اكتشاف جديد في كيمياء الإسمنت سيعزز من عمله، فما هو؟

نظرة عن قرب تبين عيب حافة كريستال الإسمنت بعد محاكاتها من قبل علماء في جامعة رايس. وحلل الباحثون البنية البلورية للسيليكات الكالسيوم المستخدمة في الإسمنت لتعظيم القدرة على صقل هذه المادة. ل: ليو تاو / مختبر متعددة النطاقات.

يعمل علماء جامعة رايس على تطوير فهم أعمق لأكثر مادة مستخدمة من صنع الإنسان على نطاق واسع في العالم، الخرسانة، وبتفصيل جوانب غير مستكشفة سابقة التي تؤثر على الطاقة اللازمة لصنعها والغازات الناتجة عن هذا الصنع المسببة للاحتباس الحراري.

يعمل عالم مختبر رايس للمواد، روزبه شاهسفاري على تطوير تقنيات ليس فقط لتحليل ولكن أيضًا لرؤية الاضطرابات في سيليكات الكالسيوم أحادي هيدروجين (ويعرف أيضا بإسم «البليت» Belite وهو معدن صناعي)، وهو مكون من إسمنت البورتلاند، وتفصيل كيف يساهم كل من خمسة أنواع في الخرسانة بسهولة في التصنيع وقوة في نهاية المطاف.

وصدر تقرير المختبر في هذا الشهر في جريدة أبحاث الإسمنت والخرسانة.

«على الرغم من أن «البليت» هو بلوري في الطبيعة، والبلورات صغيرة جدًا ومواد غير متبلورة حتى أن لا أحد قد أعطاها النظرة التحليلية التي تستحقها» حسب شاهسفاري. لكن صقلها لاستخدامها في الإسمنت، الذي يعطي القوة للخرسانة، يمكن أن يساعد في توفير الطاقة، وهذا بدوره يؤدي إلى خفض في انبعاثات الكربون، كما أضاف.

«وضع عدسة ذرية على عيوب الميكانيكا وتفاعل المياه من بلورات «البليت» يمكن أن تُوفر رؤى جديدة حول كيفية التحكم في طاقة طحن الكلنكر (Clinker مركب من الطين و الحجر الجيري مصقول في 1450 درجة مئوية) وتنمية قوة الخرسانة»، كما أوضح شاهسفاري. «كل من هذه العوامل يمكن أن تسهم إسهامًا كبيرًا في توفير الطاقة وخفض الآثار البيئية الناجمة عن استخدام وتصنيع الخرسانة.»
سيليكات الكالسيوم هي العنصر الرئيسي في صناعة كلنكر، والتي تُطحن وتُخلط مع الماء لصنع الإسمنت. مقارنة مع سيليكات ثلاثية -الكالسيوم، المكون الأكثر هيمنة في الإسمنت، «البليت» يمكن أن ينتج عند درجة حرارة أقل من ذلك بكثير. درجة الحرارة هاته هي 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) أقل، مما يجعل «البليت» تجارة مربحة.

ومع ذلك، فمن الصعب أن يطحن ويتفاعل أكثر ببطء مع الماء، مما يؤدي إلى تنمية قوة تأخر في عجينة الإسمنت. وقال شاهسفاري أن هذه القضايا تكبح انتشار استخدام الإسمنت القائمة على «البليت» في الخرسانة، ولكن مختبره تبنى نهجًا يمكنه جلب التغيير.

تأخذ بلورات «البليت» من الكالسيوم، السليكون والأكسجين بشكل رئيسي أحد شكلين مختلفين، إما أحادي الميل (هو أحد النظم البلورية السبعة التي تتبع لها البلورات. يوصف النظام البلوري بواسطة ثلاثة متجهات، في أحادي الميل فإن المتجهات لها أطوال مختلفة، يكون اثنان منهما متعامدان، في حين يشكل الثالث زاوية غير 90°. بالتالي يكون للبلورات شكل منشوري.) أو معيني متعامد المحاور ( في النظام البلوري المعيني القائم في علم البلورات هو نظام بلوري قائم لديه ثلاث زوايا قائمة ، لكن أضلاعه مختلفة الطول. يمكن تشبيهه بالصندوق.)، كل واحدة منها سلوك مختلف على المستوى الذري.

يقسم الباحثون في مختبر رايس هذه إلى خمسة بلورات واضحة متعددة الأشكال. من خلال المحاكاة الحاسوبية واستخدام المجهر الإلكتروني عالي الدقة ، حددوا واحدة من أشكال أحادي الميل، يطلق عليها اسم Beta-C2S (بيتا – سيليكات أحادي الكلسيوم) وهو الأكثر هشاشة، وربما أفضل ملاءمة للإسمنت الذي يتطلب طاقة منخفضة في صناعته.

وقال شاهسفاري أن البحث يوفر نظرة جديدة حول الهندسة من أسفل إلى أعلى للمواد التي لها خصائص الإسمنت. موضحًا «أن الفهم الفيزيائي المكتسب عن طريق صور المجهر الإلكتروني عالي الدقة ، هو الأول من نوعه للإسمنت، جنبًا إلى جنب مع العمليات الحسابية على المستوى الذري، ويمكن وضع المواد القائمة على الإسمنت على قدم المساواة مع أنظمة المعدنية وأشباه الموصلات في تطبيق ناشئ عن «عيوب الهندسة» لتعزيز الأداء في الجدوى والوظيفة». مضيفًا: «نحن نتوقع أن هذا سيؤدي إلى توفيرات في الطاقة والمنافع البيئية.»

للمزيد من المعلومات: روزبه شاهسفاري وآخرون، اضطرابات الحافة في سيليكات الكلسيوم: الملاحظات التجريبية وتحليل ذري، إسمنت وأبحاث الخرسانة (2016). “انقر هنا”

المترجم: أمين المهدي الصفحي
تدقيق: جمان الرشدان
المصدر