تصميم خرسانة مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد لامتصاص مزيد من CO₂

الحدود البيئية للخرسانة: استهلاك الرمال وانبعاثات CO₂

أصبحت الخرسانة مادة البناء الأساسية خلال العقود القليلة الماضية، ولا سيما في البيئات الحضرية المكتظة. وقد حلّت تدريجيًا محل الطوب والحجر والخشب بفضل انخفاض تكلفتها وسهولة استخدامها وإمكانية إنتاجها على نطاق واسع.

لكنها لا تخلو من المشكلات.

أولًا، لا تُعد الخرسانة منتجًا مستدامًا على الإطلاق من حيث استهلاك الموارد. فهي تستهلك كميات هائلة من الرمال، حتى إن تقارير تشير إلى أن «العالم ينفد منه الرمل».

المصدر: Visual Capitalist

كما أن إنتاج الأسمنت نشاط كثيف الاستهلاك للطاقة. فهو يعتمد تقريبًا بالكامل على الوقود الأحفوري، ما يجعل إنتاج الأسمنت مسؤولًا عن 8% من انبعاثات CO₂ في العالم.

وتعادل هذه الانبعاثات تقريبًا انبعاثات السيارات والشاحنات الصغيرة، المسؤولة عن 10% من الانبعاثات العالمية. لذلك، فإن جعل الخرسانة أكثر استدامة سيكون ذا أثر يعادل التحول إلى السيارات الكهربائية في أنحاء العالم كافة، وتشغيلها حصرًا بالطاقة النظيفة.

لكن يمكن أيضًا تعويض جزء من هذه الانبعاثات بظاهرة تُسمى الكربنة، تمتص فيها المواد الأسمنتية CO₂ من الغلاف الجوي.

تبحث دراسة جديدة أجراها باحثون في ETH Zurich (سويسرا) وUniversity of Bath (المملكة المتحدة) وUniversity of Manchester (المملكة المتحدة) في إمكانية أن تكون البصمة الكربونية للخرسانة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد أقل من بصمة الخرسانة العادية، بفضل تسارع الكربنة. وقدّر الباحثون أن الكربنة في الخرسانة المطبوعة التي جرى تقييمها في برج Tor Alva يمكن أن تعوض نحو 21% من بصمتها الكربونية الأولية على مدى 50 عامًا.

نشر الباحثون نتائجهم في مجلة Cement and Concrete Research¹، تحت عنوان «إعادة الكربنة: فرصة جديدة للخرسانة المستدامة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد».

الخرسانة وCO₂

يتمثل السبب الرئيسي لارتفاع حصة الخرسانة من انبعاثات الكربون العالمية في تكليس الحجر الجيري (CaCO3)، الذي يتحلل إلى CO₂ وأكسيد الكالسيوم/الجير الحي (CaO). ثم يتحد الجير الحي مباشرةً مع السيليكا (SiO₂) والألومينا (Al₂O₃) وأكسيد الحديد (Fe₂O₃) الموجودة في الطين أو الطفل الصفحي، لتكوين الأسمنت النهائي.

«ينتج الجزء الأكبر من هذه الانبعاثات (عادةً 60% [2]) عن تكليس الحجر الجيري (CaCO3)، الذي يتحلل إلى CO₂ وأكسيد الكالسيوم (CaO)، قبل عملية تكوين الكلنكر التي تجري في الفرن. أما بقية انبعاثات CO₂ الناتجة عن الأسمنت فترتبط أساسًا بالوقود الأحفوري اللازم لتوفير الطاقة الحرارية.»

يمكن تعويض جزء من هذه الانبعاثات الكربونية في الخطوة التالية، بعد استخدام الأسمنت في إنشاء هياكل خرسانية.

في عجينة الأسمنت المتصلبة، تتفاعل نواتج الإماهة الحاوية على الكالسيوم ببطء مع CO₂ الموجود في الهواء، فتُكوّن كربونات الكالسيوم، وبذلك تحتجز CO₂.

«ومن منظور الاستدامة، يمكن وصف التفاعل نفسه، الذي يربط CO₂، بأنه إعادة كربنة. وتعادل هذه الكمية نحو 43% من انبعاثات CO₂ المرتبطة بإنتاج الأسمنت.»

لكن عملية الكربنة لا تخلو من السلبيات. فهي تقلل قلوية المحلول الموجود في مسام الخرسانة، ما قد يؤدي بدوره إلى زعزعة استقرار طبقة التخميل الموجودة على حديد التسليح. وقد يتسبب ذلك في تآكل الفولاذ، الأمر الذي يقلل العمر الافتراضي للمنشآت الخرسانية المسلحة العادية.

