دراسة تحسين الأداء الحراري لطوب مُصنّع من إعادة تدوير الأنقاض

اسم الباحث : م. أنس قرمو

اسم المشرف:  د. محمد عبده باكير   +  د. فاطمة الصالح

العنوان :دراسة تحسين الأداء الحراري لطوب مُصنّع من إعادة تدوير الأنقاض

العنوان باللغة الإنكليزية :The study of improving thermal performance of bricks manufactured from the recycling of rubble

العام :2021

القسم :هندســـــــــــــة القوى

الملخص:أصبح الطلب المتزايد على الطاقة هاجساً يؤرق جميع دول العالم ومن ضمنها الجمهورية العربية السورية، نتيجةً للتطور والتقدم الصناعي في كافة المجالات، بالإضافة إلى التغيرات المناخية التي شهدها العالم والمتمثلة بظاهرة الاحتباس الحراري، والتي أدت إلى زيادة استهلاك الطاقة على عمليتي التدفئة شتاءً والتبريد صيفاً. ومن جهة أخرى تشكل ركام أنقاض المباني عبئاً بيئياً وصحياً ومادياً كبيراً، لما لها من آثار سلبية على المجتمع والكائنات الحية. وتتطلب المرحلة القادمة (مرحلة إعادة الإعمار)، كميات هائلة من مواد البناء بشتى أصنافها، كالإسمنت والركام الطبيعي بأنواعه والطوب وغيرها من مواد بناء، وكان لابد من البدء بالتفكير بشكل جدي في البحث على بدائل لتأمين هذه الكميات، في ظل الاستنزاف الهائل للموارد الطبيعية لهذا الغرض، ناهيك عن التضخم السكاني الذي يؤدي إلى زيادة الطلب على المساكن من جهةٍ أُخرى.

يقدم هذا البحث دراسة تحسين الأداء الحراري لطوب مُصنّع من إعادة تدوير الأنقاض، حيث تم تصنيع 17 عينة مكوّنة من نوعين رئيسيين من أنقاض المباني، هما الحجر البازلتي الرغوي وأنقاض الطوب الاسمنتي، بالإضافة لباقي مكونات الطوب، وكان الاختلاف في العينات هو النسب الحجمية للمواد الداخلة في التركيبات، حيث تراوحت النسب الحجمية للحجر البازلتي ضمن العينات من 0% وحتى 80% ، وذلك بتدرج قدره 5% بين كل عينة والاخرى. تم اجراء الاختبارات لتحديد معامل التوصيل الحراري للعينات، تحديد الكثافة، تحديد السعة الحرارية، تحديد نسبة امتصاص العينات للماء وتحديد اجهاد الكسر الناتج عن الضغط للعينات المدروسة، وبينت العينات تحسناً من الناحية الحرارية مع زيادة نسبة البازلت فيها، من ثم تم اختيار ثلاث عينات من العينات المخُتبرة بناءً على نتائج الاختبارات الحرارية لها، تمثل كل عينة مختارة مجالاً لمعامل التوصيل الحراري، وهي التي تحوي نسب حجمية 20% و 40% و 60% من البازلت، حيث تم اعتماد تلك العينات كعينات أولية لإجراء التحسينات اللاحقة، فتم العمل على تحسين كل عينة أولية على حدى، من خلال إضافة مواد مُحسِنة لكلٍ منها، باعتماد مادتين لاستخدامهما لإجراء التحسين، هما البوليسترين والستيروبور الحبيبي، تم إضافة عشر نسب مختلفة من كل مادة محسِنة لكل عينة أولية من العينات المطلوب تحسينها، وبذلك أصبح لدينا  10عينات مُحسَنة بالبوليسترين و 10 عينات مُحسَنة بالستيروبور لكل عينة أولية مُراد تحسينها، وكانت النسب الحجمية للمواد المحسِنة المضافة تتراوح بين 9.09% وحتى 50% من مجمل حجم الخلطة، بالتالي أصبح عدد العينات 30 عينة مُحسَنة بالبوليسترين و30  عينة مُحسَنة بالستيروبور، وتم تصنيع عينات الشاهد من خلطة السوق المحلية وذلك لجعلها عينات مقارنة. تم إجراء جميع الاختبارات المذكورة سابقاً للعينات المُحسَنة، واختيار تركيبة خلطة العينة الأفضل حرارياً منها، مع مراعاة تحقيق تلك العينة للحدود المسموح بها في باقي نتائج الاختبارات، لاعتمادها في صناعة الطوب المُحسن حرارياً من الأنقاض المعاد تدويرها، وبينت نتائج الدراسة الحرارية بأن معامل التوصيل ينخفض مع زيادة نسبة المادة المُحسِنة، وكانت العينة المختارة، هي من العينات المُحسَنة باستخدام البوليسترين، وكانت تركيبتها الحجمية 33.33% حجر بازلتي مطحون، 11.11% طوب مطحون، 11.11% رمل ناتج عن الأنقاض، 44.44% بوليسترين، مضافاً إليها اسمنت بكمية 100 kg لكل 1 m³ من الركام. كانت نتائج الاختبارات التي أجريت على تركيبة العينة المختارة، على النحو الآتي: معامل التوصيل الحراري 0.1153 W/m.K بتحسين قدره 77.4% عن معامل انتقال الحرارة لعينة الشاهد، الكثافة 1096 kg/m³ وذلك بانخفاض قدره 34.22% عن عينة الشاهد، السعة الحرارية 1739.9 J/kg.K وبزيادة عن عينة الشاهد مقدارها 70.15% ، نسبة امتصاص الماء الناتجة عن الغمر 9.98%  وذلك بانخفاض عن عينة الشاهد قدره 43.11% وبلغ إجهاد الكسر الناتج عن اختبار الضغط للطوب المصنع من تركيبة العينة المختارة بشكلها النهائي (الطوب المقترح) 71.58 kg/cm² بتحسين قدره 29.5% عن الطوب المصنع من تركيبة عينة الشاهد بشكلها النهائي (طوب السوق).

