استخدامات جديدة لنفايات البناء والهدم بنفس قوة الأسمنت التقليدي

في إطار إعطاء حياة ثانية لمواد البناء بعد هدمها، طور المهندسون في جامعة ساو باولو وبرينستون نهجًا لإعادة تدوير نفايات الأسمنت وتحويلها إلى بديل مستدام ومنخفض الكربون ويضاهي في الأداء معيار الصناعة.

بالإضافة إلى خفض كثافة الكربون في صناعة الأسمنت والخرسانة، يمكن أن تُتيح هذه العملية استخدامات جديدة لنفايات البناء والهدم، والتي تُعدّ الخرسانة مكونًا أساسيًا منها.

في عام ٢٠١٨، تجاوز إجمالي كمية نفايات البناء والهدم في الولايات المتحدة ضعف إجمالي النفايات المنزلية.

قال سيرجيو أنجولو، قائد فريق البحث وأستاذ هندسة البناء المدني والحضري بجامعة ساو باولو: “عادةً ما تنتهي نفايات البناء إما في مكبات النفايات، أو إذا أُعيد تدويرها، تُستخدم في تطبيقات منخفضة الجودة مثل الأرصفة أو التربة”.

وأضاف: “من المثير للاهتمام أن نثبت أنه يمكننا بالفعل إعادة تدوير نفايات الأسمنت المُستعادة هذه وتحويلها إلى تطبيقات عالية الجودة”.

وفي ورقتهم البحثية “الأسمنت المعاد تدويره بالحرارة الممزوج والمصمم هندسياً: دراسة حول التفاعلية، والطلب على المياه، والقوة والمسامية، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون”، والتي نشرت في مجلة الكيمياء والهندسة المستدامة التابعة للجمعية الكيميائية الأميركية، أظهر الباحثون، أن الخلطات التي تحتوي على ما يصل إلى 80% من هذا الأسمنت المعاد تدويره كانت بنفس قوة الأسمنت البورتلاندي التقليدي في حد ذاته مع توليد جزء بسيط من انبعاثات الكربون.

البصمة الكربونية العالية

يعد الأسمنت البورتلاندي المادة الرابطة الأكثر شيوعًا المستخدمة في إنشاء الخرسانة، ولكن كثافته الكربونية العالية هي السبب الرئيسي وراء مسؤولية صناعة الأسمنت والخرسانة عن حوالي 8% من الانبعاثات العالمية.

إذا تم تحقيق ذلك بالكامل وتطبيقه بالتنسيق مع التقنيات الناشئة الأخرى التي تحل محل الأسمنت، فقد قدر الباحثون إمكانية خفض انبعاثات صناعة الأسمنت بنسبة تصل إلى 61%.

وتتجاوز هذه التخفيضات المقدرة نسبة الـ 9% التي توقعتها الجمعية العالمية للأسمنت والخرسانة من خلال ما يسمى بأساليب استبدال الكلنكر.

وقالت كلير وايت، المؤلفة المشاركة في الدراسة، وهي أستاذة الهندسة المدنية والبيئية ومركز أندلنجر للطاقة والبيئة: “إن القفزة للأمام هنا هي أنه يمكنك الآن الحصول على خصائص قصيرة وطويلة الأجل تشبه إلى حد كبير الأسمنت البورتلاندي بمفرده مع بديل منخفض الكربون يتكون في الغالب من مواد معاد تدويرها”.

تمكين الأسمنت الدائري

إن جوهر عملية إعادة التدوير هو الحرارة، وبعد سحق الخرسانة إلى مسحوق ناعم ــ قدر الباحثون أنه من بين خمسة جيجا طن من نفايات الخرسانة المنتجة سنويا، يمكن للصناعة استعادة حوالي جيجا طن واحد من هذا المسحوق ــ قام الفريق بتسخينه إلى 500 درجة مئوية.

كانت هذه درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي لإزالة الماء من مسحوق الأسمنت واستعادة خصائصه كمادة رابطة ولكنها منخفضة بما يكفي لمنع تحلل مكونات الكربونات في المادة، مما قد يؤدي إلى انبعاثات إضافية من ثاني أكسيد الكربون.

