بوليمر سريع الجفاف مطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد من الطين والقنب ليحل محل الخرسانة

الحدود البيئية للخرسانة: استخدام الرمل وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون

أصبحت الخرسانة المادة الأساسية في البناء على مدى العقود القليلة الماضية، وخاصةً في البيئات الحضرية الكثيفة. وقد حلت تدريجيًا محل الطوب والحجر والخشب، بفضل تكلفتها المنخفضة وسهولة استخدامها وإمكانية توسيع نطاقها.

ولكن الأمر ليس خاليا من المشاكل.

أولاً، إنه ليس منتجًا مستدامًا على الإطلاق من حيث استهلاك الموارد. فهو يستهلك كميات هائلة من الرمال، لدرجة أن التقارير تشير إلى... "العالم بدأ ينفد من الرمال"

المصدر الرأسمالي البصري

يُعد إنتاج الأسمنت أيضًا نشاطًا كثيف الاستهلاك للطاقة. فهو يعتمد بشكل شبه كامل على الوقود الأحفوري، مما ينتج عنه في إنتاج الأسمنت، تكون مسؤولة عن 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم.

وهذا مماثل لانبعاثات السيارات والشاحنات الصغيرة، والتي هي المسؤولة عن 10% من الانبعاثات العالميةوبالتالي، فإن جعل الخرسانة أكثر استدامة سيكون له تأثير مماثل لتحويل جميع سيارات العالم إلى سيارات كهربائية وتشغيلها بالطاقة الخضراء فقط.

كيف تُنتج الطباعة ثلاثية الأبعاد للطين والقنب بديلاً للخرسانة منخفضة الكربون

وبالتوازي مع البحث عن بدائل أكثر خضرة للخرسانة التقليدية، ظهرت فكرة استخدام مبادئ الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء المنازل.

بدلاً من الطرق التي تتطلب عمالة كثيفة مثل البناء بالطوب، يمكن لآلة الطباعة ثلاثية الأبعاد الآلية تجميع الجدران بسرعة.

ومع ذلك، فإن طباعة الجدران لا تلغي وقت المعالجة الطويل المطلوب للخرسانة؛ فلا يزال هناك فترة انتظار لمدة 28 يومًا قبل أن يصل الهيكل إلى قوته الكاملة.

نجح باحثون في جامعة ولاية أوريغون في تطوير بديل للخرسانة يحتوي على كمية أقل بكثير من الكربون مع بقائه متوافقًا مع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

وقد نشروا نتائجهم في مجلة Advanced Composites and Hybrid Materials¹ تحت عنوان "الطباعة ثلاثية الأبعاد للبنية التحتية المستدامة باستخدام الخرسانة الطينية سريعة التصلب مع إضافات بيولوجية".

مرر للتمرير →

داخل بوليمر الطين والقنب: RICFP والمواد الخام البيولوجية

يتكون الأسمنت عادة من الكالسيوم والسيليكون والألمنيوم والحديد، والتي يتم تسخينها في النهاية في فرن وطحنها إلى مسحوق ناعم.

وبدلاً من ذلك، قام الباحثون بتطوير مادة بناء مصنوعة من الطين وقابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طريقة تُعرف باسم البلمرة الجبهية الكاتيونية المستحثة جذريًا (RICFP).

فهو يعتمد على ثلاثة مكونات كيميائية رئيسية:

• مونومر يتبلمر في وجود الجذور الحرة.
• مادة رابطة تربط خيوط البوليمر مع بعضها البعض.
• مبادر يطلق، تحت درجة حرارة عالية، الجذور الحرة اللازمة لبدء عملية البلمرة.

حقق الباحثون ذلك بدمج رابط RICFP مع ركام الطين، والرمل، والفحم الحيوي، وألياف القنب لتحسين قوة الضغط، والعزل، والاستدامة. وأُضيف إلى ذلك رابط مصنوع من مونومر الأكريلاميد (ACR)، ومادة رابطة ميثيلين بيساكريلاميد (MBA)، وبيركبريتات الأمونيوم (APS).

وفي المجمل، نجحنا في استخدام ما نسبته 70-80% من المواد الحيوية من حيث الوزن.

المصدر المركبات المتقدمة والمواد الهجينة

قوة فائقة وسرعة تصلب أسرع من الخرسانة التقليدية

التحسين الرئيسي الذي توفره هذه المادة مقارنة بالخرسانة هو القوة العالية، وخاصة بعد الطباعة ثلاثية الأبعاد مباشرة.

بفضل قوتها القابلة للبناء والتي تبلغ 3 ميجا باسكال (MPa)، فإنها تمكن من بناء جدران متعددة الطبقات وأسطح مستقلة مثل الأسقف.

تزداد هذه القوة بمرور الوقت، مما يؤدي إلى إنشاء مبنى نهائي قوي للغاية.

"تتجاوز 17 ميجا باسكال، وهي القوة المطلوبة للخرسانة الإنشائية السكنية، في ثلاثة أيام فقط، مقارنة بـ 28 يومًا للخرسانة الأسمنتية التقليدية."

ديفين روتش - أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية، كلية الهندسة بجامعة ولاية أوهايو

ميزة أخرى هي سرعة التصلب: تصل المادة إلى قوة 17 ميجا باسكال المطلوبة للخرسانة الإنشائية السكنية في ثلاثة أيام فقط. وتتصلب تمامًا في أقل من أسبوعين، مقارنةً بحوالي 28 يومًا للخرسانة الإسمنتية التقليدية.

