تقنية جديدة لإنتاج الخرسانة الخضراء تمهد لثورة استدامة في قطاع البناء

ابتكر العلماء تقنيةً جديدةً لإنتاج الخرسانة الخضراء التي يُعوَّل عليها في إزالة الانبعاثات الكربونية من قطاع البناء والتشييد، وصولًا إلى أهداف الحياد الكربوني.

وترتكز التقنية الجديدة على تصنيع نوع من الخرسانة غنيّ بالمعادن الحيوية، عبر دمج الطباعة ثلاثية الأبعاد مع الهندسة البنائية الأحفورية للطحالب المجهرية.

وعلى الرغم من أن تلك الخرسانة الخضراء تتّسم بخفّة الوزن، فإنها ذات بُنية هيكلية سليمة تمامًا، ولديها القدرة على احتجاز ثاني أكسيد الكربون تزيد بنسبة 124% على الخلطات التقليدية.

كما تستعمِل الخرسانة الخضراء كمية أقل من الأسمنت، لكنّها ما تزال تلبي مستهدفات قوة الضغط القياسية.

وتمهّد نتائج الدراسة المنشورة في دورية أدفانسيد فانكشنال ماتيريالز (Advanced Functional Materials) الطريق أمام تصنيع مواد بناء تدعم الجسور وناطحات السحاب، كما تسهم باستعادة النظم البيئية البحرية، وتلتقط الكربون من الهواء

خفض الانبعاثات

يُراهَن على الخرسانة الخضراء الجديدة في إزالة الانبعاثات الكربونية المنطلقة من قطاع البناء؛ ما يسهم بقوّة في تقليص الاحترار العالمي وتخفيف أزمة المناخ.

وتُعدّ الخرسانة التي طالما نُظِر إليها على أنها العمود الفقري للحضارة والتمدن، مسؤولة عن قرابة 9% من انبعاثات غازات الدفيئة عالميًا؛ إذ يَطلِق المكون الرئيس للخرسانة -وهو الأسمنت- كمياتٍ ضخمةً من غاز ثاني أكسيد الكربون خلال الإنتاج؛ ما يجعلها أحد أكثر المواد تلويثًا للبيئة على كوكب الأرض.

لكن فريقًا من المهندسين والمصممين وعلماء المواد في جامعة بنسلفانيا الأميركية ربّما نجحوا في التوصل إلى مستقبل أكثر نظافة.

فقد صنع العلماء مزيجًا خفيف الوزن، ويحوي كميات قليلة من الأسمنت، عبر الجمع بين تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد وبين الطحالب المتحجرة، وإعادة التفكير في الهندسة الداخلية للخرسانة،

ولا يتّسم المزيج المذكور بقدرته على الاحتفاظ بقوّته فحسب، بل يستطيع كذلك امتصاص كميات أكبر من غاز ثاني أكسيد الكربون تصل إلى 142%، مقارنةً بالتركيبات التقليدية.

الشكل والقوة والاستدامة

يكمن السر بالتقنية الجديدة في تراب الدياتومي (diatomaceous earth) المعروف كذلك باسم "تراب المشطورات"، وهو مادة مسحوقة مصنوعة من أصداف السيليكا القديمة للطحالب المجهرية.

وبدمجها مع تصميم حسابي مستوحَى من المرجان ونجم البحر، تمتص تلك الخرسانة الغنية بالمعادن الحيوية المزيد من غاز ثاني أكسيد الكربون.

ويَستعمِل تراب الدياتومي مواد أقل، بل وقد يُستعمَل يومًا ما أداةً لاستعادة النظم البيئية البحرية، وفق معلومات طالعتها منصة الطاقة المتخصصة.

وسبق أن درس كبير المؤلفين المشاركين للدراسة شو يانغ الدياتومات (الطحالب العضوية) في سياق أحواض الكربون في المحيطات، ورأى أن هناك إمكانًا في الاستفادة من قدراتها الكبيرة على احتجاز غاز ثاني أكسيد الكربون الطبيعي في قطاع مواد البناء.

وقال يانغ: "عادةً إذا زدت منطقة السطح أو المسامية، فإنك تفقد القوة"، مضيفًا: "لكن هنا يحدث العكس؛ إذ يصبح الهيكل أقوى بمضي الوقت".

تقدّم ملموس

أوضح يانغ أن فريق البحث التابع له قد حقَّق تقدّمًا بنسبة 30% في امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون، عبر تعديل الهندسة الداخلية للمادة وضبطها، دون المساس بسلامة البنية الخاصة بها.

ومع ذلك لا يعتمد الإنجاز الذي حقّقه العلماء في تقنية الخرسانة الخضراء على المادة نفسها فحسب، بل على هندستها الهيكلية أيضًا.

وقد استلهم المؤلف المشارك للدراسة مسعود أكبر زاده وفريقه البحثي آلية عمل أسطح ثلاثية تُعرَف اختصارًا بـ"تي بي إم إس" (TPMS)، وهي هياكل فاعلة طبيعيًا، وموجودة في الشعاب المرجانية والعظام ونجوم البحر.

ولدى تلك الأشكال الملساء القدرة على تعظيم مساحة السطح ودرجة الصلابة مع استعمال أقل كمية من المواد؛ ما يجعلها ملائمة للقوة الهيكلية وامتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون، وفق معلومات طالعتها منصة الطاقة المتخصصة.

كما أضاف الباحثون كابلات ما بعد الشد (Post-tensioning cables) لتعزيز القوة الداخلية؛ ما يتيح للخرسانة الاحتفاظ بوزنها الخفيف دون المساس بمتانتها.

وكابلات ما بعد الشد هي كابلات فولاذية عالية الشد تُستعمَل في الخرسانة لتعزيز قوّتها وتحمُّلها الأحمال.

وبمجرد وضع نموذج للهيكل، يُقطع رقميًا إلى طبقات قابلة للطباعة، ثم يُدخَل في طابعة ثلاثية الأبعاد باستعمال حبر خرساني مطور خصوصًا لهذا الغرض.

ويعني التقطيع الرقمي في مجال معالجة الصور تقسيم الصورة إلى عدّة مناطق أو قطاعات، بناءً على خصائص معينة، مثل اللون أو الملمس

كتلة أقل.. تأثير أكبر

على الرغم من درجة مساميتها العالية، زادت قوة المادة المطبوعة خلال امتصاصها غاز ثاني أكسيد الكربون في أثناء عملية المعالجة.

وأظهرت الاختبارات المعملية أن المادة قد احتفظت بنسبة 90% من قوة الكتل الخرسانية الصلبة، مع استعمالها كتلة أقل بنسبة 68%، وتحقيقها نسبة امتصاص كربون أعلى بنسبة 32%، لكل وحدة أسمنت.

ويعكف الفريق الآن على توسيع نطاق التقنية كي تشمل مكونات معمارية أكبر، مثل الواجهات والألواح وحتى البنية التحتية البحرية.

وفي هذا الصدد قال المؤلف المشارك للدراسة مسعود أكبر زاده: "نحن نعكف حاليًا على اختبار مكونات أكبر بمخططات تقوية أكثر تطورًا"، مشيرًا إلى "كابلات ما بعد الشد" وهندسة موازنة القوى التي يتخصص فيها المختبر التابع له.

وتابع: "نرغب في ألّا تكون تلك المكونات متينة وفاعلة فحسب، بل قابلة للبناء على نطاق معماري كذلك".

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصدر:
1.كيفية تصنيع الخرسانة الخضراء، من نتائج دراسة منشورة في "إنترستنغ إنجنيرينغ"