مراجعة عملية تمعدن هيدرات السيليكات الكلسية (C-S-H): من البنية الذرية إلى السلوك الماكروسكوبي

تخضع هيدرات السيليكات الكلسية (C-S-H) - المرحلة الرابطة الأساسية التي تحكم تماسك عجينة الأسمنت - لتحول فيزيائي كيميائي تدريجي عند التعرض لتمعدن الكربون، وهي عملية تحدد بشكل حاسم متانة الخرسانة في البيئات الجوية. عندما يخترق ثاني أكسيد الكربون (CO2) مصفوفة الأسمنت المسامية، يُحفز سلسلة من آليات التدهور: يؤدي إزالة الكالسيوم إلى إلغاء تكلس بنية C-S-H، مما يحفز بلمرة سلاسل السيليكيت من تكوينات ثنائية إلى سلاسل أطول، بينما يعيد ترسيب الكالسيوم كربونات وهلام السيليكا عديم الشكل تشكيل البنية واسعة النطاق على المستوى النانوي. تنتشر هذه التغيرات النانوية إلى تطور الخصائص الماكروسكوبية، مما يظهر على شكل زيادة أولية في القوة والصلابة نتيجة مواد تمعدن تسد المسام، يتبعها تدهور في نهاية المطاف مع تراجع الشبكة الرابطة التماسكية. تلخص هذه المراجعة الفهم الحالي لتطور الهيكل الناتج عن التمعدن، مع دراسة التأثيرات المترابطة للمعايير البيئية - تركيز CO2، الرطوبة النسبية، ودرجة الحرارة - إلى جانب الكيمياء الجوهرية لـ C-S-H (نسبة Ca/Si، استبدال الألمنيوم، ومحتوى القلويات) على حركية التفاعل وأداء المادة. مع ذلك، لا تزال فجوات معرفية كبيرة قائمة: ما زالت النماذج التنبؤية لمعدلات التمعدن في الخدمة غير متوفرة بسبب الانفصال بين ظروف المختبر المثالية والواقع المتنوع والمتشقق للخرسانة الميدانية؛ العلاقة السببية بين تغييرات C-S-H على المستوى النانوي وأنماط التصدع الماكروسكوبية والأداء الفيزيائي غير واضحة إلى حد كبير، وتعتمد معظم الدراسات الآلية على C-S-H الصناعي متجاهلة التعقيد التركيبي لأنظمة الأسمنت البورتلاندي الحقيقية. نقترح أيضًا استراتيجيات حماية ناشئة، تشمل طلاءات الحواجز السطحية والمواد الرابطة البديلة منخفضة الكربون (الجيوبوليمرات، أسمنتات الكالسيوم السلفو ألومينات، المواد ذات التأثير السلبي للكربون مثل الأسمنت المعاد تدويره)، والتي تظهر مقاومة معززة للتمعدن. تشمل أولويات البحث المستقبلية تطوير طبقات حاجزة فعالة للحماية من التمعدن، وتطوير تقنيات توصيف في الوقت الفعلي لمراقبة التفاعل، ونشر خوارزميات التعلم الآلي لربط المحاكاة الذرية بالتنبؤات على مستوى الهيكل، وإنشاء قواعد بيانات الأداء الميداني طويل الأمد للتحقق من نماذج التدهور المستمدة من المختبر.