ثورة في صناعة البناء والتشييد.. إنتاج خرسانة منخفضة الانبعاثات بإعادة تدوير الأسمنت

في تطور حديث، كشف الباحثون عن طريقة تحويلية لإنتاج خرسانة منخفضة الانبعاثات على نطاق واسع باستخدام الأسمنت المعاد تدويره.

يعد هذا الابتكار بأن يكون خطوة مهمة نحو تحقيق صافي انبعاثات صفرية، ومعالجة أحد التحديات البيئية الأكثر إلحاحًا في العالم.

كيمياء الخرسانة والأسمنت

تتكون الخرسانة من الرمل والحصى والماء والأسمنت الذي يعمل بمثابة مادة رابطة. على الرغم من أن الأسمنت لا يشكل سوى نسبة صغيرة من الخرسانة، إلا أنه يمثل ما يقرب من 90٪ من انبعاثاته.

يتضمن إنتاج الأسمنت عملية تسمى الكلنكرينج، حيث يتم تسخين الحجر الجيري والمواد الخام الأخرى إلى حوالي 1450 درجة مئوية، مما يؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون.

على مدى العقد الماضي، اكتشف العلماء بدائل مختلفة للأسمنت، في حين أن المواد البديلة مثل الرماد المتطاير يمكن أن تحل محل حوالي نصف الأسمنت في الخرسانة، إلا أن هذه البدائل تحتاج إلى تنشيطها كيميائيًا بواسطة الأسمنت المتبقي حتى يتصلب.

نهج جديد لإنتاج الخرسانة

تعتبر الخرسانة، في المرتبة الثانية بعد الماء من حيث الاستخدام العالمي، مسؤولة عن حوالي 7.5% من جميع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ.

إيجاد طريقة قابلة للتطوير وفعالة من حيث التكلفة لتقليل هذه الانبعاثات مع تلبية الطلب العالمي المرتفع على الخرسانة أمر بالغ الأهمية.

ابتكر باحثون من جامعة كامبريدج طريقة جديدة، تعمل على الاستفادة من أفران القوس التي تعمل بالكهرباء والمستخدمة في إعادة تدوير الفولاذ، وتم ونشرت الدراسة في مجلة الطبيعة .

لا تؤدي هذه العملية إلى إعادة تدوير الفولاذ فحسب، بل تعمل أيضًا على إعادة تدوير الأسمنت، وهو المكون الرئيسي للخرسانة المعروف بانبعاثاته الكربونية العالية.

وقد وصف الباحثون هذه الطريقة بأنها “معجزة مطلقة”، ويمكن أن تُحدث ثورة في صناعة البناء والتشييد.

خرسانة بدون أسمنت

أظهرت الاختبارات الأخيرة التي أجراها معهد معالجة المواد، وهو شريك في المشروع، أنه يمكن إنتاج الأسمنت المعاد تدويره على نطاق واسع في فرن القوس الكهربائي (EAF) لأول مرة.

تشير التجارب الناجحة إلى أن هذه الطريقة يمكن أن تؤدي في النهاية إلى إنتاج أسمنت خالٍ من الانبعاثات إذا تم تشغيل هذه الأفران بالطاقة المتجددة.

وسلط البروفيسور جوليان ألوود من قسم الهندسة في جامعة كامبريدج، والذي قاد البحث، الضوء على إحجام الصناعة عن تصور عالم خال من الأسمنت.

وقال البروفيسور ألوود، “لقد عقدنا سلسلة من ورش العمل مع أعضاء صناعة البناء والتشييد حول كيفية تقليل الانبعاثات الصادرة عن هذا القطاع، “لقد خرجت الكثير من الأفكار العظيمة من تلك المناقشات، ولكن الشيء الوحيد الذي لم يتمكنوا أو لم يرغبوا في أخذه في الاعتبار هو عالم بدون أسمنت”.

التغلب على القيود المادية

وأشار البروفيسور ألوود إلى التحدي المتمثل في الحجم في إيجاد بدائل لتلبية الطلب العالمي الذي يبلغ حوالي أربعة مليارات طن سنويا، موضحا: “لقد حددنا بالفعل الثمار المنخفضة التي تساعدنا على استخدام كميات أقل من الأسمنت عن طريق الخلط والمزج الدقيق، ولكن للوصول إلى الصفر من الانبعاثات، نحتاج إلى البدء في التفكير خارج الصندوق”.

