عنوان المقالة العلمية : استخدام الألياف النانوية في الخرسانة المنفذة بركام معاد تدويره

1-مقدمة:

      في ظل التوجه العالمي نحو الاستدامة وتقليل النفايات، أصبحت الخرسانة المعاد تدويرها (Recycled Aggregate Concrete – RAC) خياراً مهماً في البناء. حيث تستخدم الركام الناتج عن هدم الأبنية القديمة بدلاً من الركام الطبيعي، مما يقلل من استنزاف الموارد الطبيعية ويحسن البيئة.

الخرسانة المعاد تدويرها (Recycled Aggregate Concrete – RAC) تُنتج عن طريق استبدال جزء أو كل الركام الطبيعي في الخلطة الخرسانية بركام معاد تدويره من مخلفات الهدم والبناء. بينما تعتبر هذه العملية صديقة للبيئة وتحمي الموارد الطبيعية، فإن الركام المعاد تدويره له عيوب رئيسية مقارنة بالركام الطبيعي:

1. مسامية عالية ومحتوى مائي أعلى: بسبب وجود ملاط اسمنتي ملتصق بحبيبات الركام.
2. انخفاض الكثافة ومقاومة الضغط والشد.
3. ضعف متانة الخرسانة: نفاذية أعلى للماء والكلوريدات، مما يقلل من مقاومة التآكل ويقلل العمر الافتراضي.
4. الانكماش والزحف الأعلى: مما يؤدي إلى تشققات أوسع.

هنا يأتي دور الألياف النانوية  (Nanofibers) كحل ثوري لتعويض هذه العيوب.

تعددت الأبحاث في هذا المجال وتم استخدام تقنية النانو لرفع خواص الخرسانة المنفذة بركام معاد تدويره فمثلاً

أكد الباحث [1] أنه عند إضافة الألياف النانوية حدثت زيادة في مقاومة التشقق بنسبة 30% وتحسن في القوة الانضغاطية بنسبة 15%، أما الباحث [2] فدرس تأثير ألياف السيليلوز النانوية على متانة الخرسانة المعاد تدويرها وتوصل إلى أن الإضافة أدت إلى انخفاض نفاذية الماء وتحسن في مقاومة التآكل، أما الباحث [3]  فقد أضاف إلى خرسانة بنسب مختلفة ولاحظ  أن القوة الانضغاطية زادت بنسبة تصل إلى 20% في الخرسانة المحتوية على 0.1% ألياف CNFs مقارنة بالخرسانة بدون ألياف، أما النفاذية فقد انخفضت بنسبة 15% مما يحسن المتانة.

وماتزال الأبحاث مستمرة لمراقبة تغيرات قد تطرأ على الأمد الطويل.

2-الألياف النانوية:

تعريفها:

الألياف النانوية هي مواد ذات أبعاد نانوية (قطرها أقل من 100 نانومتر) وذات نسبة aspect ratio (الطول إلى القطر) عالية، وعند إضافتها إلى الخرسانة، تعمل على مستوى الميكروسكوب (المجهرية) لتحسين البنية الداخلية للمادة.

آلية عملها:

تعمل الألياف النانوية بثلاث طرق رئيسية:

1. تأثير الحشو (Filler Effect): نظرًا لحجمها المتناهي الصغر، تملأ هذه الألياف المسام الدقيقة والفراغات بين حبيبات الإسمنت والركام المعاد تدويره. هذا يؤدي إلى: تقليل النفاذية، زيادة الكثافة، تحسين التماسك بين عجينة الأسمنت والركام المعاد تدويره.
2. تأثير النواة (Nucleation Effect): تعمل أسطح الألياف النانوية كمواقع مثالية لتكوين بلورات هيدرات سيليكات الكالسيوم (C-S-H) – وهي المادة المسؤولة عن قوة الخرسانة. هذا يؤدي إلى تكوين بنية أكثر كثافة وأقل مسامية، تسريع عملية الاماهة (hydration) في المراحل الأولى.[4]
3. التعزيز على المستوى الميكروي (Micro-reinforcement): هذا هو الدور الأهم. تشكل الألياف النانوية شبكة ثلاثية الأبعاد داخل المادة الإسمنتية، عند بدء ظهور الشقوق المجهرية (Micro-cracks)، تقاوم هذه الألياف انتشارها عن طريق:

   *  جسر الشقوق (Bridging): تشبك طرفي الشق وتقاوم تمدده.

