Synergistic effects of recycled concrete aggregate and spherical nickel slag on abrasion resistance, acoustic attenuation, and environmental efficiency of porous concrete

تُعيد المدن تشكيل نفسها باستمرار، ومع كل مبنى وطريق جديد، يتم هدم كميات هائلة من الخرسانة القديمة والتخلص منها. وفي الوقت نفسه، تنتج الصناعات الثقيلة جبالاً من المواد العادمة، مثل الخبث المتبقي من صهر المعادن. تقليديًا، ينتهي المطاف بهذه المواد في مكبات النفايات، حيث تشغل مساحة وتفرض مخاطر بيئية، بينما تستمر صناعة البناء في حفر أحجار الأنهار والحصى الطازجة لصنع خرسانة جديدة. هذه الدورة غير مستدامة. ويبحث المهندسون الآن عن طرق لتحويل هذه التدفقات من النفايات إلى كتل بناء قيمة، لإنشاء مواد لا توفر الموارد فحسب، بل تؤدي أداءً أفضل من الخيارات التقليدية أيضًا. إحدى هذه المواد هي الخرسانة المسامية، وهي نوع خاص من الرصف يشبه الإسفنج. فبدلاً من أن يكون سطحًا صلبًا غير نفاذ، تمتلئ هذه الخرسانة بفتحات صغيرة متصلة تسم تسمح لمياه الأمطار بالتسرب مباشرة، مما يقلل من الفيضانات ويعيد شحن المياه الجوفية. وبسبب هذه الفتحات، تعمل أيضًا كحاجز طبيعي للصوت، حيث تمتص ضجيج حركة المرور بدلاً من عكسه في الهواء. ومع ذلك، فإن صنع هذه المادة أمر صعب؛ فالفتحات ذاتها التي تجعلها جيدة لتصريف المياه والصوت تجعلها ضعيفة، مما يؤدي إلى تفتت السطح تحت ثقل الإطارات.

وضع باحثون في جامعة حسن الدين بإندونيسيا هدفهم لحل هذا اللغز من خلال اختبار وصفة جديدة للخرسانة المسامية. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم خلط نوعين من المواد العادمة معًا لإنشاء رصف قوي بما يكفي ليدوم، ومسامي بما يكفي ليعمل. أخذ الفريق منتجين محددين من النفايات: الركام الخرساني المعاد تدويره، وهو خرسانة قديمة سُحقت إلى أحجار صغيرة، وخبث النيكل الكروي، وهو منتج ثانوي من صهر النيكل تم تبريده بسرعة في الماء لتشكيل كرات ملساء مستديرة. أنشأوا ست دفعات مختلفة من الخرسانة؛ استخدمت بعضها الحجارة النهرية الطبيعية فقط، وبعضها استخدم الخرسانة المعاد تدويرها فقط، وبعضها استخدم خبث النيكل فقط، والبقية استخدمت تركيبات متنوعة من هذه المواد. ولضمان إجراء اختبار عادل، حافظوا على كمية الأسمنت والماء متطابقة تمامًا في كل دفعة، مع تغيير نوع الحجر المستخدم فقط. ثم أخضعوا أسطوانات الخرسانة هذه لسلسة من الاختبارات الصارمة لمعرفة وزنها، وعدد الفتحات التي تحتوي عليها، ومدى مقاومتها للتآكل بفعل الاحتكاك، ومدى فعاليتها في امتصاص الصوت. كما حسبوا التكلفة البيئية لصنع كل دفعة، حيث قاسوا انبعاثات الكربون والطاقة المطلوبة منذ لحظة استخراج المواد الخام حتى خروج الخرسانة من المصنع.

