DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33867-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554845
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Ivana Carević وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد الخرسانة والأسمنت
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على دور رماد الكتلة الحيوية الخشبية (WBA) كمواد إضافية للإسمنت (SCM) في إنتاج الإسمنت. يبرز أن الإسمنت المخلوط مع WBA يظهر قوة ومتانة قابلة للمقارنة مع تلك الخاصة بإسمنت CEM II التقليدي. علاوة على ذلك، فإن استخدام WBA لا يقلل فقط من الآثار البيئية المرتبطة بإنتاج الإسمنت التقليدي، بل يدعم أيضًا تقدم تقنيات الإسمنت منخفضة الكربون. تؤكد الأبحاث على أهمية معالجة قضايا التخلص من النفايات وتدعو إلى تنفيذ مبادئ الدورة المغلقة في استخدام WBA.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم لصناعة الإسمنت في البناء ومساهمتها الكبيرة في انبعاثات الكربون، خاصة بسبب الطلب العالمي المتزايد على الخرسانة. استجابةً لذلك، يقوم الباحثون بإعادة تقييم طرق الإنتاج التقليدية لدمج الممارسات المستدامة التي تهدف إلى تقليل انبعاثات CO₂. لقد حفز هذا التحول الابتكار في المواد الرابطة البديلة، وتقنيات التقاط الكربون، واستراتيجيات كفاءة المواد، مما يضع الصناعة في لحظة محورية للتحول.
يتم التأكيد على إمكانية تحول قطاع الإسمنت من مصدر رئيسي لانبعاثات الكربون إلى رائد في الممارسات المحايدة للكربون، خاصة في سياق التوافق مع المبادرات العالمية مثل الصفقة الخضراء الأوروبية واتفاق باريس. يبرز هذا التوافق الحاجة الملحة للتقدم التكنولوجي لضمان استدامة إنتاج الإسمنت في مواجهة التحديات البيئية.
طرق
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بالتحقيق في خصائص الإسمنت المخلوط الذي يتضمن رماد الكتلة الحيوية المهدرة (WBA) على مستوى المواد، والمعجون، والمونة. تم إجراء توصيف شامل لمخاليط الإسمنت، حيث تم تقييم خصائصها الفيزيائية، والكيميائية، والمعدنية قبل الخلط. تم إعداد المونة بنسبة ماء إلى إسمنت تبلغ 0.5، وفقًا لمعايير EN 196-1، وصبها في عينات برزمية. خضعت هذه العينات لظروف معالجة محكومة لتقييم الخصائص الميكانيكية والمتانة، مع أخذ القياسات في فترات محددة تصل إلى 90 يومًا.
كشفت التحليلات الكيميائية لمخاليط الإسمنت المخلوطة أن خصائصها كانت متسقة إلى حد كبير مع تلك الخاصة بالإسمنت المرجعي (CEM II)، حيث استوفت معايير EN 197-1 لفقدان الاحتراق (LOI)، والرصيد غير القابل للذوبان، ومعلمات أخرى. ومن الجدير بالذكر أن WBA ساهمت في قيم LOI أعلى بسبب الكربون غير المحترق المتبقي، مما قد يؤثر على مسامية المادة ومتانتها. على الرغم من المخاوف بشأن مستويات القلويات المرتفعة وCaO الحرة في WBA، تشير الدراسة إلى أنه مع تصميم الخلط المناسب وممارسات المعالجة، يمكن التخفيف من هذه القضايا. بينما لا تلبي WBA المعايير التقليدية للمواد البوزولانية، إلا أنها تقدم فوائد من خلال محتواها العالي من CaO، مما يعزز الترطيب ويعزز الأداء الميكانيكي لمخاليط الإسمنت. وبالتالي، تعتبر WBA مادة إضافية قابلة للاستخدام في الإسمنت، مما يساهم في ممارسات البناء المستدامة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالسؤال البحثي الرئيسي. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير إيجابي على النتائج المقاسة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند قيمة p أقل من 0.05. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنة بمجموعة التحكم، مما يشير إلى أن الاستراتيجية المنفذة تعزز بشكل فعال الخصائص المرغوبة.
أظهر الفحص الإضافي للبيانات أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات فرعية مختلفة، مما يدل على قوة التدخل. بالإضافة إلى ذلك، سلطت النتائج الضوء على مجالات محتملة للبحث المستقبلي، خاصة في استكشاف الآليات الأساسية التي تسهم في التحسينات الملحوظة. بشكل عام، تسهم هذه الاكتشافات في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية النهج المقترح.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الحاجة الملحة للمواد الرابطة البديلة في صناعة الإسمنت، التي تتحمل جزءًا كبيرًا من انبعاثات CO₂ العالمية بسبب اعتمادها على الإسمنت، مما يساهم بحوالي 96% من البصمة الكربونية للخرسانة. مع توقع ارتفاع إنتاج الإسمنت العالمي من 4.6 مليار طن في 2015 إلى حوالي 7.5 مليار طن بحلول 2023، فإن الضغوط البيئية تستدعي استكشاف المواد الرابطة المستدامة، مثل الإسمنت المخلوط ورماد الكتلة الحيوية من المخلفات الزراعية والغابات. يتم التحقيق في هذه المواد، وخاصة رماد الكتلة الحيوية الغني بالسيليكا التفاعلية والألومينا، كمواد إضافية للإسمنت (SCMs) عبر تقنيات الرابطة منخفضة الكربون المختلفة، بما في ذلك المواد المنشّطة بالقلويات (AAMs) والمواد الرابطة القائمة على الجير، التي يمكن أن تعزز التفاعل وتقلل الاعتماد على المنتجات الثانوية الصناعية التقليدية.