   *  امتصاص طاقة التشقق: تزيد من متانة الخرسانة (Toughness) وقدرتها على امتصاص الطاقة قبل الانهيار.

3-أنواع الألياف النانوية المستخدمة :

    من أشهر أنواع الألياف النانوية المستخدمة في الخرسانة: 

ألياف الكربون النانوية،  (Carbon Nanofibers – CNFs)

ألياف السيليكا النانوية (Nano-Silica Fibers)

ألياف التيتانيوم النانوية (Titanium Dioxide Nanofibers)

 (Nanocellulose Fibers) ألياف السيليلوز النانوية

سنستعرض بعض مزايا هذه الألياف [5]:

1.  ألياف الكربون النانوية (Carbon Nanofibers – CNFs):

   تتميز هذه الألياف بأنها مرنة و ذات قوة شد عالية جدًا، وناقلة للكهرباء.

وعند إضافتها |إلى الخرسانة المعاد تدويرها أثبتت تحسن بشكل ملحوظ من مقاومة الشد، والانحناء، والمتانة. يمكن          استخدامها أيضًا لمراقبة صحة الهيكل (Structural Health Monitoring) بسبب توصيلها الكهربائي.

2. أنابيب الكربون النانوية (Carbon Nanotubes – CNTs):

   تعتبر من أقوى المواد المعروفة، وموصلة للحرارة والكهرباء بشكل ممتاز.

وهي مماثلة لألياف الكربون النانوية ولكن بفعالية أكبر. تحسن الخواص الميكانيكية والديناميكية وتقلل من الانكماش.

3. ألياف السليكا النانوية (Nano-Silica Fibers):

تمتاز ألياف السيلكا النانوية بأنها عالية النشاط (تتفاعل مع هيدروكسيد الكالسيوم لتكوين المزيد من C-S-H).

وهذا يؤدي إلى تحسن القوة والمتانة بشكل كبير من خلال التأثيرين البوزولاني والحشو، كما أنها تقلل النفاذية وتزيد من مقاومة العوامل الكيميائية.

4. ألياف الألومينا النانوية (Nano-Alumina Fibers):

   تمتاز هذه الألياف بصلادة عالية ومقاومة جيدة للحرارة وهذا يحسن مقاومة التآكل  ومقاومة modulus of elasticity.

يبين الشكل بعض الألياف النانوية المستخدمة :

4-الفوائد الرئيسية لاستخدام الألياف النانوية في الخرسانة المعاد تدويرها

1. تحسين الخواص الميكانيكية:

• زيادة مقاومة الشد والانحناء: تعوض الضعف الناتج عن الركام المعاد تدويره.
• الحفاظ على مقاومة الضغط أو زيادتها: بنسبة تصل إلى 15-25% مقارنة بالخرسانة المعاد تدويرها التقليدية.
• زيادة المتانة والليونة (Toughness & Ductility): تجعل الخرسانة أكثر مقاومة للصدمات وأقل قابلية للكسر الهش.[6]

2. تعزيز المتانة والديمومة (Durability):

• تقليل النفاذية: مما يقلل من اختراق الماء، الأملاح، وغاز ثاني أكسيد الكربون.
• زيادة مقاومة التآكل: حماية حديد التسليح من الصدأ.
• تقليل الانكماش (Shrinkage): تقليل التشققات الناتجة عن جفاف الخرسانة.

