الخرسانة كانت، ولا تزال، وستستمر في كونها مادة هيكلية حيوية – كيف يمكننا تجاوز عيوبها؟

قيود الخرسانة

أصبحت الخرسانة المادة الأساسية في البناء خلال العقود القليلة الماضية، خاصة في البيئات الحضرية الكثيفة. لقد حلت تدريجياً محل الطوب والحجر والخشب، بفضل تكلفتها المنخفضة، وسهولة استخدامها، وقابليتها للتوسع.

ولكنها ليست خالية من المشكلات.

الاستدامة

أولاً، هي بعيد كل البعد عن أن تكون منتجًا مستدامًا من حيث الموارد المستهلكة. إنها تستهلك كميات هائلة من الرمل، إلى درجة أنه وُصف أن العالم “ينفد منه الرمل”.

المصدر: Visual Capitalist

إنتاج الأسمنت هو أيضًا نشاط يستهلك طاقة كبيرة. كما أنه يُشغل تقريبًا بالكامل بالوقود الأحفوري، مما يجعل في إنتاج الأسمنت المسؤول عن 8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم.

يمكن مقارنة ذلك بانبعاثات ثاني أكسيد الكربون من السيارات والشاحنات، التي تُشكل 10٪ من الانبعاثات العالمية. لذا، جعل الخرسانة أكثر استدامة سيكون له نفس الأثر كتحويل جميع سيارات العالم إلى سيارات كهربائية وتشغيلها فقط بالطاقة الخضراء.

المتانة

لو استمرت مباني الخرسانة لقرون، كنا على الأقل نستطيع اعتبار أن استهلاك الرمل وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون كان أمراً تم إنجازه مرة واحدة وإلى الأبد، مع بقاء البناء لفترة طويلة بعد ذلك.

لكن هذا بعيد كل البعد عن الحقيقة. المباني المصنوعة من الخرسانة المسلحة، التي تشكل الغالبية العظمى مما يُبنى اليوم، لها متوسط عمر يتراوح بين 50 إلى 100 سنة فقط. ثم يجب هدمها بالكامل، وإزالة الأنقاض ودفنها في مكان ما، وإعادة بنائها من الصفر.

تقنيات الخرسانة الجديدة

إن الجمع بين التكاليف البيئية العالية ونقص المتانة يعني أن الخرسانة تحتاج إلى تحسين. بالطبع، يمكننا نظريًا العودة بالكامل إلى استخدام الحجر والطين والخشب فقط كمواد أساسية للبناء. ومع ذلك، تجعل العملية العملية وتكلفة الخرسانة المنخفضة من الصعب جدًا إزالتها من موقعها كمادة مفضلة لدى المعماريين.

إزالة الفولاذ

المسؤول الرئيسي عن انخفاض متانة الخرسانة الحديثة هو قضيب الفولاذ (قضيب التسليح) المُدخل فيها. يوفر قضيب الفولاذ مزايا هيكلية مهمة، من خلال تحسين القوة الشدية للخرسانة بشكل جذري (القدرة على مقاومة السحب أو التمدد).

المشكلة هي أن الفولاذ، الذي يتكون في الغالب من الحديد، يصدأ في النهاية. عند الصدأ، يتمدد، مما يسبب تشقق الخرسانة المحيطة به. يُطلق على ذلك غالبًا اسم “سرطان الخرسانة”، وهو السبب في أن الخرسانة المسلحة لا تدوم طويلاً.

المصدر: USNW Sydney

خرسانة الجرافين

مع اختراع مواد جديدة، يمكن تطبيق حلول جديدة على الخرسانة. بإضافة الجرافين إلى الخرسانة، مادة ثنائية الأبعاد استثنائية، تمكن الباحثون في جامعة فرجينيا من تعزيز أداء الخرسانة، مع جعلها أكثر متانة وتقليل انبعاثات الكربون تمكن الباحثون في جامعة فرجينيا من تعزيز أداء الخرسانة، مع جعلها أكثر متانة وتقليل انبعاثات الكربون.

