مواد الرماد البركانيتتميز رماد الصخور البركانية (مثل الرماد البركاني، والرماد المتطاير، ودخان السيليكا، ورماد قشر الأرز، وغيرها) بخصائص فريدة بفضل مكوناتها الكيميائية التفاعلية وبنيتها الدقيقة. وتلعب دورًا لا غنى عنه في مجالات مواد البناء، والهندسة البيئية، والترميم الجيولوجي، وتطبيقات معدات معالجة مخلفات التعدين. وفيما يلي خصائصها وآليات عملها الرئيسية:

1.مكونات النشاط (ثاني أكسيد السيليكون₂ و ال₂O₃): عادةً ما بين 60% و90%. في وسط قلوي (مثل كا(أوه)₂ الناتج أثناء ترطيب الأسمنت)، يحدث التفاعل البوزولاني:

ثاني أكسيد السيليكون₂ + كا(أوه)₂ + H₂O → هلام CSH.
يملأ هذا الجل النانوي (10-50 نانومتر) CSH المسام ويكثف المادة بكفاءة، مما يحسن من تماسكها.

2.تطوير القوةتزداد قوة الضغط بعد ٢٨ يومًا بنسبة ١٥-٣٠٪ عند استبدال ٢٠٪ من الرماد المتطاير بالأسمنت؛ وعلى المدى الطويل، بعد ٩٠ يومًا، تتجاوز درجة التفاعل البوزولاني ٨٠٪. يبلغ نمو القوة ضعف نمو أنظمة الأسمنت النقي.
وهذه الظاهرة مرغوبة بشكل خاص في معدات معالجة المخلفات، حيث يجب أن تكون المكونات الهيكلية قوية ومتينة.

1.ملء الجسيمات:تملأ جزيئات الرماد البركاني، التي يبلغ حجمها في الغالب < 45 ميكرومتر (مع دخان السيليكا بحجم صغير يصل إلى 0.1-0.3 ميكرومتر)، الفراغات بين حبيبات الأسمنت، مما يقلل من المسامية الكلية بنسبة 5-8%.
يؤدي هذا التكثيف إلى إضعاف منطقة انتقال الواجهة (اي تي زد) - حيث ينخفض ​​سمكها من 40 ميكرومتر إلى 15 ميكرومتر - وبالتالي تثبيط بدء التشقق وانتشاره.
وتعتبر هذه الخصائص بالغة الأهمية عند تصميم مكونات معدات معالجة المخلفات المعرضة لأحمال ثقيلة.

2.تحسين بنية المسام:تنخفض نسبة المسام الشعرية الكبيرة (50 نانومتر) بنحو 50%.
يؤدي هذا إلى تحسين مقاومة التجميد (فقدان الكتلة <3% بعد 300 دورة تجميد وذوبان) ومقاومة النفاذية (تنخفض النفاذية إلى أقل من 1 × 10^{-12} م/ث)، وهو أمر مرغوب فيه لمعدات معالجة المخلفات المعرضة لظروف خدمة قاسية.

1.استخدام الكربون المنخفض والنفايات:
كل طن من الرماد المتطاير الذي يحل محل الأسمنت يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 0.6 إلى 0.8 طن.
ويوفر هذا فرصة للاستفادة على نطاق واسع من النفايات الصناعية في معدات معالجة مخلفات التعدين، مما يقلل من التخلص من النفايات ويحافظ على الموارد.

2.المقاومة الكيميائية:
يؤدي التفاعل البوزولاني إلى استنزاف كا(أوه)₂ ويمنع تكوين الإترنجيت التوسعي (< 0.1% توسع)، مما يحسن مقاومة هجوم الكبريتات.
علاوة على ذلك، تنخفض معامل انتشار الكلوريد إلى 1 × 10^{-13} م²/ثانية بسبب تكوين ملح فريدل (المتكون من ال₂O₃ وCl¯)، مما يؤدي إلى إطالة عمر خدمة معدات معالجة المخلفات في البيئات العدوانية.