3. تحسين الأداء على المدى الطويل:

• تقليل الزحف (Creep).
• زيادة العمر الافتراضي للهيكل الخرساني.[8]

4. تعزيز الاستدامة:

• تمكين استخدام نسب أعلى من الركام المعاد تدويره (حتى 100% في بعض التطبيقات غير الإنشائية) دون انخفاض الأداء.
• تقليل البصمة الكربونية لصناعة البناء بشكل أكبر.[10]

5-التحديات والعقبات:

1. التكلفة: الألياف النانوية (خاصة CNTs وCNFs) مكلفة للغاية حاليًا، مما يحد من استخدامها في المشاريع التجارية الكبيرة.
2. التوزيع المتجانس (Dispersion): تميل الألياف النانوية إلى التكتل (Agglomeration) ، مما يخلق نقاط ضعف في الخرسانة. يتطلب توزيعها المتجانس تقنيات خلط خاصة (مثل ultrasinication) وإضافات كيميائية (مُفرقات – Dispersants).
3. السلامة والصحة: الجسيمات النانوية يمكن أن تشكل خطرًا على الجهاز التنفسي للعاملين إذا لم يتم التعامل معها بإجراءات وقائية مناسبة.
4. عدم وجود مواصفات قياسية: لا تزال الأبحاث جارية، وتفتقر العديد من أكواد البناء إلى إرشادات محددة لاستخدام المواد النانوية في الخرسانة.

6-مقارنة بين دراستين على استخدام الألياف النانوية:

• البحث الأول:

)Enhancement of Mechanical Properties of Recycled Aggregate Concrete Using Carbon Nanofibers(

[3]Alrefaei et al., 2021

 قام الباحث بتحسين الخصائص الميكانيكية لخرسانة منفذة بركام معاد تدويره (RAC) عن طريق إضافة ألياف الكربون النانوية (Carbon Nanofibers – CNFs). وكان الهدف هو تقييم تأثير نسب مختلفة من الألياف النانوية على مقاومة الضغط، الشد، والانحناء، ودراسة تأثير الألياف على نفاذية الخرسانة ومقاومتها الكيميائية.

منهجية البحث: تم تحضير عينات خرسانة مع نسب مختلفة من الركام المعاد تدويره (25%، 50%، 75%) كمادة بديلة للركام الطبيعي، وأُضيفت ألياف الكربون النانوية بنسب 0.05%, 0.1%, 0.2% من وزن الأسمنت.

اختبر الباحث عينات الخرسانة بعد 7 و28 و56 يومًا على مقاومة الضغط، الشد، انحناء، وكذلك اختبار النفاذية.

النتائج الأساسية للبحث:

زادت القوة الانضغاطية بنسبة تصل إلى 20% في الخرسانة المحتوية على 0.1% ألياف CNFs مقارنة بالخرسانة بدون ألياف، أما قوة الشد والمرونة فقد شهدت تحسناً ملحوظاً، حيث أن الألياف النانوية تعمل كجسور تمنع انتشار التشققات الدقيقة.

انخفضت النفاذية بنسبة 15% بسبب تقليل المسام الدقيقة في المونة الاسمنتية، مما يحسن المتانة.

استخدام الألياف ساعد في تحسين الترابط بين الركام المعاد تدويره والمونة الاسمنتية، وهذا أهم نقطة لأن ضعف هذا الترابط يسبب انخفاض في خصائص الخرسانة.

استنتاجات:

إضافة CNFs يمكنها تعويض الفقد في الخصائص الناتج عن استخدام الركام المعاد تدويره.

النسبة المثلى كانت 0.1% CNFs لتحقيق أفضل توازن بين الأداء والكلفة.

تحتاج العملية إلى تطوير تقنيات خلط لتوزيع الألياف بشكل متساوٍ.

• البحث الثاني:

Nano-Silica Enhanced Recycled Aggregate Concrete: Mechanical Properties and Durability

Zhou et al., 2020[1]

    قام الباحث بدراسة تقييم تأثير السيليكا النانوية (Nano-Silica) على خصائص الخرسانة المعاد تدويرها، خاصة مقاومة التشقق والمتانة.

منهجية البحث: تم تحضير عينات خرسانة بركام معاد تدويره 50% كنسبة بديلة، تم إضافة ألياف السيليكا النانوية بنسب 0.5%, 1.0%, 1.5% من وزن الأسمنت.

