فريق بحثي من أمريكا وكندا يكشف آلية تعزيز ثاني أكسيد الكربون لتصلب الأسمنت وزيادة قوته المبكرة بنسبة 13%

أخبار ar.wedoany.com، كشف باحثون من مختبر ماسيك (Masic Lab) التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وشركة كاربونكيور تكنولوجيز (CarbonCure Technologies) عن الآلية الكيميائية الدقيقة التي يعزز بها ثاني أكسيد الكربون (CO₂) عملية التصلب المبكر للأسمنت أثناء خلط العجينة الأسمنتية، مما يؤدي إلى تكوين بنية مجهرية أكثر تجانساً وترابطاً للملاط أو الخرسانة. وقد تم نشر الدراسة التي تحمل عنوان "دراسة مطيافية رامان الموضعية لمسارات التصلب المُهيكلة بهلام السيليكا في الأسمنت المُنشَّط بثاني أكسيد الكربون" (In-Situ Raman Spectroscopy of Silica Gel Templated Hydration Pathways in CO₂-Activated Cement) في مجلة الجمعية الأمريكية للسيراميك (Journal of the American Ceramic Society).

استخدم الفريق تقنية مطيافية رامان الموضعية، وهي أداة قادرة على تحديد الأطوار الكيميائية الفردية على مقياس الميكرومتر، لتتبع عملية تصلب الأسمنت المُنشَّط بثاني أكسيد الكربون على مدار 24 ساعة، مما أوضح التسلسل الجزيئي الذي يُحدثه CO₂ في تعزيز القوة المبكرة داخل النظام الأسمنتي. ووجدت الدراسة أن CO₂ لا يُعطل كيمياء المادة الرابطة أثناء التصلب المبكر، بل يُعزز بدلاً من ذلك تكوين بنية مجهرية مترابطة بإحكام للمادة الرابطة.

صرحت يوليا كرافتسوف (Yuliya Kravtsov)، الرئيسة التنفيذية لشركة كاربونكيور، بأن هذه الدراسة تقدم أقوى دليل تجريبي حتى الآن على التمعدن الكربوني في الخرسانة، موضحةً كيف تساعد تقنيات استخدام الكربون المنتجين على تقليل استهلاك الأسمنت والتكاليف مع الحصول على خرسانة عالية الأداء ومتسقة. وأضافت أن هذه التقنية قد تم التحقق من جدواها تجارياً في أكثر من 11 مليون حمولة من شاحنات الخلط في التطبيقات العملية، وتشمل المشاريع المنفذة المباني السكنية وصولاً إلى التطورات السكنية الشاهقة المعقدة ومشاريع البنية التحتية.

أشار الأستاذ في قسم الهندسة المدنية والبيئية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أدمير ماسيك (Admir Masic)، إلى أنه على الرغم من ملاحظة الباحثين لسنوات عديدة أن الخرسانة المُنشَّطة بثاني أكسيد الكربون تُظهر قوة مبكرة أعلى، إلا أن الآلية الدقيقة ظلت عصية على الفهم لأن الأطوار المعنية كانت عابرة ويصعب ملاحظتها مباشرة. وباستخدام مطيافية رامان الموضعية، تمكن الفريق من مراقبة العملية الكيميائية للتمعدن الكربوني في الوقت الفعلي، واكتشف تسلسلاً عالي التنظيم والترتيب: حيث يُنشئ CO₂ سقالات من هلام السيليكا في جميع أنحاء المادة، وتصبح هذه البنية قالباً لمادة رابطة أكثر ترابطاً. وتوفر هذه الرؤى إطاراً جديداً لتحسين أداء الخرسانة من خلال تمعدن CO₂.

حدد فريق البحث أنه أثناء خلط الملاط أو الخرسانة، لا يقتصر دور CO₂ المُحقون في عجينة الأسمنت على ملء الفراغات المسامية بحبيبات كربونات الكالسيوم كما كان يُعتقد سابقاً في النظريات. بل يُحفز هذا المركب تسلسلاً مختلفاً جوهرياً من ثلاث مراحل للتصلب. في مرحلة التمعدن (خلال الأربع ساعات الأولى بعد الحقن)، يُشكل CO₂ بسرعة حبيبات نانوية من كربونات الكالسيوم، مما يُحول الكالسيوم مؤقتاً عن دوره التقليدي، مما يسمح بتطور شبكة هلام سيليكا ناعمة وموزعة بشكل متجانس. في المرحلة الانتقالية (من أربع إلى ثماني ساعات بعد الحقن)، يُستهلك CO₂، ويعود التصلب الطبيعي، ويتفاعل هيدروكسيد الكالسيوم مع شبكة هلام السيليكا لتكوين سيليكات الكالسيوم المائية الموزعة بشكل متجانس - وهو المركب الأساسي للقوة في الملاط أو الخرسانة. في مرحلة الاستقرار (بعد ثماني ساعات)، يستمر التصلب بالطريقة التقليدية، مما يملأ البنية وينتج مادة رابطة أكثر تجانساً وترابطاً، مع تماسك أسرع، وزيادة في القوة المبكرة بنحو 13% مقارنة بالعجينة المرجعية. والأهم من ذلك، حصل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكاربونكيور على أول دليل بصري مباشر على التمعدن الكربوني المبكر، مما يُظهر أن حبيبات كربونات الكالسيوم تظل مستقرة كيميائياً بمرور الوقت، ومحبوسة بشكل دائم في المادة الأساسية.

لخص دين فورجرون (Dean Forgeron)، كبير المسؤولين التقنيين في شركة كاربونكيور، الدراسة باعتبارها اختراقاً في فهم الصناعة للتمعدن الكربوني. وأوضحت الدراسة أن التمعدن لا يقتصر فقط على التخزين الدائم لثاني أكسيد الكربون في الخرسانة، بل إنه يُؤثر إيجابياً على البنية المجهرية للمادة الرابطة منذ اللحظات الأولى للتصلب، ويمكن للصناعة الاستفادة من هذا التفاعل الكيميائي لتحسين كفاءة استخدام الأسمنت وزيادة الربحية، مع تقديم نفس المنتج عالي الجودة وتلبية أكثر مواصفات المشاريع صرامة.

تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com