تأثير نسبة الماء إلى الإسمنت على أداء المونة المصنوعة من نفايات البناء والهدم
في كل مطبخ قاعدة صغيرة لا تُكتب: كوبان من الماء لكل كوب من الأرز. تطبقها بإخلاص سنوات، ثم ترفع الغطاء ذات يوم فتجد الحبوب قاسية والقدر جافاً، لأن نوع الأرز تغيّر وأنت لم تنتبه. الحبّة التي كانت تشرب قدراً معلوماً صارت تشرب أكثر، فلم تعد القاعدة تقول الحقيقة. ما يجري في القدر يجري على السقالات حين نستبدل برمل النهر ركاماً مسحوقاً من مبانٍ هُدمت. النسبة التي يحفظها كل مهندس بين الماء والإسمنت لا تعود كافية لفهم ما يحدث داخل الخلطة. والأغرب أن الماء الذي يُسحب من المزيج قد يجعل المونة أقوى لا أضعف. فكيف تقلب مادةٌ مصدرها النفايات قاعدةً اعتدنا الوثوق بها؟ الجواب في رقم لا يظهر في أي مخطط: كمية الماء التي تصل فعلاً إلى الإسمنت.
الرمل الذي يشرب أكثر مما نظن
حين نتحدث عن الرمل الطبيعي فنحن أمام مادة قليلة الشهية للماء، إذ يتراوح امتصاصها عادة بين واحد وواحد ونصف في المئة من وزنها. أما الرمل المستخرج من نفايات البناء والهدم فحكايته مختلفة. تشير المراجعة التي أجراها سيلفا ودي بريتو وضير إلى أن الركام الناعم المعاد تدويره قد يمتص من خمسة في المئة إلى أكثر من ثلاثة عشر في المئة، بحسب طريقة المعالجة ونوع النفاية. وتتباين الأنواع في ما بينها. فركام الخرسانة المعاد تدويره يمتص نحو 4.7 إلى 9.5 في المئة، والركام المختلط بين 7.2 و9.3 في المئة، أما ركام الطوب والمبنى المعاد تدويره فقد يبلغ 13.4 في المئة.
السبب يكمن في تركيب الحبيبات نفسها. كل حبة منها قطعة صغيرة من جدار قديم، تحمل ملاطاً إسمنتياً ملتصقاً بها، وجزيئات خزفية، ومكونات مسامية أخرى. هذه المسام تعمل كآلاف الإسفنجات المجهرية التي تنتظر أول قطرة ماء. والمهندس الذي يقف أمام كومة الرمل المعاد تدويره في فناء الموقع لا يرى مادة خاملة، بل يرى خزاناً مفتوحاً يمتص من الخلطة جزءاً من مائها قبل أن يتاح للإسمنت.
تبدو هذه التفاصيل شأناً مخبرياً، لكنها تمس اقتصاد الموقع مباشرة. فالكمية التي يأمر بها رئيس الورشة لكل خلطة قد تذهب في أحوال كثيرة إلى مسام الركام لا إلى تفاعل الإسمنت. ومن هنا يصير السؤال الأول في الخلطات المعاد تدويرها مختلفاً عن السؤال التقليدي. لم يعد السؤال كم ماءً نضيف، بل: أيّ ماء نقصد حين نقول «نسبة الماء إلى الإسمنت»؟
حين ينقسم الماء إلى ماءين
يقوم جوهر المسألة على تمييز يغيب عن كثيرين، وهو الفرق بين النسبة الكلية والنسبة الفعّالة. الأولى هي كل الماء المضاف إلى الخلطة مقسوماً على الإسمنت. والثانية هي الماء المتاح فعلاً للتفاعل بعد أن يأخذ الركام حصته. فإذا استُخدم الركام جافاً سحب جزءاً من ماء الخلطة وانخفضت النسبة الفعّالة. وإذا نُقع قبل الخلط حمل ماءه معه فارتفعت النسبة الكلية المطلوبة لبلوغ القوام نفسه.
