونة بطرق يمكن التنبؤ بها. ونظراً لأن الفحم خفيف الوزن ومليء بالثقوب الصغيرة، فقد أصبح الخليط الطازج أقل كثافة مع زيادة كمية المضاف. ومع ذلك، جعلت هذه المسامية الخليط أصعب في التعامل معه؛ إذ امتص السطح الخشن الذي يشبه الإسفنج لجزيئات الفحم بعض ماء الخلط وأوجد مزيداً من الاحتكاك بين الجزيئات، مما أدى إلى انخفاض تدفق المونة بشكل كبير مع زيادة كمية الفحم. كما استغرق الخليط وقتاً أطول ليتصلب؛ حيث زاد الوقت اللازم لبدء تصلب المونة وتصلبها تماماً مع زيادة كمية الفحم، ويرجع ذلك على الأرجح إلى وجود كمية أقل من الإسمنت لتحفيز التفاعلات الكيميائية التي تربط المادة معاً.
وعلى الرغم من هذه التغييرات في الحالة الطازجة، إلا أن القوة الميكانيكية للمونة المتصلبة اتبعت نمطاً مفاجئاً. فعندما اختبر الباحثون قوة العينات بعد 28 يوماً، وجدوا أن إضافة كمية صغيرة من الفحم جعلت المونة أقوى بالفعل. فقد حقق الخليط الذي يحتوي على 5 بالمائة من فحم قشر جوز الهند من حيث الحجم قوة ضغط بلغت 38.1 ميجاباسكال، وهي أعلى بشكل ملحوظ من الـ 31.6 ميجاباسكال التي سجلها الخليط الضابط الذي لا يحتوي على فحم. كما أظهر هذا الخليط (بنسبة 5 بالمائة) مرونة محسنة، حيث قاوم قوى الانحناء بشكل أفضل من المونة القياسية. ومع ذلك، لم تستمر هذه الفائدة إلى ما لا نهاية؛ فبينما زاد الباحثون كمية الفحم بما يتجاست 10 بالمائة، بدأت القوة في الانخفاض. وعند المستويات الأعلى، أدى تقليل محتوى الإسمنت وإدخال الكثير من الجزيئات المسامية غير التفاعلية إلى طغيان الآثار السلبية على الفوائد، مما أدى إلى هيكل أضعف.
تخلص الدراسة إلى أن هناك نافذة محددة يكون فيها فحم قشر جوز الهند أكثر فعالية. فقد قدمت نسبة استبدال تتراوح بين 5 و10 بالمائة أفضل توازن، مما سمح بتقليل استخدام الإسمنت مع الحفاظ على الأداء الإنشائي للمونة أو حتى تحسينه. قللت هذه النسبة من الإسمنت المطلوب بنحو 3.6 إلى 7.2 بالمائة من حيث الكتلة دون التضحو بقدرة المادة على تحمل الوزن أو مقاومة التصدع. وبينما لم يعمل الفحم كمادة متفاعلة كيميائياً لتقوية الإسمنت كما تفعل بعض الإضافات الأخرى، إلا أن خصائصه الفيزيائية ساعدت في ملء الفجوات وتحسين رص الخليط عند الجرعات المنخفضة. ويؤكد الباحثون أنه على الرغم من أن هذا النهج يظهر وعداً في تحويل النفايات إلى مورد مفيد، إلا أنه ليس حلاً كاملاً بمفرده. إذ تعتمد الفوائد البيئية على الطاقة المستخدمة لإنتاج الفحم وعلى المتانة طويلة الأمد للمادة، وهي مجالات تتطلب مزيداً من الدراسة. وفي الوقت الحالي، يوضح هذا العمل أن إضافة كمية متواضلة من قشر جوز الهند المعالج يمكن أن تكون مكوناً قابلاً للتطبيق في المونة المستدامة، مما يمثل خطوة عملية نحو تقليل الاعتماد على الإسمنت التقليدي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.