قال الدكتور سيريل دونان، المؤلف الأول للدراسة: “لو كان من الممكن سحق الخرسانة القديمة، وإزالة الرمال والحجارة، وتسخين الأسمنت، فإنه سيزيل الماء ويشكل الكلنكر مرة أخرى، من شأن حمام من المعدن السائل أن يساعد في هذا التفاعل الكيميائي، وبدا أن فرن القوس الكهربائي المستخدم لإعادة تدوير الفولاذ هو احتمال قوي،”كان علينا أن نحاول”.

الكلنكر ملموسة للحد من انبعاثات الخرسانة

تتطلب عملية الكلنكر الحرارة والتركيبة الصحيحة من الأكاسيد، وكلها موجودة في الأسمنت المستخدم ولكنها تحتاج إلى إعادة التنشيط.

اختبر الباحثون مجموعة من الخبث الناتج عن مخلفات الهدم، وتمت معالجته في فرن EAF التابع لمعهد معالجة المواد باستخدام الفولاذ المنصهر، ثم تم تبريده بسرعة.

وأوضح الدكتور دونان “لقد وجدنا أن مزيج كلنكر الأسمنت وأكسيد الحديد يعد خبثًا ممتازًا لصناعة الصلب لأنه رغوي ويتدفق بشكل جيد، أنه إذا حصلت على التوازن الصحيح وقمت بتبريد الخبث بسرعة كافية، فسوف ينتهي بك الأمر إلى إعادة تنشيط الأسمنت، دون إضافة أي تكلفة إلى عملية صناعة الصلب”.

يحتوي الأسمنت المعاد تدويره على مستويات أعلى من أكسيد الحديد مقارنة بالأسمنت التقليدي، لكن هذا له تأثير ضئيل على الأداء.

تتوسع عملية إنتاج الأسمنت الكهربائي في كامبريدج بسرعة، مع إمكانية إنتاج مليار طن سنويًا بحلول عام 2050، وهو ما يمثل حوالي ربع إنتاج الأسمنت السنوي الحالي.

تحويل مخلفات الأسمنت إلى مورد ملموس

اكتشف فريق كامبريدج، أن الأسمنت المستخدم يمكن أن يحل محل تدفق الجير بشكل فعال، وهي مادة تستخدم في إعادة تدوير الفولاذ لإزالة الشوائب.

تقليديا، ينتهي تدفق الجير كنفايات تعرف باسم الخبث، ومن خلال استبدال الجير بالأسمنت المستعمل، يكون المنتج النهائي عبارة عن أسمنت معاد تدويره يمكن استخدامه في إنشاء خرسانة جديدة.

لا تضيف طريقة إعادة التدوير المبتكرة هذه تكاليف كبيرة لإنتاج الخرسانة أو الفولاذ، علاوة على ذلك، فإنه يقلل بشكل كبير من الانبعاثات من كلا الصناعتين عن طريق تقليل الحاجة إلى تدفق الجير.

فرص واسعة للابتكار

في حين أن إنتاج الأسمنت بدون انبعاثات يعد إنجازًا كبيرًا، أكد البروفيسور ألوود على الحاجة إلى تقليل الاستخدام العام للأسمنت والخرسانة.

وقال البروفيسور ألوود: “الخرسانة رخيصة وقوية ويمكن تصنيعها في أي مكان تقريبًا، لكننا نستخدم الكثير منها، “يمكننا تقليل كمية الخرسانة التي نستخدمها بشكل كبير دون أي انخفاض في السلامة، ولكن يجب أن تكون هناك إرادة سياسية لتحقيق ذلك”.

ويأمل الباحثون أن تلهم شركة Cambridge Electric Cement الحكومة للتعرف على الفرص الهائلة للابتكار في الرحلة إلى الصفر من الانبعاثات، والتي تمتد إلى ما هو أبعد من قطاع الطاقة.