وقد يشكل ذلك مشكلة خطيرة للخرسانة منخفضة الكربون، إذ تميل إلى الكربنة بوتيرة أسرع من الخرسانة البورتلاندية العادية.

طباعة الخرسانة بتقنية ثلاثية الأبعاد

الاستناد إلى مثال واقعي

في سياق أساليب البناء الجديدة التي تستخدم التصنيع الرقمي بالخرسانة، تُعد الخرسانة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد التقنية الأوسع انتشارًا والأكثر وعدًا.

لتقييم البصمة الكربونية الفعلية لهذه التقنية، وضع مؤلفو هذه الدراسة منهجية لتقييم ديناميكي لدورة الحياة (LCA). واستخدموا برج Tor Alva المطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد في قرية Mulegns بجبال الألب السويسرية بوصفه دراسة حالة واقعية، مع التركيز على الأعمدة المتشعبة المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد والقبة.

المصدر: أبحاث الأسمنت والخرسانة

قاس الباحثون الكربنة أولًا باستخدام ثلاثة أساليب مختلفة: أحدها اختبار مُسرّع (باستخدام حجرة كربنة مضبوطة عند تركيز CO₂ يبلغ 4%، ورطوبة نسبية تبلغ 67%، ودرجة حرارة 20 °C)، والأسلوبان الآخران يستندان إلى نتائج الكربنة الطبيعية: القياس المباشر لعمق الكربنة، وقياس الكربونات/CO₂ باستخدام التحليل الوزني الحراري.

تحديد معدل الكربنة الفعلي

عند إسقاط أثر الكربنة المرصودة، اعتمد الباحثون أفقًا زمنيًا قدره 50 عامًا. كما قارنوا نتائج الهيكل الخرساني المطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد بنتائج هيكل مصبوب في الموقع، له شكل خارجي مماثل ومصنوع بتركيبة أسمنتية مماثلة.

ووجد الباحثون أن جميع المواد المتاحة في المنطقة التي تعرضت فيها الخرسانة للكربنة كانت تتفاعل وتمتص CO₂.

«في المنطقة المكربنة، تتراوح كمية ثاني أكسيد الكربون المرتبط بين 44.16 و51 غرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل 100 غرام من المادة الرابطة المميهة. وتعادل القيمة الأخيرة كميةً كافية من ثاني أكسيد الكربون لإزالة الكلس من جميع سيليكات الكالسيوم المميهة المتاحة.»

المصدر: أبحاث الأسمنت والخرسانة

بعد ذلك، يبرز السؤال التالي: ما مقدار الكربون الذي ستلتقطه الخرسانة المطبوعة ثلاثيًّا فعليًا طوال عمرها؟ ومن خلال تحليل مدى اختراق عملية الكربنة باستخدام اختبارات مُسرَّعة، توصل الباحثون إلى أنه خلال 50 عامًا، ستتكربن نسبة 86% من إجمالي الملاط المطبوع المستخدم في البرج، أي ما مجموعه 32 مترًا مكعبًا من الخرسانة المطبوعة المكربنة.

المصدر: أبحاث الأسمنت والخرسانة

عند مقارنة هذه النتائج بقياسات الكربنة الطبيعية، أعطى القياس المباشر لعمق الكربنة نتيجة مماثلة (89%). وقد توصلت الطرق إلى تقديرات مختلفة لمدى الكربنة، لكن هذه النسب لا تقيس مباشرةً إجمالي امتصاص ثاني أكسيد الكربون. ويوضح الباحثون أن مؤشرات الأس الهيدروجيني قد لا ترصد مقدارًا كبيرًا من الامتصاص قبل أن يتغير لون المادة. أما التحليل الوزني الحراري، فيقيس الامتصاص مباشرةً، وأيد تقديرًا بانخفاض البصمة الكربونية للخرسانة المطبوعة بنسبة 21%، مقارنةً بنسبة 14% عند استخدام قياسات الأس الهيدروجيني للكربنة الطبيعية.

المصدر: أبحاث الأسمنت والخرسانة

بالمقارنة مع الهيكل المصبوب في الموقع، تتمتع Tor Alva ببصمة كربونية أفضل، بفضل استخدام كمية أقل من الخرسانة بنسبة 25%، فضلًا عن تحسن الكربنة.