وقد بيّن كوينكا-مويانو وزملاؤه، بتحليل تباين ثلاثي الاتجاه، أن النسبة الكلية وحدها فسّرت 46.9 في المئة من تباين قوام المونة، ونسبة الركام المعاد تدويره 36.6 في المئة، وجرعة الإضافة الكيميائية 5.7 في المئة. وعندما ثبّت الباحثون النسبة الكلية عند 1.4 واستخدموا الركام جافاً، تراجع قوام المونة بما يصل إلى 34.4 في المئة عند الاستبدال الكامل، لأن الركام شرب ماء الخلط قبل أن يؤدي الماء وظيفته. ولم تبلغ الخلطات كلها القوام اللدن المناسب للبناء، أي ما يزيد على 140 ملم، إلا حين نُقع الركام حتى 67 إلى 80 في المئة من قدرته على الامتصاص، فارتفعت النسبة الكلية إلى ما بين 1.48 و1.80.
وتتقاطع هذه النتيجة مع ما وجده سايس مارتينيز وزملاؤه، إذ اضطروا إلى زيادة ماء الخلطة تجريبياً كلما ارتفعت نسبة استبدال الرمل الطبيعي، كي يصلوا إلى قوام مستهدف قدره 175±10 ملم. وعند الاستبدال الكامل بركام خرساني احتاجت النسبة إلى نحو 0.85 حتى 1.0 بحسب محتوى الإسمنت. وقد تبدو هذه الأرقام غريبة لمن اعتاد نسب الخرسانة، لكنها تعكس منطق المونة المعاد تدويرها: فالنسبة المعلنة على الورق لا تعني شيئاً قبل أن نعرف حالة الركام. وحين تُفهم هذه الازدواجية تظهر مفارقة أعمق، فالماء الناقص قد يكون أحياناً نعمة.
المفارقة: الركام العطشان يصنع مونة أقوى
قد يبدو غريباً أن الركام الذي يسرق الماء من الخلطة يمنحها قوة إضافية. لكن ما يحدث عند سطح الحبيبة، فيما يسميه المهندسون منطقة التماس الانتقالية، يفسّر ذلك. هي الطبقة الرقيقة بين الركام والعجينة الإسمنتية الجديدة، وأضعف نقطة في أي مونة أو خرسانة. حين يمتص الركام الجاف بعضاً من الماء الحر عند اللحظات الأولى، تنخفض النسبة الفعّالة في هذه المنطقة بالذات، فيتحسن الالتصاق ويصير النسيج أكثر كثافة.
وتؤكد أرقام كوينكا-مويانو هذه الفكرة. فكل المونات التي صُنعت بالركام الجاف تجاوزت مقاومة الضغط لمونة المقارنة، وهي من فئة M5 ومقاومتها 7 نيوتن/ملم²، بزيادات تراوحت بين 17.4 و61.9 في المئة. وكانت النسبة الكلية مسؤولة عن 77.1 في المئة من تباين مقاومة الضغط عند 28 يوماً، وهي الأثقل وزناً بفارق كبير، بينما لم يفسّر نوع الركام المعاد تدويره سوى 2.8 في المئة.
وفي دراسة فايشناف وتريفيدي، ثبتت النسبة الاسمية عند 0.4 مع ملدِّن فائق، وقورنت حالتا الركام الجاف والمشبع. في الحالة الجافة ارتفعت المقاومة مع نسبة الاستبدال حتى 75 في المئة، وبلغت 53.86 ميغاباسكال عند 28 يوماً، أي أعلى من مونة المقارنة بـ15.3 في المئة. وفي الحالة المشبعة انعكس المشهد: ارتفعت النسبة الفعّالة وتراجعت المقاومة كلما زاد الاستبدال، ولم يتجاوز الاستبدال الأمثل 25 في المئة. وجاءت دراسة وو وزملائه بنسبة ماء إلى مادة رابطة قدرها 0.5 وركام مشبع جاف السطح لتؤكد الاتجاه نفسه: انخفضت مقاومة الضغط بنسبة 3.0 و7.3 و14.4 في المئة عند استبدال 25 و50 و100 في المئة.
الخلاصة العملية أن الركام المعاد تدويره لا يضعف المونة بطبيعته. ما يضعفها هو أن نتركه يُربك حسابات الماء. لكن القوة في الأسبوع الرابع ليست كل القصة، فالجدار يعيش عقوداً.