نُشر ذلك في مجلة هندسة البناء تحت عنوان “Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene-enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay”.

ركزوا على الخرسانة المستخدمة في طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد، وهو موضوع تناولناه بمزيد من التفصيل في “Home Ownership is More Prohibitive than Ever Before in North America – Can 3D Printing Change This?”.

يمكن للخرسانة المعززة بالجرافين LC2 أن تقلل من انبعاثات الغازات الدفيئة بنحو 31٪ مقارنة بخليطات الخرسانة القابلة للطباعة التقليدية. ذلك لأنهم استخدموا الجرافين بدلاً من الفولاذ، الذي يُعد مصدرًا كبيرًا للكربون عند إنتاجه، والجرافين مصنوع من الكربون النقي. لذا، على الأقل بالنسبة للجزء المعزز، تلتقط هذه الخرسانة الجديدة الكربون بدلاً من إطلاقه.

مع ذلك، لا يزال جزء الأسمنت عملية كثيفة الكربون، لكن هذه خطوة أولى جيدة.

وبما أن الجرافين أكثر استقرارًا ولا يتأكسد (يصدأ)، فإن هذا النوع من الخرسانة يجب أن يكون محصنًا من سرطان الخرسانة. إذا استمر المبنى الناتج لفترة أطول بكثير، فسيعني ذلك انبعاثات أقل على المدى الطويل.

قضيب القنب

قد لا تكون المواد المتقدمة مثل الجرافين هي الخيار الوحيد. وهذا جيد لأن الجرافين، في الوقت الحالي، مكلف إلى حد ما، مما قد يعيق تسويق هذه الخرسانة عالية الأداء ومنخفضة الانبعاثات.

القنب (النوع غير المهلوس من نباتات القنب) يُستخدم بشكل متزايد في مواد البناء. عند معالجته بشكل صحيح، يمكن تحويله إلى مادة عزل، وكتل قنب للمباني الصغيرة، وحتى hemcrete (قنب+خرسانة).

المصدر: 2050 Materials

يمكن أيضًا تشكيله كقضيب للخرسانة على شكل قضيب مركب من ألياف طبيعية معززة بالحرارة (NFRT)، أو قضيب قنب، من خلال خلط حبل مبني على القنب مع غلاف من البلاستيك الحراري قضيب مركب من ألياف طبيعية معززة بالحرارة (NFRT).

المصدر: CASE

نظرًا لأن القنب هو ألياف نباتية، فهو سالب الكربون، حيث يحجز الكربون الجوي. كما أن القنب مقاوم جدًا وغير قابل للاشتعال.

الخرسانة ذاتية الشفاء

ليس كل الخرسانة تدوم بضعة عقود فقط. بعض أشكال الخرسانة كانت في الواقع قوية بما يكفي لتستمر لآلاف السنين، منذ الإمبراطورية الرومانية. على سبيل المثال، البانتريون الشهير هو أكبر قبة خرسانية غير مسلحة في العالم وقد بُنيت في عام 128 م.

المفتاح الأول هو أن هذه الهياكل الخرسانية لم تستخدم أي قضيب تسليح. كما أنها صُنعت بمواد خاصة، مثل الصخور البركانية والرماد، التي جعلت الخرسانة ذات قدرة جزئية على الإصلاح الذاتي.

لذا، رغم أنه قد لا يكون قابلًا للتوسع بشكل كامل، نظرًا لأن الصخور البركانية ليست وفيرة كالركام، قد يكون خيارًا للعديد من المباني التي لا تحتاج فعليًا إلى قضيب تسليح ومن غير المرجح أن تحتاج إلى إعادة بناء.

تسخين الخرسانة

إلى جانب التآكل، هناك عامل آخر يمكن أن يضر مباني الخرسانة وهو دورات التجمد والذوبان في الشتاء. في كل مرة، يتمدد الماء عند تجمده إلى جليد، مما يسبب تشققًا بسيطًا في الخرسانة أو تكوين شقوق. مع مرور الوقت، يمكن أن تتفاقم هذه الأضرار.

