Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

في الأجزية الشمالية من إيران، وتحت مدينة غرجان، تمتد مساحة شاسعة من تربة غريبة تُعرف باسم "اللويس" (loess). بالنسبة للعين غير الخبيرة، تبدو هذه التربة كأرض عادية بلون كريمي، ولكن بالنسبة لمهندس جيوتقني، فهي خطر خفي. تتكون هذه التربة من غبار ناتج عن الرياح يستقر في بنية هشة تشبه قرص العسل. وبينما يمكنها تحمل الأوزان عندما تكون جافة، إلا أنها تمتلك سراً خطيراً: فبمجرد تشبعها بالماء، تذوب روابطها الداخلية الهشة، وتنهار الأرض فجأة، حيث تهبط بسرعة تحت ثقل المباني والطرق. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "القابلية للانهيار"، تسببت في أضرار إنشائية كبيرة في المنطقة، حيث يمكن أن تصل أعماق رواسب اللويس إلى أكثر من 70 متراً. ويتمثل التحدي الذي يواجه المهندسين في إيجاد طريقة لتقوية هذه التربة دون جعلها هشة أو مكلفة المعالجة، لضمان بقاء الأرض مستقرة حتى عندما تهطل الأمطار.

لقد شرع باحثون من جامعة طهران وجامعة قم في حل هذه المشكلة من خلال اختبار مادة شائعة وغير مكلفة: الإسمنت. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان خلط الإسمنت في تربة لويس غرجان يمكن أن يحولها من خطر انهيار إلى أساس صلب. أخذ الباحثون عينات من التربة المحلية وخلطوها بكميات متفاوتة من الإسمنت، تراوحت من عدم وجود أي إسمنت على الإطلاق وصولاً إلى 9 بالمائة من الوزن. ولفهم كيفية تأثير الوقت على هذه العملية، لم يكتفوا باختبار الخلطات فوراً، بل تركوا العينات في حاويات مغلقة لفترات سبعة، وأربعة عشر، وثمانية وعشرين يوماً، لمحاكاة عملية المعالجة التي تحدث في مشاريع البناء الحقيقية. ثم أخضعوا هذه العينات المتصلبة لسلسلة من الاختبارات، حيث قاسوا مدى قابليتها للانضغاط، ومدى انتفاخها، ومقدار القوة التي يمكن أن تتحملها قبل الانكسار. كما نظروا بدقة في التربة تحت مجاهر قوية وحللوا تركيبها الكيميائي لمعرفة ما يحدث على المستوى المجهري.

كانت النتائج مذهلة. كانت تربة اللويس غير المعالجة ضعيفة للغاية، حيث بلغت قوتها الانضغاطية 0.1 ميجا باسكال فقط، وهو مقياس لمدى الضغط الذي يمكن أن تتحمله التربة قبل الفشل. ومع ذلك، كلما أضاف الباحثون المزيد من الإسمنت وتركوا الخليط وقتاً أطول للمعالجة، أصبحت التربة أقوى بشكل ملحوظ. حدث التحسن الأكثر دراماتيكية في العينات التي عولجت بـ 9 بالمائة من الإسمنت؛ فبعد ثمانية وعشرين يوماً من المعالجة، كانت هذه العينات أقوى بـ 8.5 مرة من التربة غير المعالجة. لاحظ الباحثون أنه كلما طالت مدة معالجة التربة، زادت قوتها، مما يشير إلى أن التفاعلات الكيميائية تعمل باستمرار على ربط جزيئات التربة معاً بمرور الوقت. لم يكن هذا الارتفاع في القوة مجرد مسألة عمل الإسمنت كمادة مالئة، بل كان نتيجة لتحول كيميائي حيث تفاعل الإسمنت مع المعادن الموجودة في التربة لإنشاء روابط جديدة ومتينة.

وبعيداً عن مجرد اكتساب القوة، أصبحت التربة المعالجة أيضاً أكثر استقراراً وأقل عرضة للانهيار الخطير الذي يعاني منه الإقليم. قاس الباحثون ميل التربة للانهيار عند البلل ووجدوا أن إضافة الإسمنت قلل من هذا الخطر بشكل كبير. في العينات غير المعالجة، صُنّف احتمال الانهيار على أنه شديد الخطورة، ولكن في العينات التي تحتوي على 9 بالمائة من الإسمنت، انخفض هذا الخطر إلى مستوى "طفيف"، مما يعني أن التربة أصبحت أقل عرضة للانهيار المفاجئ. وبالمثل، انخفض ميل التربة للانضغاط تحت الضغط أو الانتفاخ عند البلل بشكل كبير. فكلما زادت كمية الإسمنت المضافة، قلّت حركة التربة، مما خلق مادة تتصرف مثل الصخر الصلب أكثر من كونها تراباً سائباً وحساساً للماء.

ولفهم سبب حدوث هذا التحول، نظر الفريق داخل التربة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح والتحليل الكيميائي. كشفت تربة اللويس غير المعالجة عن بنية فوضوية ذات مسام كبيرة ومفتوحة واتصالات ضعيفة بين الجزيئات، تشبه كومة رمل مكدسة بشكل فضفاض. وفي المقابل، أظهرت عينات اللويس المعالجة بالإسمنت صورة مختلفة تماماً. كشفت الصور المجهرية أن الإسمنت قد خلق هياكل تشبه الإبر ومادة هلامية ملأت المساحات الفارغة بين حبيبات التربة. هذه التكوينات الجديدة، المعروفة باسم سيليكات الكالسيوم المائية، عملت مثل الغراء، حيث ربطت الجزيئات الفردية في شبكة مترابطة ومحكمة. هذه العملية، التي تسمى "التندف" (flocculation)، حولت البنية المفتحة والفضفاضة إلى كتلة كثيفة ومتراصة. وأكد التحليل الكيميائي أن كمية الكالسيوم والعناصر الرابطة الأخرى قد زادت، بينما حلت بنية متماسكة وصلبة محل الطبيعة المشتتة والفضفاضة للتربة الأصلية.

تخلص الدراسة إلى أن إضافة الإسمنت هي وسيلة فعالة للغاية لتثبيت تربة اللويس الإشكالية الموجودة في شمال إيران. فمن خلال زيادة محتوى الإسمنت وإعطاء وقت كافٍ لمعالجة الخليط، يمكن للمهندسين إنشاء تربة ليست أقوى بكثير فحسب، بل ومقاومة أيضاً للانهيار المفاجئ الذي يحدث عند دخول الماء. وتثبت هذه الأبحاث أن إضافة بسيطة لـ 9 بالمائة من الإسمنت يمكن أن تحول خطراً جيوتقنياً إلى أساس موثوق، مما يوفر حلاً عملياً ومتاحاً للبناء في المناطق المعرضة لهذا النوع المحدد من فشل التربة. وتشير النتائج إلى أنه مع الخليط الصحيح والوقت الكافي، يمكن جعل الأرض تحت أقدامنا ثابتة.