ابتكار صيني في مواد البناء يكسب الإسمنت خصائص الخشب

محاكاة خصائص الخشب ساعدت على رفع كفاءة الإسمنت (بيكساباي)
محاكاة خصائص الخشب ساعدت على رفع كفاءة الإسمنت (بيكساباي)

تمتاز مواد البناء الإسمنتية بكونها عوازل حرارية جيدة ذات معدلات منخفضة من التوصيل الحراري، كما أنها تمتاز بقدرة كبيرة على امتصاص الصوت ومقاومة الحرائق.

على الجانب الآخر، فإن مواد البناء الخشبية تعد ذات خصائص ميكانيكية جيدة، وتسمح بتنفيذ أي تصاميم هندسية، إضافة إلى سهولة نقلها؛ لذا فإن التحدي القائم يكمن حاليا في كيفية تعزيز خواص المواد الإسمنتية حتى يمكنها مضاهاة الخواص الميكانيكية الجيدة للخشب.

إسمنت يشبه الخشب

في دراسة حديثة نشرتها دورية "أدفانسد ساينس" (Advanced Science) في 23 ديسمبر/كانون الأول الماضي، استطاع باحثو معهد علوم المعادن (Institute of Metal Research) في الصين تطوير مواد إسمنتية جديدة ذات بنى مسامية أحادية الاتجاه، وذلك في محاولة منهم لمحاكاة خصائص الخشب.

وحسب التقرير الذي نشره موقع "فيز.أورغ" (Phys.org)، فقد أظهرت المادة الإسمنتية المُطوَّرة والشبيهة بالخشب مقاومة أكبر، إضافة إلى العديد من الخصائص الأخرى كالعزل الحراري الفعال، ونفاذية الماء، والقدرة على التحكم في امتصاص أو طرد الماء.

وللوصول إلى هذه الخواص، قام الفريق بمعالجة الإسمنت بطريقة التجميد مزدوجة الاتجاه (Bidirectional freezing treatment method)، التي تسمح بتكوين جسور بين مكونات بنية الإسمنت؛ ومن ثم قاموا بإذابة البنى المجمدة تدريجيا، مما منح الإسمنت الصلابة.

وقام الفريق بعد ذلك "بإماهة" الإسمنت (ترطيبه بالماء)؛ ونتج عن ذلك تكوين مواد هلامية ومعادن جديدة ضمن مكونات الإسمنت؛ مثل هيدروكسيد الكالسيوم سداسي الشكل، والإترينجيتات الإبَرية، وهيدرات سيليكات الكالسيوم.

صورة مجهرية للإترينجيتات إبرية الشكل المتكونة في الإسمنت (ويكيبيديا-وزارة النقل الأميركية)

فهم البنية المجهرية

تكونت تلك المواد وتباعدت فيما بينها أثناء عمليتي المعالجة والإذابة السابقتين؛ مما أسهم في تكوين صفائح إسمنتية مترابطة بشكل أفضل، أدت في النهاية إلى الوصول بالإسمنت لذلك التكوين المسامي أحادي الاتجاه. وجاءت نتائج الفحص المقطعي بالأشعة السينية مؤكدة وجود تلك المسام أحادية الاتجاه في هذا النوع من الإسمنت.

كما استخدم الفريق المجهر الإلكتروني الماسح لفحص هذه المسام بدقة، ولاحظ الفريق وجود العديد من هذه المسام التي تكونت إثر عملية تجفيف الإسمنت، وذلك بسبب جفاف المواد الهلامية وإزالة الماء. وصنف العلماء هذه المسام إلى 3 أنواع: مسام مفتوحة داخل الصفائح الإسمنتية، ومسام مفتوحة بين تلك الصفائح، ومسام ثالثة مغلقة داخل الصفائح الإسمنتية.

العديد من المسام تتكون نتيجة عملية تجفيف الإسمنت (بيكساباي)

خواص الإسمنت المُطَوَّر

قام الفريق بعد ذلك باختبار قدرة الإسمنت على تحمل الشد والانضغاط الواقع عليه، ومن ثم تحديد مقدار التشوه الخاص بهذه المادة المُطَوَّرة ومعرفة خواصها الميكانيكية؛ ولاحظ العلماء أن مقاومة الانضغاط تقل بشكل ثابت نسبيا حتى وإن زادت نسبة المياه في خليط إسمنت البناء، وهو ما يساعد أيضا على زيادة مسامية الإسمنت، كما انخفض التوصيل الحراري للإسمنت مع زيادة مساميته؛ مما يعني أنه عازل حراري فعال.

ورغم طبيعة أسطح حبيبات الإسمنت الداخلية المُحِبَّة للماء، فقد حاول الفريق التحكم في خصائص الإسمنت، وذلك بالتحكم في نسبة الماء التي تمتصها هذه الأسطح. إذ تمكنوا من عزل تلك الأسطح بمادة عضوية من السيليكون، وهو ما أسهم في منع المياه من المرور في المسام الإسمنتية؛ وهذه الآلية ستوفر نوعا جديدا من مواد البناء المُحِبَّة أو الكارهة للماء، التي يمكن التحكم فيها بناء على الحاجة.

الطريقة الجديدة تساعد على تطوير صناعة السيراميك ليصبح أكثر كفاءة (بيكساباي)

ويوفر هذا النهج المستخدم في إنتاج هذا النوع من الإسمنت ذي المسامات أحادية الاتجاه طريقة جديدة يمكن تطبيقها في عدد من الصناعات، مثل: السيراميك والبوليمرات والمعادن.

وذلك أن الإسمنت المُطوَّر كانت لديه خصائص عديدة، مثل احتوائه على العديد من المسام التي تربط بين الصفائح الإسمنتية، وزيادة مساميته ونفاذيته للمياه، وقدرته الجيدة على مقاومة الانضغاط حتى وإن زادت نسبة المياه في الخليط الإسمنتي.

إضافة إلى ذلك، فإن من الممكن التحكم في قدرة الإسمنت على امتصاص الماء أو طرده؛ وهو ما سيحسن بشكل كبير فعالية وتكلفة المواد الخرسانية المستخدمة في البناء مستقبلا.

المصدر : الصحافة الأميركية

حول هذه القصة

قام فريق بحثي بابتكار مواد بناء حية باستخدام البكتيريا والرمال، وتتسم بقدرة تحمل مساوية لخرسانة الإسمنت، وبأنها صديقة للبيئة، وبقدرتها على أداء وظائف حيوية ذات تطبيقات مستقبلية عديدة.

22/1/2020
المزيد من علوم
الأكثر قراءة