في مقال “الخرسانة ذات التسخين الذاتي يمكن أن تساعد طرقنا، طبقات المياه الجوفية، ومحافظنا”، استكشفنا كيفية دمج مادة تغير الطور منخفضة الحرارة (PCM) في كبسولات دقيقة من البرافين ومزجها مباشرةً في الخرسانة.

يمكن أن يساعد ذلك في الحفاظ على الخرسانة خالية من الصقيع عند درجات حرارة حول 0°C وتقليل احتياجات صيانة الطرق في الشتاء.

أسمنت خالٍ من الكربون

نظرًا لأن انبعاثات الكربون من الأسمنت تقارب تقريبًا انبعاثات السيارات، يلزم تحسين مهم لتقليل أو إزالة الانبعاثات الكربونية المرتبطة به، وهو أمر أسهل قولًا من فعله.

الطاقة الخضراء

نظرًا لأن إنتاج الأسمنت يتطلب الكثير من الحرارة، نحتاج إلى رؤية تطوير بدائل كهربائية أو حرارية لأفران ومصاهر تعتمد على الوقود الأحفوري.

ليس هذا بالضرورة مهمة تقنية معقدة للغاية، لكن رؤية الصناعة بأكملها تغير معداتها وتتبنى هذه التقنية الجديدة سيستغرق وقتًا.

بالإضافة إلى ذلك، البدائل الكهربائية للعمليات الصناعية القائمة على الوقود الأحفوري تكون خضراء بقدر الكهرباء التي تستخدمها. لذا، يلزم توفير إمداد ثابت من الكهرباء الخالية من الكربون.

انبعاثات الحجر الجيري المرتبطة

مشكلة كبيرة في إزالة انبعاثات الكربون من إنتاج الأسمنت هي أن ليست كل الانبعاثات ناتجة عن الطاقة المستهلكة. إذا كان الأمر كذلك، فإن استخدام الكهرباء الخضراء فقط لتسخين الحجر الجيري إلى الأسمنت سيكون كافيًا.

لكن الحجر الجيري نفسه، المادة الخام الأساسية للأسمنت، يُصدر ثاني أكسيد الكربون، وفقًا هذه الصيغة (مع Δ=الحرارة): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 في عملية تُسمى التحليل الحراري.

• استبدال الحجر الجيري: باستخدام سيليكات الكالسيوم بدلاً من كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري)، تقترح شركة Brimstone إنشاء أسمنت خالٍ من الكربون.
  • نظرًا لأن سيليكات الكالسيوم معدن وفير جدًا، فإن الأمر يتعلق أساسًا بتطوير التقنية وجعلها تنافسية تجاريًا.
• التقاط الكربون: في الوقت الحالي، تستخدم معظم مرافق إنتاج الأسمنت مصاهر وحجر جيري يعتمد على الوقود الأحفوري، قد يكون من الأسهل التقاط الانبعاثات بدلاً من تجنبها.
  • تم تشغيل أول مصنع تجريبي لإنتاج الأسمنت بهذه الطريقة بالفعل في النرويج وقد يكون نموذجًا يُتبع.

شركة الأسمنت المستدامة

كواحدة من الشركات الرائدة عالميًا في إنتاج الأسمنت، ستلعب CRH دورًا أساسيًا في تحويل بناء الأسمنت إلى صناعة أكثر استدامة. إنها تحتل المرتبة الأولى في إجمالي حجم مواد البناء المقدمة في كل من السوقين الأمريكي والأوروبي.

تعمل الشركة في 28 دولة و3,390 موقعًا، وتوظف 78,500 شخص، حيث تحقق CRH Americas 65٪ من مبيعاتها العالمية لعام 2023.

تتوقع الشركة أن الإنفاق القوي من الحكومات الغربية على البنية التحتية سيساعد في نمو أعمالها. كما أن اتجاهات إعادة التصنيع وإعادة توطين التصنيع عالي التقنية يجب أن تساعد أيضًا.