لإجراء الدراسة العددية (نمذجة عددية) تم تصميم 12 نموذجاً مختلفاً من الطوب، الاختلاف بينها في شكل الفجوة الهوائية ونوع التوزيع، اعتمدت أشكال الفجوات التالية: الدائري، البيضوي، المربع، المستطيل، السداسي والمثلث، أما من حيث التوزيع فقد تم دراسة نوعين من طرق التوزع هما التوزيع المتوازي والتوزيع الشطرنجي للفجوات، وأُخذت تركيبة ونتائج الاختبارات التي أجريت على العينة المختارة كمعطيات لعملية النمذجة، وتم تقييم الدراسة العددية بناءً على كمية الحرارة المتدفقة عبر كل نموذج، فكان النموذج الأقل تدفقاً للحرارة هو للطوب ذي الفجوات البيضوية والتوزيع الشطرنجي، حيث بلغت كمية الحرارة المتدفقة عبره 10.29 W/m² صيفاً و16.89 W/m² شتاءً، وللمقارنة تم اجراء نفس الدراسة على نموذج من الطوب ذي الفجوات البيضوية والتوزيع الشطرنجي اعتمدت فيه تركيبة ونتائج الاختبارات التي أجريت على عينة الشاهد كمعطيات، فكان التدفق الحراري عبره 27.89 W/m² صيفاً و 45.39 W/m² شتاءً. وفي النهاية تم إجراء دراسة اقتصادية لكل من الطوب المقترح وطوب السوق، بينت نتائجها بأن الطوب المقترح يحقق وفراً في قيمة الطاقة قدره 63.09% صيفاً و62.79% شتاءً، وأفضل وفر في القيمة التأسيسية للجدار كانت 42.94% ، بالإضافة للوفر في القيم التأسيسية للأجهزة والمعدات، وأجور الصيانة.

الكلمات المفتاحية : تحسين الأداء الحراري للطوب، طوب مُصنّع من إعادة تدوير الأنقاض، الحجر البازلتي، الطوب الإسمنتي، معامل التوصيل الحراري، النمذجة الحرارية للطوب.

تحميل البحث :