ثمن الماء الزائد يُدفع بعد سنوات
الجدار لا يُختبر في المختبر، بل تحت المطر والشمس والرطوبة الصاعدة من الأرض. وهنا تتحول نسبة الماء إلى مسألة متانة. فقد تبين في دراسة كوينكا-مويانو أن النسبة الكلية كانت ثاني أهم عامل في معامل الامتصاص الشعري بعد جرعة الإضافة الكيميائية، إذ فسّرت 4.9 في المئة من التباين. وكلما ارتفعت النسبة زادت المسامية الشعرية. ومع ذلك خفّض استخدام الركام الجاف الامتصاص الشعري بما يصل إلى 71.7 في المئة مقارنة بمونة المقارنة، لأن البنية الأكثر كثافة تعيق تسلل الماء.
ويظهر ثمن الماء الزائد بوضوح في الانكماش. فقد وجد وو وزملاؤه أن استبدال الرمل بالكامل بركام معاد تدويره عند نسبة 0.5 رفع انكماش الجفاف بنسبة 38.0 في المئة وفقدان الماء بنسبة 75.3 في المئة. فالماء الذي تحتجزه الحبيبات المسامية يتبخر لاحقاً، والركام الأقل صلابة من الرمل الطبيعي يزيد الانكماش. وعلى الواجهات المطلية بالمونة يعني ذلك شروخاً شعرية تفتح الطريق أمام الرطوبة. لكن الدراسة نفسها كشفت أن إضافة مسحوق ناعم من نفايات الخرسانة بنسبة 30 في المئة خفّضت انكماش الـ28 يوماً إلى 0.189 في المئة بدلاً من 0.215 في المئة.
أما سثيباران فبيّن أن المونة المحتوية على نفايات كتل الإسمنت والرمل تفوقت في مقاومة التآكل، إذ فقدت كتلة أقل بنحو 40 في المئة عند استبدال 75 في المئة. غير أن مقاومتها الكيميائية للأحماض والقلويات تراجعت مع ارتفاع نسبة النفايات، وبخاصة عند استخدام نفايات كتل التربة المثبتة بالإسمنت. وفي اتجاه آخر، وجد محمد وزملاؤه أن نسبة 0.475 مع مخلفات ناعمة مغسولة من محطات الخرسانة الجاهزة، بنسبة استبدال حتى 20 في المئة، أعطت مقاومة أعلى بـ19 في المئة من المرجع مع انكماش أقل وامتصاص شعري مقبول. ولا تعمل هذه النسب في فراغ، فثمة أدوات تعيد ضبط المعادلة.
ما لا تفعله الحسابات تفعله الإضافات والمعالجة
إذا كان الركام العطشان يفرض معضلة الماء، فإن الكيمياء والمعالجة الميكانيكية تقدمان مخرجاً. الملدِّنات الفائقة، ومنها الأنواع القائمة على البولي كربوكسيلات، تسمح بالحفاظ على سيولة المونة بماء أقل، فتخفض النسبة الفعّالة دون التضحية بقابلية التشغيل. وقد ثبّت فايشناف وتريفيدي النسبة عند 0.4 بملدِّن من هذا النوع، فعوّض الملدِّن الطلب المرتفع على الماء عند الركام المعاد تدويره، وأتاح استبدال 75 في المئة من الرمل بركام معالج ميكانيكياً مع مقاومة أعلى بنحو 15 في المئة من المرجع.
وتلعب الإضافة المهوّية الملدِّنة دوراً حاسماً أيضاً. ففي دراسة كوينكا-مويانو كانت جرعتها العامل المهيمن على الامتصاص الشعري، إذ فسّرت 83.5 في المئة من التباين، وأدى رفع الجرعة من 1 إلى 9 في المئة إلى خفض معامل الامتصاص بما يصل إلى 55.5 في المئة، مع تحسّن واضح في تماسك المونة.