الاستدامة

حققت CRH تقدمًا جادًا في الاستدامة من خلال سلسلة من المبادرات:

• إنها أكبر شركة لإعادة التدوير في أمريكا الشمالية، حيث أعادت تدوير 43.9 مليون طن من النفايات والمنتجات الثانوية من صناعات أخرى في عام 2023.
• خفضت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 8٪ في عام 2023، بفضل استخدام 36٪ من الوقود البديل في مصانعها الأسمنتية.
• تستهدف خفض الانبعاثات بنسبة 30٪ بحلول عام 2030 (مقارنةً بانبعاثات 2021).

هذا جدير بالثناء بحد ذاته لكنه قد يُنظر إليه على أنه قليل جدًا، ومتأخر.

لحسن الحظ، تُعد CRH أيضًا محركًا لتغييرات أكثر جوهرية في الصناعة. وعلى وجه الخصوص، استثمرت 75 مليون دولار في شركة الأسمنت منخفض الكربون Sublime، بالتعاون مع عملاق الخرسانة الأوروبي Holcim.

تم تأسيس Sublime Systems من معهد MIT في عام 2020 لاستخدام جهاز التحليل الكهربائي لإنتاج الأسمنت في درجات حرارة محيطية، مستبدلة الأفران التي تستهلك الطاقة والوقود الأحفوري. كما يتيح استخدام مصادر الكالسيوم كمادة مدخل، مما يجنب إطلاق ثاني أكسيد الكربون من مدخل الحجر الجيري.

من المتوقع أن يفتح أول مرفق تجاري لـ Sublime في هوليك في أقرب وقت إلى عام 2026. إذا ثبت نجاحه، قد يكون ذلك نقطة تحول حقيقية لصناعة الأسمنت وقد يفتح الطريق إلى خرسانة منخفضة الانبعاثات قابلة للتوسع.

“Sublime هي قوة م disruptive في صناعة الأسمنت. تقنيتها الفريدة تغطي كامل عملية الإنتاج، من استخدام الكهرباء النظيفة إلى المواد الخام الخالية من الكربون. نحن متحمسون لإمكاناتها وسعداء بالتعاون لإدخالها إلى السوق على نطاق واسع. هذا الاستثمار يتماشى تمامًا مع استراتيجية Holcim لتسريع إزالة الكربون من البناء من خلال توسيع نطاق أكثر التقنيات ابتكارًا.”
Officer Nollaig Forrest – رئيس الاستدامة في Holcim

استثمرت CRH أيضًا في شركات ناشئة أخرى لتقليل الكربون والاستدامة:

• 23.7 مليون يورو في Cool Planet Technologies، التي تطور حلولًا لالتقاط الكربون للصناعات التي كانت تقليديًا صعبة في تقليل الكربون.
• 34.7 مليون دولار من قبل CRH ومستثمرين آخرين في Carbon Upcycling Technologies، باستخدام حل تمعدن كهربائي بالكامل لتخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم في المنتجات الثانوية الصناعية والمعادن، مثل الأسمنت، والبلاستيك، والمنتجات الاستهلاكية، والأسمدة، والأدوية.
• AICrete، منصة ‘وصفة كخدمة’ تعمل مع منتجي الخرسانة المحليين، تحسين المواد المحلية وتقليل كمية الأسمنت المستخدمة باستخدام تحليلات الذكاء الاصطناعي، مما يقلل من البصمة الكربونية وتكلفة إنتاج الخرسانة.
• تمويل السلسلة B لشركة FIDO AI هو شركة ناشئة تستخدم الذكاء الاصطناعي لتقليل استهلاك المياه وزيادة توفير المياه.

بشكل عام، تُعد CRH رائدة مربحة في صناعة الخرسانة، وتستعد بنشاط كبير لإزالة الكربون من الصناعة، سواءً مباشرةً في المرافق القائمة أو من خلال كونها مزودًا رئيسيًا لرأس المال للشركات الناشئة المبتكرة التي تخلق الجيل التالي من تقنيات إنتاج الأسمنت والخرسانة.