الجرافين المشتق من فحم الكوك المعدني يمكن أن يحل محل الرمل في الخرسانة.. تنمية حضرية أكثر استدامة

اعتماد العالم على الخرسانة، ثاني أكثر المواد استهلاكاً بعد الماء، يؤدي إلى أزمة بيئية وأزمة موارد، حيث تتجاوز معدلات استخراج الرمال معدل تجديدها الطبيعي .

وجدت دراسة أجراها باحثون من جامعة رايس ونشرت في مجلة ACS Applied Materials & Interfaces ، أن الجرافين المشتق من فحم الكوك المعدني، وهو منتج قائم على الفحم، يمكن أن يعمل ليس فقط كمادة مضافة معززة في الأسمنت ولكن أيضًا كبديل للرمل في الخرسانة.

وقال جيمس تور، أستاذ TT وWF Chao في جامعة رايس وأستاذ الكيمياء وعلوم المواد وهندسة النانو: “قد يكون لهذا تأثير كبير على واحدة من أكبر الصناعات في العالم”، “لقد قارنا الخرسانة المصنوعة باستخدام بديل الركام الجرافين مع الخرسانة المصنوعة باستخدام الركام الرملي المناسب، ووجدنا أن الخرسانة لدينا أخف بنسبة 25% ولكنها بنفس القوة.”

50 مليار طن سنوياً من الخرسانة

تعتبر الخرسانة، وهي خليط من الركام مثل الرمل والحصى المرتبطين بالأسمنت والماء، ضرورية للتنمية الحضرية، ومع توقع أن يعيش 68% من سكان العالم في المناطق الحضرية بحلول عام 2050، فمن المتوقع أن ينمو الطلب على الخرسانة وبالتالي تعدين الرمال بشكل كبير.

وقد تضاعف هذا الرقم ثلاث مرات خلال العقدين الأخيرين، ليصل إلى نحو 50 مليار طن سنوياً، ومع ذلك، فإن هذا يأتي بتكلفة بيئية كبيرة.

أزمة الرمال

ويمثل إنتاج الأسمنت، وهو أحد المكونات الرئيسية للخرسانة، 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في جميع أنحاء العالم، علاوة على ذلك، يشكل استخراج الرمال، غير المنظم إلى حد كبير، تهديدات خطيرة للأنظمة البيئية النهرية والساحلية.

ووفقا لتقرير للأمم المتحدة لعام 2022، فإن هذا الطلب المتصاعد على الرمال، إلى جانب النمو السكاني والتوسع الحضري، يمكن أن يؤدي قريبا إلى “أزمة الرمال”.

من خلال تطبيق تقنية التسخين بالجول المميزة على فحم الكوك المعدني، ابتكر مختبر تور نوعًا من الجرافين يمكن أن يكون بمثابة بديل للرمل في الخرسانة.

وقال بول أدفينكولا، أحد خريجي الدكتوراه في جامعة رايس والمؤلف الرئيسي للدراسة: “إن التجارب الأولية التي تم فيها تحويل فحم الكوك المعدني إلى جرافين أسفرت عن مادة تبدو مشابهة في الحجم للرمل”،”لقد قررنا استكشاف استخدام الجرافين المعدني المشتق من فحم الكوك كبديل كامل للرمل في الخرسانة، وتظهر النتائج التي توصلنا إليها أنها ستعمل بشكل جيد حقا.”

نسبة قوة إلى وزن أعلى

تظهر الاختبارات التي تقارن الخرسانة التقليدية مع الخرسانة المصنوعة من مجاميع الجرافين نتائج واعدة، لا تتطابق الخرسانة القائمة على الجرافين مع الخواص الميكانيكية للخرسانة القياسية فحسب، بل توفر أيضًا نسبة قوة إلى وزن أعلى.

استخدم مختبر تور تقنية فلاش جول في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك تخليق مواد الكربون النانوية الهجينة، وإعادة تدوير أجزاء البطارية، وإزالة المعادن الثقيلة من الرماد المتطاير للفحم.

وقال أدفينكولا: “تنتج هذه التقنية الجرافين بشكل أسرع وعلى نطاق أوسع من الطرق السابقة“.

ومع إمكانية تقليل الاعتماد على الرمال الطبيعية وخفض انبعاثات الكربون الناتجة عن صناعة الخرسانة، يمكن أن تؤدي هذه التكنولوجيا الجديدة إلى ممارسات تنمية حضرية أكثر استدامة .

وقال تور: “سيستغرق الأمر بعض الوقت حتى ينخفض سعر الجرافين بما يكفي لجعل هذا الأمر قابلاً للتطبيق”. “لكن هذا يظهر فقط أن هناك بدائل يمكننا اتباعها.”

وأكد ساتيش ناجاراجايا، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية والهندسة الميكانيكية وهو مؤلف مشارك في الدراسة، أن “30٪ من الخرسانة تتكون من الرمل – وهو جزء مهم”.

“إن حقيقة أننا على شفا “أزمة الرمال” تحفزنا على البحث عن بدائل، وفحم الكوك المعدني، الذي يكلف حوالي نفس تكلفة الرمل بحوالي 10٪ من تكلفة الخرسانة، يمكن أن يساعد ليس فقط في تحسين وقال ناجاراجايا: “إن الخرسانة ذات الجودة العالية، ولكنها تترجم أيضًا في النهاية إلى وفورات كبيرة”.

تابعنا على تطبيق نبض