Synergistic enhancement of grinding efficiency, hydration kinetics, and mechanical properties of Portland cement by ethaline

تعد الخرسانة العمود الفقري الصامت للعالم الحديث، وهي مادة منتشرة للغاية لدرجة أننا نادراً ما نتوقف للتفكير في كيفية صنعها. وفي قلبها يكمن الإسمنت البورتلاندي، وهو مسحوق ناعم يتم إنتاجه عن طريق سحق الصخور والمعادن في مطاحن صناعية ضخمة. هذا المسحوق هو المكون الرئيسي الذي، عند خلطه بالماء، يتصلب ليصبح الهياكل التي تأوينا وتحمل مدننا. ومع ذلك، فإن الرحلة من الصخر الخام إلى الإسمنت النهائي تستهلك الكثير من الطاقة وتولد كمية كبيرة من الحرارة. فعندما يُطحن المسحوق بشكل خشن جداً، فإنه يتفاعل ببطء وبشكل غير متساوٍ؛ وعندما يُطحن بشكل ناعم جداً دون مساعدة، فإن العملية تهدر كميات هائلة من الكهرباء. علاوة على ذلك، بمجرد إضافة الماء، فإن التفاعل الكيميائي الذي يحول الخليط إلى حجر يطلق حرارة. وإذا تراكمت هذه الحرارة بسرعة كبيرة، فقد يتسبب ذلك في تشقق الخرسانة حتى قبل أن تتصلب، مما يضعف الهيكل النهائي. ولعقود من الزمن، سعى المهندسون لإيجاد طرق لجعل هذه العملية أكثر سلاسة وسرعة وكفاءة، وغالباً ما استخدموا إضافات كيميائية لتوجيه التفاعل.

لقد استكشف فريق من الباحثين في جامعة "إتش إس إن سي" (HSNC) في مومباي مساراً جديداً، حيث توجهوا إلى فئة من السوائل تُعرف باسم المذيبات العميقة ذات التركيب اليوتكتيكي (deep eutectic solvents). هذه ليست الأحماض القاسية أو المسببة للتآكل كما في الماضي، بل هي خلائط لطيفة يتم إنشاؤها عن طريق دمج مكونين شائعين وآمنين: ملح مشتق من الكولين، وهو عنصر غذائي موجود في العديد من الأطعم، والإيثيلين جليكول، وهي مادة تُستخدم غالباً في مانع التجمد. عند خلطهما بنسبة محددة وتسخينهما، يشكل هذان السائلان سائلاً جديداً مستقراً يتصرف بشكل مختلف عن أي من المكونين بمفرده. قرر الباحثون، كولديب راجبوروهيت، وأشوك باندي، وهيماتا باجلا، اختبار ما إذا كان هذا السائل الأخضر، الذي أطلقوا عليه اسم "إيثالين" (ethaline)، يمكن أن يعمل كمرشد مفيد للإسمنت. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان إضافة كمية ضئيلة من هذا السائل أثناء عملية الطحن وعملية الخلط يمكن أن يحسن كيفية صنع الإسمنت، وكيفية تدفقه، ومدى قوته.

بدأت الدراسة بإنشاء خليط "الإيثالين" وفهم سلوكه الأساسي. وجد الباحثون أن السائل يتدفق بسلاسة وتوقع، تماماً مثل الماء، لكن لزوجته تتغير اعتماداً على درجة حرارته. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يصبح السائل أقل لزوجة ويتدفق بسهولة أكبر. هذه الخاصية حاسمة لأنها تعني أن السلاًين يمكنه الانتشار بسرعة وتغطية جزيئات الإسمنت بشكل متساوٍ، حتى تحت الحرارة الشديدة والاحتكاك داخل مطحنة الطحن. وللتأكد من أن المكونين قد اندمجا حقاً في مادة جديدة، استخدم الفريق تقنية تقيس كيفية اهتزاز الضوء عبر المادة. وأظهرت النتائج أن الجزيئات قد ارتبطت بالفعل من خلال قوى غير مرئية تسمى الروابط الهيدروجينية، مما خلق بنية فريدة متميزة عن الملح والجليكول المنفصلين.

ومع تجهيز السائل، انتقل الفريق إلى مطحنة الإسمنت. أخذوا الإسمنت البورتلاندي العادي وطحنوه في مطحنة كرات، وهي آلة تسحق الصخور باستخدام كرات فولاذية ثقيلة، مع إضافة كميات مختلفة من سائل "الإيثالين" لمعرفة مدى تأثيره على العملية. بدون أي مادة مضافة، تميل جزيئات الإسمنت إلى الالتصاق ببعضها البعض في كتل، مما يجعل من الصعب تفتيتها. ولكن عندما أضاف الباحثون "الإيثالين"، ظلت الجزيئات منفصلة. عمل السائل كدرع، يمنع حبيبات الإسمنت الصغيرة من الالتصاق ببعضها البعض مرة أخرى. سمح هذا لآلة الطحن بالعمل بكفاءة أكبر. وعند أعلى جرعة تم اختبارها، وهي اثنان بالمائة من وزن الإسمنت، حقق المسحوق الناتج أعلى "نعومة بلين" (Blaine fineness) سُجلت في الدراسة، رغم أن الآلة استخدمت نفس كمية الطاقة تماماً. ويعني المسحوق الأكثر نعومة تعرض مساحة سطح أكبر للماء، وهي الخطوة الأولى نحو إنشاء منتج نهائي أقوى.

