Mechanical Performance and High-Energy Photon Attenuation of a Slag-Based Geopolymer Concrete Incorporating Calcined Brezina Dam Sediments

تتحمل مواد البناء تكلفة بيئية باهظة، ليس فقط في الطاقة المطلوبة لصنعها، بل في النفايات التي تولدها أيضًا. ولمعالجة ذلك، توجه العلماء إلى الخرسانة الجيوبوليمرية (geopolymer concrete)، وهي نوع من مواد البناء التي تستبدل الرابط الإسمنتي التقليدي بالمنتجات الثانوية الصناعية والمعادن المحلية. فبدلاً من حرق الحجر الجيري لإنتاج الإسمنت، وهو ما يطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون، تستخدم خلائط الجيوبوليمر مواد مثل خبث الأفران العالية المحبب والمطحون (ground granulated blast-furnace slag) — وهو بقايا ناتجة عن إنتاج الصلب — وتنشطها بمحلول كيميائي لربط كل شيء معًا. يوفر هذا النهج وسيلة لبناء هياكل قوية مع إعادة استخدام النفايات في الوقت ذاته. وبعيدًا عن مجرد دعم المباني، هناك حاوة متزايدة لمواد يمكنها حجب الإشعاع عالي الطاقة بأمان في المرافق الطبية والتقنية. إن إيجاد مادة تكون قوية وفعالة في صد الإشعاع في آن واحد، وفي نفس الوقت مصنوعة من نفايات محلية، يعد هدفًا هامًا للهندسة المستدامة.

وضع باحثون في الجزائر خطة لاختبار ما إذا كان منتج محلي معين من النفايات يمكن أن يخدم هذا الغرض المزدوج. فقد ركزوا على الرواسب التي استقرت في قاع سد بريزة. فمع مرور الوقت، تتراكم طبقات من الطمي والرمل في السدود، مما قد يتحول إلى مشكلة في الإدارة. جمع الفريق هذه الرواسب، وجففها، وطحنها لتصبح مسحوقًا ناعمًا، ثم سخنها إلى درجة حرارة عالية لتغيير خصائصها الكيميائية. بعد ذلك، خلطوا هذه الرواسب المحروقة (calcined sediment) مع خبث الأفران العالية المحبب والمطحون، ومسحوق السيليكا، والرمل، والحصى، باستخدام خليط سائل من سيليكات الصوديوم وهيدروكسيد الصوديوم لتحفيز عملية التصلب. كان الهدف هو معرفة مدى إمكانية استبدال مكونات أخرى بهذا القدر من رواسب السد دون جعل الخرسانة ضعيفة، وما إذا كانت المادة الناتج تنجح بفعالية في حجب الفوتونات عالية الطاقة، وهي الجسيمات التي تشكل أشعة العلاج المستخدمة في علاج السرطان.

أنشأ الفريق أربعة إصدارات مختلفة من خليط الخرسانة. احتوى أحد الإصدارات على عدم وجود رواسب السد على الإطلاق، ليكون بمثابة مرجع أساسي (baseline). أما الإصدارات الثلاثة الأخرى، فقد استبدلت فيها كميات متفاوتة من مسحوق السيليكا بالرواسب المحروقة، وتحديدًا باستخدام 10% أو 20% أو 30% من الرواسب في الجزء الرابط. ولضمان تصلب المادة بشكل صحيح، وضع الباحثون الخرسانة الطازجة في فرن وسخنوها درجات حرارة مختلفة ولمدد زمنية مختلفة. واختبروا قوة الكتل المتصلبة عن طريق ضغطها حتى انكسرت وقياس مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها. كما نظروا أيضًا في كثافة المادة، حيث تلعب الكثافة غالبًا دورًا في مدى قدرة المادة على حجب الإشعاع.