أما المعالجة الميكانيكية فتغيّر المادة الخام نفسها. قارن فايشناف وتريفيدي ثلاث طرق لإنتاج الركام الناعم: التكسير اليدوي، واليدوي مع الكسّارة الفكية، واليدوي مع الطحن بالكرات. حقق النوع الأخير، وهو الأكثر معالجة، أعلى كثافة بين الأنواع (2.78 غ/سم³) وأدنى امتصاص (7.8 في المئة)، وتفوقت مقاومته على المرجع بنحو 15 في المئة حتى عند الاستبدال الكامل. وأكدت مراجعة سيلفا أن الامتصاص يتراجع والكثافة ترتفع كلما زادت مراحل التكسير التي تزيل الملاط الملتصق، وأن غسل الركام يخفض الامتصاص بما بين 35 و55 في المئة، فينعكس ذلك مباشرة على الماء المطلوب.
وللإضافات المعدنية النشطة دور في الخلطات المعاد تدويرها بالكامل. فقد وجد وو وزملاؤه أن إضافة 10 في المئة من دخان السيليكا أو الميتاكاولين إلى مونة تجمع ركاماً ومسحوقاً معاد تدويرهما رفعت مقاومة الضغط بين 35.9 و38.1 في المئة، وخفّضت الامتصاص الشعري بين 31.4 و48.4 في المئة. هذه الأدوات تحتاج إلى من يحوّلها إلى قرارات في الموقع، وهذا ما نصل إليه الآن.
من المختبر إلى الورشة: أيّ نسبة لأيّ جدار؟
لا تعطي الدراسات رقماً سحرياً واحداً، لكنها ترسم خريطة قرارات واضحة. في مونة البناء غير الإنشائية من فئة M5، يمكن استخدام ركام جاف بنسبة استبدال 25 في المئة مع نسبة كلية تقارب 1.2 إلى 1.4، فيتحقق قوام مقبول مع الحفاظ على المقاومة أو تحسينها. وعند الانتقال إلى نسب استبدال بين 50 و100 في المئة، يصبح النقع المسبق للركام حتى 67 إلى 80 في المئة من قدرته على الامتصاص خياراً أكثر واقعية، مع نسبة كلية بين 1.5 و1.8، والقبول بمقاومة أقل من الخلطات ذات الركام الجاف.
أما حين تكون المقاومة هي الأولوية، كما في مونة ذات متطلبات إنشائية، فيتجه الحل نحو الركام الجاف بنسبة اسمية بين 0.4 و0.5 مع ملدِّن فائق، إذ تتجاوز المقاومة مونة المقارنة عند استبدال يصل إلى 75 في المئة. وحين يكون الهدف الاستدامة القصوى، أي مونة معاد تدويرها بالكامل، فالمسار الذي أثبت جدواه هو نسبة ماء إلى مادة رابطة 0.5 مع ركام مشبع، واستبدال 30 في المئة من الإسمنت بمسحوق معاد تدويره، مع 10 في المئة من دخان السيليكا أو الميتاكاولين.
وتعني هذه الخريطة للممارس أن مسؤولية المهندس لا تنتهي عند تحديد نسبة على الورق. فقياس امتصاص الركام، وتحديد حالته عند الخلط، وتقرير النقع من عدمه، كلها قرارات موقعية تحدد جودة الجدار. ومن يتجاهلها يكرر خطأ صاحب قدر الأرز: يطبق القاعدة نفسها على مادة تغيّرت. ويبقى السؤال الأكبر: ماذا نفعل بقواعد تعلمناها على مواد لم تعد هي مواد مدننا؟
ارفع غطاء القدر في المرة القادمة وانظر إلى الحبوب. إن كانت طرية فقد أصبت التقدير، وإن كانت قاسية فأنت لم تخطئ في الحساب، بل في افتراض أن الحبة لم تتغير. هكذا هي المونة المصنوعة من نفايات الهدم: تطلب منا أن نسأل عن المادة قبل أن نسأل عن النسبة، وعن ماضي الحجر قبل أن نقيس حاضره. المدن التي تُهدم اليوم ستبني غداً جدرانها الجديدة من حطامها، وفي كل حبة رمل معاد تدويرها ذاكرة مبنى سابق وسعة لم نقِسها بعد. فهل نمتلك الشجاعة لنتخلى عن الأرقام الجاهزة ونعلّم جيلاً كاملاً من المعماريين أن يقرأوا المادة قبل أن يكتبوا المواصفة؟ وإذا كان الماء الذي لا نراه هو ما يحدد متانة ما نبنيه، فما الذي لا نراه أيضاً في قواعد أخرى نثق بها؟