«على الرغم من استخدام كمية أقل من المواد الأسمنتية بنسبة 25%، يستطيع هيكل الخرسانة المطبوعة ثلاثيًّا ربط كمية من ثاني أكسيد الكربون تفوق 2.5 مرة ما يربطه الهيكل المرجعي المصبوب في الموقع (4.6 أطنان من ثاني أكسيد الكربون للهيكل المطبوع، و1.9 طن للهيكل المصبوب).»

تحسين التقاط الكربون

تشير هذه الدراسة إلى أن الكربنة السريعة قد تزيد من كمية الكربون التي تمتصها الخرسانة، ما يقلل بدرجة كبيرة إجمالي انبعاثات الكربون طوال دورة حياة المبنى. وينطبق ذلك بوجه خاص على الهياكل الخرسانية الخالية من قضبان التسليح الفولاذية، وعلى الخرسانة المطبوعة ثلاثيًّا بفضل تسارع الكربنة فيها.

وينبغي أيضًا ملاحظة أن دورات التجمد والذوبان، كما في الحالة المدروسة في جبال الألب السويسرية، يُرجح أنها أثرت في كل من الظروف الحدية وخصائص النقل الداخلي التي تتحكم في حركة الرطوبة وثاني أكسيد الكربون.

المصدر: أبحاث الأسمنت والخرسانة

عمليًا، قد يعني ذلك أن الخرسانة المطبوعة ثلاثيًّا في المناخات الأدفأ يمكن أن تعمل كمصرف للكربون بكفاءة أكبر، لكن إثبات ذلك يتطلب مزيدًا من الدراسات.

«قد يؤدي تجمد ماء المسام إلى إعاقة شبكة المسام جزئيًا، ومن ثم الحد من النقل الفعّال وإبطاء الكربنة. وتشير هذه النتائج إلى ضرورة مراعاة آثار درجات الحرارة المنخفضة عند وصف الكربنة في مثل هذه الظروف البيئية، سواء نشأت تلك الآثار عن الانسداد الجزئي للمسام، أو تغير حالة الرطوبة، أو كليهما معًا.»

ويفتح هذا أيضًا آفاقًا جديدة لتحسين الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة. إذ يمكن أن يصبح تحسين الكربنة عاملًا إضافيًا في التحسين الهندسي لهياكل الخرسانة المطبوعة ثلاثيًّا، من خلال تعريض أكبر مساحة ممكنة من سطحها للكربنة.

لا يعني هذا أن الخرسانة المطبوعة ثلاثيًّا أسلوب بناء خالٍ من الكربون. فحتى مع تحسين الكربنة، تظل الانبعاثات الناتجة عن التكليس أثناء إنتاج الأسمنت كبيرة. وبالطبع، فإن إعادة امتصاص الكربون على مدى 50 عامًا ستسهم إسهامًا كبيرًا في تغير المناخ خلال هذه الفترة.

لكن إذا أمكن التقاط انبعاثات الكربون هذه على مستوى مصنع الأسمنت، فقد تؤدي الكربنة اللاحقة لمبنى الخرسانة فعلًا إلى تحويل هذه البنية التحتية إلى مصرف صافٍ للكربون، رغم أنها مصنوعة من الخرسانة.

من الأرجح أن تبلغ الخرسانة المطبوعة ثلاثيًّا هذا الهدف قبل غيرها، من خلال الجمع بين التصميم الهندسي المحسّن والمواد الرابطة منخفضة الكربون والتسليح الملائم. وقد يتحول ذلك بدوره إلى فرصة لموردي مواد البناء.

الاستثمار في تقنيات الخرسانة المتقدمة

CRH

باعتبارها إحدى الشركات الرائدة عالميًا في إنتاج الأسمنت، سيكون لـCRH دور محوري في تحويل البناء بالأسمنت إلى قطاع أكثر استدامة. وتحتل المرتبة الأولى من حيث إجمالي حجم مواد البناء التي توفرها في كل من السوقين الأمريكية والأوروبية.

المصدر: CRH

تنشط الشركة في 28 دولة ومن خلال 3,390 موقعًا، ويعمل لديها 78,500 موظف، فيما تحقق CRH Americas نسبة 65% من مبيعاتها العالمية. وهي أيضًا بفارق كبير أكبر شركة للأسمنت، وقد تعززت ريادتها أكثر بفضل استحواذها مؤخرًا على Arcosa.

«تعزز الصفقة مكانة CRH بوصفها الشركة الرائدة في قطاع الركام بالولايات المتحدة وعلى مستوى العالم، كما تزيد انكشافها على بعض أسرع المناطق الإحصائية الحضرية نموًا في الولايات المتحدة.»