 تم إجراء اختبارات شملت مقاومة الضغط، الانعطاف، مقاومة التآكل، نفاذية الماء، وتحليل الميكروهيكل (باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح SEM).)

النتائج الأساسية للبحث:

زادت مقاومة الضغط بنسبة 15% عند استخدام 1.0% سيليكا نانوية.

انخفضت مقاومة التشقق بنسبة 30%، حيث أظهرت الفحوصات أن السيليكا النانوية تعمل كعامل ملء يقلل من حجم الفراغات، أما

المتانة: تحسنت نتيجة تقليل النفاذية للماء والمواد الكيميائية.

الميكروهيكل: تسرع ألياف السيليكا النانوية من عملية التصلب (hydration)، وتملأ الفراغات بين حبيبات الأسمنت والركام.

وعلى الرغم من التحسن، فإن زيادة نسبة السيليكا فوق 1.0% قد تؤدي إلى تجمعات (agglomeration) تؤثر سلباً على خصائص الخرسانة.

استنتاجات

السيليكا النانوية تحسن خواص المعاد تدويرها بشكل كبير.

النسبة المثلى حوالي 1.0% لتحقيق توازن بين الأداء وسهولة التوزيع.

هناك ضرورة لاستخدام مواد مضافة ومساعدات كيميائية لضمان توزيع نانوسليكا متجانس.

7-الخلاصة

   يُعد استخدام الألياف النانوية في الخرسانة المعاد تدويرها أحد أكثر المجالات الواعدة في تكنولوجيا المواد الخضراء والمستدامة. فهو يحول مادة بناء ثانوية ذات أداء محدود إلى مادة متطورة ذات خصائص ميكانيكية ومتانة محسنة بشكل جذري. على الرغم من التحديات الحالية المتعلقة بالتكلفة والتوزيع، إلا أن التطور السريع في هذا المجال يبشر بانتشار أوسع لهذه التكنولوجيا في المستقبل، مما سيساهم بشكل كبير في بناء مدن أكثر استدامة وصداقة للبيئة.

8-المراجع المستخدمة:

  [1]Zhou, Q., et al. (2020). “Nano-Silica Enhanced Recycled Aggregate Concrete: Mechanical Properties and Durability”. Materials, 13(6), 1392.

  [2]Li, X., et al. (2019). “Improving Durability of Recycled Aggregate Concrete Using Nanocellulose Fibers”. Journal of Cleaner Production, 235, 1177-1187.

  [3]Alrefaei et al., 2021. Enhancement of Mechanical Properties of Recycled Aggregate Concrete Using Carbon Nanofibers,Construction and Building Materials

  [4]Sáez, P. V. & Osmani, M. A diagnosis of construction and demolition waste generation and recovery practice in the European union. J. Clean. Prod. 241, 118400 (2019).

  [5]Kim, J. Influence of quality of recycled aggregates on the mechanical properties of recycled aggregate concretes: An overview. Constr. Build. Mater. 328, 127071 (2022).

  [6]Jin, L. et al. Meso-analysis method for the compressive strength of steel fiber-reinforced recycled aggregate concrete: A six-phase numerical model. Archives Civil Mech. Eng. 25, 152 (2025).

  [7]Yang, W. et al. A review of the mechanical properties and durability of basalt fiber recycled concrete. Constr. Build. Mater. 412, 134882 (2024)

  [8]Alharthai, M., Ali, T., Qureshi, M. Z. & Ahmed, H. The enhancement of engineering characteristics in recycled aggregates concrete combined effect of fly ash, silica fume and PP fiber. Alex. Eng. J. 95, 363–375 (2024).

  [9]Htet, P., Chen, W., Hao, H. & Shaikh, F. Influence of micro basalt and recycled macro polypropylene hybrid fibre on physical and mechanical properties of recycled aggregate concrete. J. Build. Eng. 76, 107083 (2023).

  [10]Feng, J. et al. Uniaxial compressive behavior of hook-end steel and macro-polypropylene hybrid fibers reinforced recycled aggregate concrete. Constr. Build. Mater. 304, 124559 (2021).