✦ ArchUp Editorial Insight
يحكم رقمٌ واحد مواصفات المونة لأنه يمكن أن يُكتب في العقد، ويُفحص في المستندات المقدَّمة للاعتماد، ويُنقل إلى الموقع دون حضور من اختاره، وهو نسبة الماء إلى الإسمنت. وتكشف الأبحاث المتعلقة بنفايات البناء والهدم ما تخفيه هذه الملاءمة. فالرمل الطبيعي يمتص نحو واحد إلى واحد ونصف في المئة من وزنه، بينما يمتص الركام الناعم المعاد تدويره من خمسة في المئة إلى أكثر من ثلاثة عشر في المئة، فلم تعد النسبة المعلنة تصف الماء الذي يصل فعلاً إلى الإسمنت. وتتقاطع دراسات كوينكا-مويانو، وفايشناف وتريفيدي، ووو وزملائه عند نتيجة واحدة: النسبة الاسمية نفسها تعطي مونة أقوى أو أضعف بحسب دخول الركام إلى الخلطة جافاً أو مشبعاً، وهي حالة نادراً ما تسجلها المواصفة. ويكافئ اختبار القبول نتيجة مقاومة الضغط عند ثمانية وعشرين يوماً، بينما تتحقق كلفة الماء الزائد، ومنها انكماش جفاف ارتفع بنسبة 38 في المئة، بعد سنوات في صورة شروخ شعرية على الواجهات المطلية بالمونة. فمن يحدد النسبة يغادر عند التسليم، ورئيس الورشة الذي يقرر نقع الركام أو تركه جافاً يعمل دون تكليف بقياس امتصاصه، والساكن الذي يرث الشروخ لم يكن له مكان في أيٍّ من القرارين. فالشرخ في الطلاء هو السجل المقروء لقياس لم يُلزم أي عقد أحداً بإجرائه.
المراجع
كوينكا-مويانو، غيما م.، وآخرون. “تأثير نسبة الماء إلى الإسمنت والركام الناعم المعاد تدويره والإضافة المهوّية الملدِّنة في خصائص مونة البناء بالطوب”. مواد البناء والإنشاء، 2020.
سيلفا، ريكاردو ف.، ودي بريتو، جورج، وضير، رافي ك. “خصائص وتركيب الركام المعاد تدويره من نفايات البناء والهدم الصالح لإنتاج الخرسانة”. مواد البناء والإنشاء، 2014.
سايس مارتينيز، بابلو، وآخرون. “دراسة مقارنة لثلاثة أنواع من الركام الناعم المعاد تدويره من نفايات البناء والهدم واستخدامها في صناعة مونة البناء”. مجلة الإنتاج الأنظف، 2016.
فايشناف، س. ك.، وتريفيدي، م. ك. “تقييم أداء خلطات المونة المستدامة باستخدام الركام الناعم المعاد تدويره المستخلص بتقنيات معالجة مختلفة”. البيئة والتنمية والاستدامة، 2023.
وو، هـ.، ووانغ، س.، وما، ز. “انكماش الجفاف والخصائص الميكانيكية وخصائص النقل في المونة المستدامة المحتوية على ركام ومسحوق معاد تدويرهما من نفايات الخرسانة”. مجلة هندسة المباني، 2022.
سثيباران، ن. “أداء مونة الإسمنت المستدامة المحتوية على أنواع مختلفة من نفايات البناء والهدم الطوبية”. التقنيات النظيفة والسياسات البيئية، 2023.
محمد، ت. ع.، وهارون، م. ز. ب.، ومسعود، م. م. ع. “إعادة استخدام المخلفات الناعمة المغسولة من محطات الخرسانة الجاهزة في المونة”. المجلة الأوروبية للهندسة البيئية والمدنية، 2024.