أظهرت النتائج أن كمية الرواسب وجدول التسخين كانا مهمين للغاية. فالخلائط التي تحتوي على 10% و20% من الرواسب أدت أداءً أفضل عمومًا من تلك التي لم تحتوي على رواسب أو التي احتوت على أعلى كمية وهي 30%. وكان أفضل أداء من نصيب الخليط الذي يحتوي على 10% من الرواسب، والذي تم تسخينه عند 80 درجة مئوية لمدة 10 ساعات. وصلت هذه العينة تحديدًا إلى قوة ضغط بلغت 58.41 ميجاباسكال، وهي وحدة قياس مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله قبل الفشل. كما قدم الخليط الذي يحتوي على 20% من الرواسب أداءً جيدًا أيضًا، حيث وصل إلى 55.50 ميجاباسكال تحت نفس الظروف. وفي المقابل، كان الخليط الذي يحتوي على 30% من الرواسب هو الأضعف والأقل كثافة، مما يشير إلى أن إضافة الكثير من مادة السد قد أدى إلى تعطيل بنية الخرسانة. ووجد الباحثون أن فترات التسخين الأطول تؤدي عمومًا إلى خرسانة أقوى، ولكن حتى نقطة معينة، كما يجب التحكم في درجة الحرارة بدقة.

لفهم مدى قدرة هذه الخرسانة الجديدة على إيقاف الإشعاع، لم يستخدم الباحثون مصدر إشعاع حقيقي، لأن ذلك سيكون خطرًا ويصعب قياسه بدقة في المختبر. بدلاً من ذلك، استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة كيفية انتقال شعاع من الفوتونات عالية الطاقة عبر المادة. لقد قاموا بمحاكاة شعاع مشابه لتلك المستخدمة في المعجلات الخطية الطبية الحديثة. وحسب الكمبيوتر مدى عمق اختراق الإشعاع للمادة قبل أن تنخفض شدته إلى نصف قيمته الأصلية، وهو قياس يُعرف بطبقة القيمة النصفية (half-value layer)، ومدى العمق الذي سيصل إليه قبل أن ينخفض إلى عُشر قيمته. وبالنسبة لخليط الجيوبوليمر الذي يحتوي على 10% من الرواسب، أظهرت المحاكاة أن طبقة القيمة النصفية بلغت 9.94 سم، وطبقة القيمة العشرية بلغت 27.19 سم.

كانت هذه الأرقام المحاكات قريبة جدًا من أرقام الخرسانة القياسية، والتي أظهرت طبقة قيمة نصفية قدرها 10.11 سم. وهذا يشير إلى أن الخرسانة الجيوبوليمرية الجديدة، المصنوعة من رواسب السد المحلية، يمكنها حجب الإشعاع بفعالية تقارب الخرسانة التقليدية المستخدمة حاليًا في المستشفيات والمرافق التقنية. ومع ذلك، أظهرت المحاكاة أيضًا أن خرسانة متخصصة تحتوي على الباريوم، وهو عنصر ثقيل غالبًا ما يُضاف إلى مواد الحجب، قد قدمت أداءً أفضل، حيث تطلبت مسافة أقصر بكثير لتقليل الإشعاع. وتوضح الدراسة أن نتائج المحاكاة تعتمد بالكامل على النماذج الحاسوبية، وتؤكد أن هذه النتائج أولية، وأن هناك حاجة لتجارب واقعية للتأكد من أن المادة تعمل في الواقع بنفس كفاءة عملها في المحاكاة.

يسلط هذا العمل الضوء على مسار محتمل نحو البناء المستدام في الجزائر وخارجها. فمن خلال تحويل تحدٍ بيئي محلي — وهو تراكم الرواسب في السدود — إلى مكون بناء مفيد، أثبت الباحثون أنه يمكن تحويل النفايات إلى مادة عالية الأداء. فقد أثبتت الخرسانة أنها قوية بما يكفي للاستخدام الإنشائي وأظهرت قدرات محاكاة لحجب الإشعاع تضاهي مواد البناء القياسية. ومع ذلك، فإن المسار من المختبر إلى موقع البناء يتطلب خطوات إضافية. أشار الفريق إلى أن بيانات الإشعاع تحتاج إلى تحقق تجريبي، وأن هناك حاجة لمزيد من المعلومات التفصيلية حول المتانة طويلة الأمد والأثر البيئي للمادة. وفي الوقت الحالي، تقف هذه الدراسة كإثبات قوي للمفهوم، تظهر أن مزيجًا من الخبث الصناعي ورواسب السد المحروقة يمكن أن يخلق خرسانة سليمة ميكانيكيًا وقادرة أيضًا، من الناحية النظرية، على الحماية من الإشعاع عالي الطاقة.