كشفت النتائج عن قصة واضحة حول كيفية تغيير شكل وكثافة الأحجار للخرسانة. فعندما استخدم الباحثون خبث النيكل الثقيل والأملس، أصبحت الخرسانة أكثر كثافة وثقلاً بشكل ملحوء، لكنها فقدت أيضًا جزءًا كبيرًا من مساميتها. فقد تجمعت الكرات المستديرة معًا بإحكام شديد لدرجة أنه لم تترك مساحة كافية لتدفق المياه. في المقابل، فإن الخليط الذي جمع بين الأحجار الطبيعية والخرسانة المعاد تدويرها ذات الزوايا الحادة والخشنة أنتج الهيكل الأكثر مسامية، مع أعلى حجم من الفتحات المتصلة. وقد تبين أن هذه المسامية العالية هي المفتاح للأداء الصوتي؛ إذ امتص الخليط الذي يحتوي على أكبر عدد من الفتحات الصوت بشكل أفضل من أي خليط آخر، ليصل إلى مستوى يمكنه فيه التقاط جميع طاقة الصوت تقريبًا التي تصطدم به عند ترددات معينة. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة لتقليل ضوضاء المرور، فإن الهيكل الأكثر انفتاحًا وهواءً هو الأفضل. ومع ذلك، جاء هذا الانفتاح مع مقايضة؛ فقد كان الخليط الأكثر مسامية هو الأضعف أيضًا عندما يتعلق الأمر بمقاومة الكشط. فعند وضعه في آلة تحاكي حركة طحن الإطارات، فقد هذا الخليط أكبر قدر من الكتلة، حيث تساقطت قطع من الحجر والملاط.

جاءت النتيجة الأكثر إثارة للدهشة من الخليط الذي جمع بين الخرسانة المعاد تدويرها وخبث النيكل الكروي. هذا المزيج المحدد، الذي أطلق عليه الباحثون اسم RS50، حقق أفضل توازن بين جميع العناصر. لم يكن الأكثر مسامية، ولا الأخف وزنًا، لكنه أثبت أنه الأكثر متانة. فعند إخضاعه لاختبار الطحن نفسه، فقد أقل قدر من المواد، محافظًا على شكله بشكل أفضل بك من الخلطات الأخرى. بدا أن كرات خبث النيكل الملساء والصلبة تعمل كـ "هيكل عظمي" قوي، حيث تُثبت الحجارة المعاد تدويرها الخشنة في مكانها وتمنع تحركها. خلق هذا المزيج هيكلًا قويًا بما يكفي لتحمل التآكل والتمزق مع الحفاظ على قدر كافٍ من المسامية ليكون وظيفيًا. ومن الناحية البيئية، أدى استبدال الحجارة النهرية الطبيعية بالخرسانة المعاد تدويرها والخبث الصناعي إلى خفض البصمة الكربونية وتكلفة الطاقة بشكل كبير؛ حيث تطلبت المواد المعاد تدويرها طاقة أقل بكثير لإنتاجها مقارنة بتعدين وسحق الأحجار الجديدة. ومع ذلك، أشارت الدراسة أيضًا إلى أن الأسمنت المستخدم لربط كل شيء ظل المصدر الأكبر للأثر البيئي، حيث كان مسؤولًا عن الغالبية العظمى من انبعاثات الكربون في كل دفعة، بغض النظر عن نوع الأحجار المستخدمة.

في النهاية، أظهرت الدراسة أنه لا يوجد خليط "مثالي" واحد لكل مهمة. فإذا كان الهدف هو بناء رصيف هادئ أو حاجز ضوضاء حيث تكون أولوية امتصاص الصوت، فإن الخليط الذي يحتوي على أكبر قدر من الخرسانة المعاد تدويرها والأحجار الطبيعية هو الخيار الأفضل، لأنه يخلق الإسفنجة الأكثر فعالية في امتصاص الصوت. ولكن إذا كان الرصف يحتاج إلى التعامل مع حركة مرور كثيفة أو استخدام متكرر حيث تكون المتانة أمرًا بالغ الأهمية، فإن مزيج الخرسانة المعاد تدويرها وخبث النيكل الكروي هو الخيار الأسمى. يقدم هذا المزيج أفضل أداء بيئي عند أخذ المتانة في الاعتبار، مما يثبت أن المواد العادمة يمكن هندستها لتعمل معًا. ومن خلال الاختيار الدقيق والخلط بين هذه المنتجات الثانوية الصناعية، يمكن للمهندسين إنشاء خرسانة مسامية ليست أكثر رفقًا بالكوكب فحسب، بل أيضًا أقوى وأكثر فعالية من المواد التقليدية. وتثبت هذه الأبحاث أن طريق البنية التحتية المستدامة لا يكمن فقط في استخدام النفايات، بل في فهم كيفية تفاعل المواد العادمة المختلفة لإنشاء كلٍّ هو أعظم من مجموع أجزائه.