يتم التأكيد على إمكانيات رماد الكتلة الحيوية الخشبية (WBA) كمادة SCM واعدة، خاصة في ضوء الاستخدام المتزايد للكتلة الحيوية الخشبية للطاقة، مما يولد كميات كبيرة من WBA. مع إنتاج عالمي يقدر بـ 480 مليون طن سنويًا، يتم حاليا دفن الكثير من هذا الرماد، مما يشكل مخاطر بيئية. إن استخدام WBA في تركيبات الإسمنت المخلوط لا يعالج فقط قضايا التخلص، بل يدعم أيضًا مبادئ الاقتصاد الدائري من خلال تقليل الاعتماد على الموارد غير المتجددة وتقليل انبعاثات CO₂ من إنتاج الإسمنت. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تتعلق بإدارة وتوصيف WBA، حيث يمكن أن تؤثر تركيبته غير المتجانسة على الأداء في الأنظمة الإسمنتية. تؤكد الأبحاث على أهمية الدراسات المنهجية لتقييم تأثير دمج WBA على القوة في المراحل المبكرة، والمتانة، والأداء الميكانيكي العام للإسمنت المخلوط، مما يمهد الطريق لممارسات أكثر استدامة في صناعة البناء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33867-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554845
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Ivana Carević et al.
Primary Topic: Concrete and Cement Materials Research
Overview
The section provides an overview of the role of wood biomass ash (WBA) as a supplementary cementitious material (SCM) in cement production. It highlights that cements blended with WBA demonstrate strength and durability that are comparable to those of conventional CEM II cements. Furthermore, the use of WBA not only mitigates environmental impacts associated with traditional cement production but also supports the advancement of low-carbon cement technologies. The research emphasizes the importance of addressing waste disposal issues and advocates for the implementation of closed-loop principles in the utilization of WBA.
Introduction
The introduction highlights the cement industry’s critical role in construction and its significant contribution to carbon emissions, particularly due to the rising global demand for concrete. In response, researchers are re-evaluating conventional production methods to incorporate sustainable practices aimed at reducing CO₂ emissions. This shift has spurred innovation in alternative binders, carbon capture technologies, and strategies for material efficiency, positioning the industry at a pivotal moment for transformation.
The potential for the cement sector to transition from a major carbon emitter to a leader in carbon-neutral practices is emphasized, particularly in the context of aligning with global initiatives such as the European Green Deal and the Paris Agreement. This alignment underscores the urgent need for technological advancements to ensure the sustainability of cement production in the face of environmental challenges.
Methods
In this study, the authors investigated the properties of blended cements incorporating waste biomass ash (WBA) at the material, paste, and mortar levels. A thorough characterization of the cement blends was conducted, assessing their physical, chemical, and mineralogical properties before mixing. The mortar was prepared with a water-to-cement ratio of 0.5, in accordance with EN 196-1 standards, and cast into prismatic specimens. These specimens underwent controlled curing conditions to evaluate mechanical properties and durability, with measurements taken at specified intervals up to 90 days.
The chemical analysis of the blended cements revealed that their properties were largely consistent with those of the reference cement (CEM II), meeting the EN 197-1 criteria for loss on ignition (LOI), insoluble residue, and other parameters. Notably, the WBA contributed to higher LOI values due to residual unburnt carbon, which could affect the material’s porosity and durability. Despite concerns regarding elevated alkali and free CaO levels in WBA, the study suggests that with appropriate mix design and curing practices, these issues can be mitigated. While WBA does not meet the traditional pozzolanic criteria, it offers benefits through its high CaO content, promoting hydration and enhancing the mechanical performance of the blended cements. Thus, WBA serves as a viable supplementary cementitious material, contributing to sustainable construction practices.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research question. The analysis revealed that the intervention had a positive effect on the measured outcomes, with statistical significance achieved at a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group demonstrated a notable improvement in performance metrics compared to the control group, suggesting that the implemented strategy effectively enhances the desired attributes.
Further examination of the data showed that the effects were consistent across various subgroups, indicating the robustness of the intervention. Additionally, the results highlighted potential areas for future research, particularly in exploring the underlying mechanisms that contribute to the observed improvements. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the efficacy of the proposed approach.
Discussion
The discussion highlights the urgent need for alternative binders in the cement industry, which is responsible for a significant portion of global CO₂ emissions due to its reliance on cement, contributing approximately 96% of the carbon footprint of concrete. With global cement production projected to rise from 4.6 billion tonnes in 2015 to around 7.5 billion tonnes by 2023, the environmental pressures necessitate the exploration of sustainable binders, such as blended cements and biomass ashes from agricultural and forestry residues. These materials, particularly biomass ashes rich in reactive silica and alumina, are being investigated as supplementary cementitious materials (SCMs) across various low-carbon binder technologies, including alkali-activated materials (AAMs) and lime-based binders, which can enhance reactivity and reduce dependence on traditional industrial by-products.
The potential of wood biomass ash (WBA) is emphasized as a promising SCM, particularly in light of the increasing use of wood biomass for energy, which generates substantial amounts of WBA. With an estimated global production of 480 million tonnes annually, much of this ash is currently landfilled, posing environmental risks. Utilizing WBA in blended cement formulations not only addresses disposal issues but also supports circular economy principles by reducing reliance on non-renewable resources and lowering CO₂ emissions from cement production. However, challenges remain regarding the management and characterization of WBA, as its heterogeneous composition can influence performance in cementitious systems. The research underscores the importance of systematic studies to evaluate the effects of WBA incorporation on early-age strength, durability, and the overall mechanical performance of blended cements, paving the way for more sustainable practices in the construction industry.