بينما يُمكن استخدام هذا الأسمنت “المُنشَّط حراريًا” بمفرده في صناعة الخرسانة، وجد الباحثون أن مساحته السطحية العالية واستهلاكه للماء أثناء عملية الخلط أدى إلى مادة نهائية ذات مسامية عالية وقوة تحمل منخفضة.

ولكن بدمج الأسمنت المُعاد تدويره مع كميات صغيرة من أسمنت بورتلاند أو الحجر الجيري المطحون ناعمًا، أظهر رابط الأسمنت الناتج قوة تحمل وقابلية تشغيل تُضاهي معايير الصناعة.

وتحدث زيادة القوة لأن الأسمنت البورتلاندي أو الحجر الجيري المطحون ناعماً يملأ المسام في الأسمنت المعاد تدويره بمادة أخرى غير الماء، مما يقلل من الطلب الإجمالي على المياه وحتى تشكيل منتجات جديدة بعد عملية الخلط، تسمى منتجات الترطيب، والتي تزيد من قوة المادة.

قالت وايت: “في السابق، إذا استخدمنا فقط الأسمنت المُعاد تدويره المُنشَّط حراريًا، لم يكن أداؤه جيدًا بما يكفي ليكون بديلًا مقبولًا، ولكن بخفض مساحة السطح وتحسين تجميع الجسيمات في البنية الدقيقة للمادة، نحصل على مادة تُشبه إلى حد كبير أسمنت بورتلاند”.

وبما أن هذه العملية تعيد استخدام نفايات البناء، فقد قال الباحثون إن هذه العملية يمكن أن تحرك العالم نحو اقتصاد كربوني أكثر دائرية مع توليد انبعاثات كربونية أقل من البدائل الأخرى الناشئة للأسمنت منخفض الكربون.

على سبيل المثال، في الدراسة، يقدر الفريق أن الأسمنت الذي ينتجه ينبعث منه ما بين 198 إلى 320 كيلوجرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل طن متري، وهو ما يصل إلى 40% أقل من الانبعاثات من البديل منخفض الكربون المتوفر تجاريًا والمعروف باسم أسمنت الطين الجيري المحروق (LC 3 ).

قال أنجولو: “بفضل هذه التقنية، يُمكن تخيُّل أن تصبح المدن أكثر دائريةً مما هي عليه اليوم.، يُمكن استخدام مواد البنية التحتية المُهدَّمة مباشرةً في مشاريع البناء الجديدة”.

ورغم هذه الفوائد، أشار أنجولو ووايت إلى العديد من العقبات التكنولوجية والاقتصادية والسياسية التي تعوق نشر هذه التكنولوجيا على نطاق واسع.

على سبيل المثال، أوضحوا أن توسيع نطاق استخدام الأسمنت المُعاد تدويره يتطلب نهجًا أفضل لفرز ومعالجة نفايات الهدم، نهجًا يُراعي التدوير بدلًا من طمر النفايات.

كما أن هذه التقنية ستكون أكثر عملية في المدن الناضجة ذات مخزون المباني القديمة الموثوق، بدلًا من المناطق سريعة النمو ذات المباني الجديدة في المقام الأول.

وأخيرا، فإن قواعد البناء التي وضعت عندما كان الأسمنت البورتلاندي هو المادة الرابطة السائدة لإنتاج الخرسانة سوف تحتاج إلى التحديث، والابتعاد عن المعايير “القائمة على الوصفة” التي تحدد تركيبات معينة من الأسمنت إلى معايير تركز بدلا من ذلك على المتطلبات القائمة على الأداء.

وقال أنجولو، إن العديد من البلدان في أوروبا وأميركا اللاتينية بدأت بالفعل في اعتماد مثل هذه المعايير القائمة على الأداء، وهو ما قد يسمح باستخدام ليس فقط الأسمنت المعاد تدويره الذي يدرسه ولكن أيضًا مجموعة واسعة من البدائل منخفضة الكربون.

وأضاف: “في البرازيل، بدأنا بالفعل بتطبيق معايير الأداء لأغلفة وأرضيات المباني غير الإنشائية، يُعد تحديث قوانين البناء أمرًا بالغ الأهمية لإتاحة الابتكار في قطاع البناء”.