بمجرد طحن الإسمنت، خلطه الباحثون مع الماء والرمل لإنشاء الملاط (المونة)، واختبروا كيف يؤثر السائل على سلوك المادة من لحظة صبها وحتى تصلبها. وجدوا أن "الإيثالني" جعل الملاط الرطب يتدفق بسهء أكبر، وينتشر لمسافة أبعد على طاولة الاختبار دون الحاجة إلى ماء إضافي. هذا التدفق المحسن حيوي لأعمال البناء، لأنه يسمح للعمال بوضع المادة في الأماكن الضيقة وتشكيلها في أشكال معقدة دون أن تصبح صلبة بسرعة كبيرة. كما أبطأ السائل عملية التصلب بما يكفي ليكون مفيداً. فقد زاد الوقت الذي يستغرقه الإسمنت ليبدأ في التصلب من حوالي 170 دقيقة إلى ما يقرب من 200 دقيقة عند الجرعات العالية. منح هذا التأخير العمال نافذة زمنية أطول للخلط والنقل وإنهاء العمل في الخرسانة قبل أن تصبح صلبة جداً بحيث يصعب العمل بها.

ولكن الأهم من ذلك، أن إضافة "الإيثالين" غيرت الطريقة التي يتفاعل بها الإسمنت كيميائياً. فعندما يتصلب الإسمنت، فإنه يطلق حرارة. وإذا تم إطلاق هذه الحرارة بسرعة كبيرة، فقد يتسبب ذلك في تشقق الخرسانة داخلياً. قام الباحثون بقياس الحرارة المتولدة بمرور الوقت ووجدوا أن "الإيثالين" قلل إجمالي كمية الحرارة المنبعثة بنسبة تصل إلى أحد عشر بالمائة. يشير هذا التحرر الأبطأ والأكثر تحكماً في الطاقة إلى أن التفاعل الكيميائي كان يحدث بطريقة أكثر نظاماً. وعندما نظروا إلى الإسمنت المتصلب تحت مجهر قوي، كان الفرق واضحاً. أظهرت عينات الضبط، المصنوعة بدون المادة المضافة، بنية فضفاضة نوعاً ما مع وجود فجوات وشقوق صغيرة. في المقابل، بدت العينات المعالجة بالكمية المناسبة من "الإيثالين" أكثر كثافة وتماسكاً بكثير، حيث كانت الجزيئات متراصة بإحكام مع وجود فجوات أقل. هذه البنية الأكثر إحكاماً هي السبب الفيزيائي وراء قوة المادة.

أكدت اختبارات القوة أن هذه البنية الأكثر كثافة تُرجمت إلى أداء حقيقي في العالم الواقعي. اختبر الباحثون مكعبات الملاط المتصلب في أعمار مختلفة، من ثلاثة أيام إلى شهرين. عند الجرعة المثلى البالغة واحد ونصف بالمائة من "الإثالين"، وصل الإسمنت إلى قوة ضغط بلغت 62 ميجاباسكال بعد 28 يوماً، وهو تحسن ملحوظ عن الـ 56 ميجاباسكال التي حققتها عينة الضبط غير المعالجة. كما أصبحت المادة أكثر مقاومة لقوى السحب، وهو مقياس رئيسي للمتانة. ومع ذلك، كشفت الدراسة عن توازن حرج: فإضافة الكثير من السائل، وتحديداً بنسبة اثنين بالمائة، أدت في الواقع إلى تقليل القوة. وبينما أنتجت هذه الجرعة العالية أعلى "نعومة بلين"، إلا أنها أبطأت التفاعل الكيميائي لدرجة أن المادة لم تتصلب بفعالية. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على أن الهدف ليس مجرد جعل المسحوق ناعماً قدر الإمكان، بل العثور على الكمية الدقيقة من المادة المضافة التي توازن بين كفاءة الطحن والاحتياجات الكيميائية للإسمنت.

إن العمل الذي قام به راجبوروهيت وزملاؤه يثبت أن سائلاً أخضر بسيطاً يمكن أن يعمل كأداة قوية لتحسين واحد من أهم مواد البناء في العالم. فمن خلال تقليل الطاقة اللازمة لطحن الإسمنت، وتحسين تدفقه، وإبطاء وقت تصلبه لمنع التشققات، وفي النهاية جعل الهيكل النهائي أقوى، يوفر "الإيثالين" حلاً متعدد الوظائف. يشير البحث إلى أن هذا النهج لا يتطلب آلات معقدة أو مواد كيميائية غريبة، بل يتطلب فهماً دقيقاً لكيفية تفاعل هذه الجزيئات مع الإسمنت. وبينما ركزت الدراسة على نوع معين من الإسمنت ومادة مضافة محددة، فإن النتائج تفتح الباب أمام طريقة جديدة للتفكير في إضافات الإسمنت، والابتعاد عن المواد الكيميائية القاسية نحو سوائل مستدامة وقابلة للضبط يمكن تخصيصها لأداء أفضل. وتشير النتائج إلى أنه مع الكمية الصحيحة من هذا المذيب الأخضر، يمكن جعل خرسانة المستقبل أكثر كفاءة، وتدوم لفترة أطول، وتقف بقوة أكبر.