3.التحكم في حرارة الترطيب:
بالنسبة للهياكل الكبيرة، فإن إضافة 30% من الرماد البركاني يمكن أن يقلل من درجة حرارة الترطيب القصوى بمقدار 10-15 درجة مئوية، مما يخفف من التشقق الحراري - وهو اعتبار مهم عند تصميم المكونات الضخمة لمعدات معالجة المخلفات.

1.مادة الجيوبوليمر الأولية:
يمكن استبدال حوالي 50% من الطين بالرماد البركاني لإنتاج جيوبوليمرات بقوة ضغط تبلغ 80-100 ميجا باسكال؛ وبعد 28 يومًا في حمض الرقم الهيدروجيني 2، تصل قوة الاحتفاظ إلى 85%.
وهذا يجعلها قابلة للتطبيق في المكونات المتخصصة لمعدات معالجة المخلفات المعرضة للأحماض.

2.تثبيت التربة وتصلب المعادن الثقيلة:
من خلال الامتزاز وتبادل الأيونات، يمكن تجميد الرصاص²+ وCd²+ بنسبة 90%.
علاوة على ذلك، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع كا²+ لتكوين الكالسيت (كربونات الكالسيوم₃)، مما ينتج عنه خزان كربون يتراوح بين 100 و200 كجم لكل طن - وهو أمر قيم لمعدات معالجة المخلفات في العمليات الحساسة للبيئة.

3.تطبيقات المواد الوظيفية:
يمكن لمواد الرماد البركاني المحفزة بثاني أكسيد التيتانيوم أن تتحلل المركبات العضوية (مثل رودامين ب 90%) تحت الأشعة فوق البنفسجية، في حين أن الكتل الخفيفة المسامية المصنوعة من الرماد البركاني لها موصلية حرارية منخفضة تتراوح بين 0.12–0.25 واط/{م ك}.
يمكن دمج مثل هذه الخصائص في المكونات المتخصصة لمعدات معالجة المخلفات.

1.التعديل النانوي:
إن إضافة 0.1% من أنابيب الكربون النانوية يمكن أن تزيد من التوصيل الكهربائي بمقدار 10^4 مرة، مما يجعلها مفيدة للحماية الكهرومغناطيسية ومكونات الاستشعار الذكية في معدات معالجة المخلفات.

2.التنشيط بمساعدة بيولوجية:
تفرز أنواع البكتيريا العصوية اليورياز لتحفيز ترسب كربونات الكالسيوم، مما يسمح بإصلاح ذاتي بنسبة 60% من الشقوق الدقيقة.
تظهر هذه التكنولوجيا إمكانية استخدام معدات معالجة المخلفات لإطالة عمر الخدمة تحت الضغط الميكانيكي.

تكمن الميزة الرئيسية لمواد الرماد البركاني في تآزرها بين التفاعلية والبنية والفوائد البيئية. ينبغي أن تركز الأبحاث المستقبلية على التعديلات المصممة خصيصًا وطرق الإنتاج منخفضة الكربون.

بالنسبة للتطبيقات الصناعية - وخاصة في معدات معالجة المخلفات - فإننا نوصي بما يلي:

1.اختيار المواد:
اختر الرماد البركاني مع مؤشر النشاط 70٪ (وفقا لـ بريطانيا العظمى/T 1596-2025).

2. تحسين تصميم المزيج:
استخدم طريقة سطح الاستجابة (آر إس إم) لموازنة الخصائص الميكانيكية والمتانة.

3.المراقبة الذكية:
تنفيذ أجهزة استشعار الألياف البصرية لتتبع تقدم الترطيب أثناء الخدمة.

بالنسبة للتطبيقات البحرية، يوصى باستخدام الرماد البركاني عالي الكالسيوم (أكسيد الكالسيوم سسسسس 15٪) لتعزيز مقاومة الكلوريد؛ ويمكن استخدام المسح المقطعي ثلاثي الأبعاد للتحقق من تحسين بنية المسام في مكونات معدات معالجة المخلفات.