خرسانة أكثر متانة تقاوم الرطوبة والملح

باستخدام «مانع التسرب النانوي»

عينة خرسانية مطلية بمادة مانعة للتسرب معدّلة بالنانو (يسار) مقابل خرسانة غير معالجة (جامعة واشنطن)

طوّر باحثو جامعة واشنطن الأميركية، مادة مانعة للتسرب مصممة بمواد متناهية الصغر لحماية الخرسانة بشكل أفضل من الرطوبة والملح، وهما العاملان الأكثر ضرراً في البنية التحتية الخرسانية المتهالكة. وجاء الإعلان عن تفاصيل هذا الإنجاز في دورية «المواد في الهندسة المدنية»، منتصف فبراير (شباط) الماضي، وتقدم أصحابه بطلب للحصول على براءة اختراع.
وأظهر مانع التسرب الجديد تحسناً بنسبة 75 في المائة في صد الماء، وتحسناً بنسبة 44 في المائة في تقليل تلف الملح في الدراسات المختبرية مقارنة بموانع التسرب التجارية، ويمكن أن يوفر العمل طريقة إضافية لمواجهة التحدي المتمثل في تقادم الجسور والأرصفة.
يقول شيانمينغ شي، الأستاذ في قسم الهندسة المدنية والبيئية، الذي قاد العمل «ركزنا على أحد الأسباب الرئيسية للإضرار بسلامة ومتانة الخرسانة، وهو الرطوبة، وإذا كان بالإمكان الحفاظ على الخرسانة جافة، فإن الغالبية العظمى من مشاكل تدني المتانة ستختفي».
وتقدم الجمعية الأميركية للمهندسين المدنيين كل 4 سنوات، منذ أواخر التسعينات، بطاقة تقرير للبنية التحتية تظهر باستمرار الدرجات الفقيرة أو الفاشلة، فنحو 8 في المائة من نحو 600000 جسر في الولايات المتحدة تعدّ معيبة من الناحية الهيكلية، وواحد من كل خمسة أميال من رصف الطرق السريعة في حالة سيئة.
وتتفاقم المشكلة في المناخات الباردة بسبب دورات التجميد والذوبان المتعددة، والاستخدام المتزايد لأملاح إزالة الجليد في العقود الأخيرة، والتي يمكن أن تؤدي إلى تدهور الخرسانة. ويقول شي «الخرسانة، رغم أنها تبدو مثل الصخور الصلبة، فإنها في الأساس عبارة عن إسفنجة عندما تنظر إليها تحت المجهر، فهي مادة مركبة عالية المسامية وغير متجانسة».
وظهرت مواد منع التسرب الموضعية كأداة واحدة لحماية الخرسانة، وتستخدمها العديد من إدارات النقل الحكومية لحماية أسطح الجسور على وجه الخصوص، والتي يبدو أنها تعاني من أسوأ الأضرار من جراء الملح. يقول شي، إن المواد المانعة للتسرب في السوق توفر مستوى معيناً من الحماية، لكن الرطوبة غالباً ما تكون قادرة على شق طريقها إلى الخرسانة.
وفي دراستهم، أضاف الباحثون مادتين نانويتين، وهما أكسيد الغرافين ومونتموريلونيت نانوكلاي، إلى مادة تجارية مانعة للتسرب تعتمد على السيليكون، لتكثف المواد النانوية البنية المجهرية للخرسانة؛ مما يزيد من صعوبة اختراق الماء السائل، كما أنها شكلت حاجزاً ضد تسرب بخار الماء والغازات الأخرى التي تميل إلى شق طريقها إلى الخرسانة، كما تحمي المادة النانوية الخرسانة من الهجمات الفيزيائية والكيميائية لأملاح التذويب.
وأجرى الباحثون تحليلاً أولياً للسوق مع أصحاب المصلحة في الصناعة ويدرسون طرقاً لزيادة تحسين مانعات التسرب، فهم يدرسون كيف يمكن أن تساعد المواد المانعة للتسرب القائمة على المواد النانوية في حماية الخرسانة من التلف الميكروبي أو التآكل، والتآكل والتلف اليومي الذي يضر بالمواد في المناطق ذات الازدحام الشديد، كما يخططون لإجراء تجارب على نطاق تجريبي في العامين المقبلين، ونشر تجربة للبنية التحتية الخرسانية في الحرم الجامعي لجامعة ولاية واشنطن أو في مدينة بولمان.