المصدر: CRH

تتوقع CRH أن يسهم الإنفاق الحكومي القوي في الدول الغربية على البنية التحتية في نمو أعمالها. ومن شأن اتجاهات إعادة التصنيع إلى الداخل وإعادة التصنيع عالي التقنية إلى البلدان المحلية أن تساعدها أيضًا.

أحرزت CRH تقدمًا ملموسًا في مجال الاستدامة من خلال سلسلة من المبادرات:

• هي أكبر جهة لإعادة التدوير في أمريكا الشمالية، إذ أعادت تدوير 43.9 مليون طن من النفايات والمنتجات الثانوية الناجمة عن صناعات أخرى في عام 2023.
• خفّضت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 8% في عام 2023، بفضل استخدام أنواع الوقود البديلة في 36% من مصانع الأسمنت التابعة لها.
• تهدف إلى خفض الانبعاثات بنسبة 30% بحلول عام 2030، مقارنةً بانبعاثات عام 2021.

وتسهم CRH أيضًا في إحداث تغييرات جوهرية في هذا القطاع. ومن أبرز ذلك استثمارها 75 مليون دولار في شركة Sublime المتخصصة في الأسمنت منخفض الكربون، إلى جانب شركة Holcim الأوروبية العملاقة في مجال الخرسانة.

انفصلت Sublime Systems عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في عام 2020، بهدف استخدام محلّل كهربائي لإنتاج الأسمنت في درجات الحرارة المحيطة، والاستغناء عن الأفران كثيفة الاستهلاك للطاقة والوقود الأحفوري. كما تتيح استخدام مصادر الكالسيوم موادَّ أولية، ما يجنب انبعاث ثاني أكسيد الكربون الناتج عن استخدام الحجر الجيري.

ومن المتوقع افتتاح أول منشأة تجارية لشركة Sublime في هوليوك في موعد لا يتجاوز عام 2026. وإذا ثبت نجاحها، فقد تُحدث تحولًا جذريًا في صناعة الأسمنت، وتمهّد الطريق لإنتاج الخرسانة منخفضة الانبعاثات على نطاق واسع.

كما استثمرت CRH في شركات ناشئة أخرى تعمل في إزالة الكربون والاستدامة:

• استثمار بقيمة 23.7 مليون يورو في Cool Planet Technologies، التي تطوّر حلولًا لالتقاط الكربون في الصناعات التي يصعب تقليديًا إزالة الكربون منها.
• استثمرت CRH ومستثمرون آخرون 34.7 مليون دولار في Carbon Upcycling Technologies، التي تستخدم حلًا كهربائيًا بالكامل للتمعدن، بهدف تخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم في المنتجات الثانوية الصناعية والمعادن، مثل الأسمنت والبلاستيك والمنتجات الاستهلاكية والأسمدة والمستحضرات الصيدلانية.
• AICrete منصة تقدم «الوصفات كخدمة»، وتتعاون مع منتجي الخرسانة المحليين لتحسين استخدام المواد المحلية وتقليل كمية الأسمنت المستخدمة بالاستعانة بتحليلات الذكاء الاصطناعي، ما يخفض البصمة الكربونية للخرسانة وتكلفة إنتاجها معًا.
• تمويل FIDO AI من الفئة B مخصص لشركة ناشئة تستخدم الذكاء الاصطناعي لخفض استهلاك المياه وزيادة الوفورات فيها.

وأخيرًا، تستثمر CRH أيضًا في الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة (3DCP) من خلال شركتها التابعة Amerimix.

إجمالًا، تُعد CRH شركة رائدة ومربحة في قطاعي الخرسانة والإنشاءات، وتستعد بنشاط كبير لإزالة الكربون من القطاع، سواء مباشرةً في منشآتها القائمة أو عبر توفير رأس المال للشركات الناشئة المبتكرة التي تطوّر الجيل التالي من تقنيات إنتاج الأسمنت والخرسانة، بما يشمل إزالة الكربون والطباعة ثلاثية الأبعاد.

أحدث أخبار سهم CRH (CRH) وتطوراته

الدراسة المشار إليها

^{1. لوكاس ناسيمينتو دي ليما. إعادة الكربنة: فرصة جديدة للخرسانة المستدامة المطبوعة ثلاثية الأبعاد. Cement and Concrete Research. ديسمبر 2026. المقالة: 108411. المجلد 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}