اختبر الباحثون أيضًا أساليب بناء مختلفة للطباعة ثلاثية الأبعاد. وأثبتوا أن المتانة العالية وسرعة البلمرة تُمكّنان من طباعة الخليط الجديد دون الحاجة إلى بنية أساسية.

المصدر المركبات المتقدمة والمواد الهجينة

يمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة الجديدة لطباعة الأبواب والنوافذ ذات الأشكال العادية، وهي الميزات التي تتطلب عادةً مواد إضافية أو طرقًا خاصة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد للخرسانة.

"قدرة المادة على طباعة هيكل قائم بذاته دون استخدام دعامات، بما في ذلك القدرات المتنوعة والفريدة للطباعة باستخدام الخرسانة البوليمرية الأمامية."

ما الذي قد تعنيه الطباعة ثلاثية الأبعاد للطين والقنب للمباني المستقبلية؟

ورغم أن المنازل ومواد البناء المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد استخدمت الخرسانة في البداية، فمن المرجح أن تستفيد طريقة البناء الجديدة هذه من مواد جديدة.

في الوقت الحالي، وبما أنها لا تزال في مرحلة تجريبية، فإن المادة القائمة على الطين والقنب والفحم الحيوي أكثر تكلفة من الخرسانة.

ولكن المزيد من التطوير وخفض تكاليف البناء، بفضل كفاءة الطباعة ثلاثية الأبعاد، من شأنه أن يجعلها في نهاية المطاف على قدم المساواة مع المواد التقليدية.

وعلاوة على ذلك، فإن البصمة الكربونية العالية قد تكون عاملاً حاسماً إذا بدأت الضرائب على الكربون تؤثر بشكل كبير على تكاليف الأسمنت.

الاستثمار في إنتاج الأسمنت

CRH: شركة رائدة في مجال الأسمنت المستدام وجهود إزالة الكربون

بصفتها إحدى الشركات الرائدة عالميًا في إنتاج الأسمنت، ستلعب شركة CRH دورًا محوريًا في تحويل صناعة الأسمنت إلى صناعة أكثر استدامة. وتحتل المرتبة الأولى من حيث إجمالي حجم مواد البناء الموردة في كل من السوقين الأمريكية والأوروبية.

وتعمل الشركة في 28 دولة و3,390 موقعًا، وتوظف 78,500 شخصًا، حيث ستحقق CRH Americas 65% من مبيعاتها العالمية لعام 2023.

تتوقع شركة CRH إنفاقًا قويًا من الحكومات الغربية على البنية التحتية للمساعدة في نمو أعمالها. ومن المتوقع أيضًا أن تُسهم اتجاهات إعادة التصنيع ونقل التصنيع عالي التقنية إلى الداخل في هذا النمو.

المصدر CRH

لقد حققت CRH تقدمًا كبيرًا في الاستدامة من خلال سلسلة من المبادرات:

• وهي أكبر شركة لإعادة التدوير في أمريكا الشمالية، حيث قامت بإعادة تدوير 43.9 مليون طن من النفايات والمنتجات الثانوية من الصناعات الأخرى في عام 2023.
• نجحت الشركة في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 8% بحلول عام 2023، وذلك بفضل استخدام 36% من الوقود البديل في مصانع الأسمنت التابعة لها.
• وتهدف إلى خفض الانبعاثات بنسبة 30% بحلول عام 2030 (مقارنة بانبعاثات عام 2021).

وهذا أمر جدير بالثناء في حد ذاته، ولكن قد ننظر إليه على أنه قليل للغاية ومتأخر للغاية، بالنظر إلى الانبعاثات الكربونية التي تسببها صناعة الخرسانة.

لحسن الحظ، تُعدّ CRH أيضًا محركًا لتغييرات جوهرية في القطاع. والجدير بالذكر، استثمرت 75 مليون دولار في شركة الأسمنت منخفضة الكربون Sublime، بالتعاون مع شركة الخرسانة الأوروبية العملاقة Holcim.

أنظمة سامية انبثقت شركة "إم آي تي" (MIT) عام ٢٠٢٠ لاستخدام مُحلل كهربائي لإنتاج الأسمنت في درجات حرارة الغرفة، مُستبدلةً بذلك الأفران المُستهلكة للطاقة والوقود الأحفوري. كما تُتيح هذه التقنية استخدام مصادر الكالسيوم كمواد مُدخلة، مما يُجنّب انبعاث ثاني أكسيد الكربون من مُدخلات الحجر الجيري.

من المتوقع افتتاح أول منشأة تجارية لشركة Sublime في هوليوك في وقت مبكر من عام 2026. وإذا ثبت نجاحها، فقد تكون نقطة تحول حقيقية في صناعة الأسمنت، وقد تفتح الطريق أمام الخرسانة القابلة للتطوير ومنخفضة الانبعاثات.

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

• 23.7 مليون يورو تكنولوجيات الكوكب الباردتطوير حلول التقاط الكربون للصناعات التي كان من الصعب إزالة الكربون منها تقليديًا.
• 34.7 مليون دولار من قبل CRH ومستثمرين آخرين في تقنيات إعادة تدوير الكربون، باستخدام حل تعدين كهربائي بالكامل لتخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم في المنتجات الثانوية الصناعية والمعادن، مثل الأسمنت والبلاستيك والمنتجات الاستهلاكية والأسمدة والأدوية.
• أي كريت، وهي عبارة عن منصة "وصفة كخدمة" تعمل مع منتجي الخرسانة المحليين، وتعمل على تحسين المواد المحلية وتقليل كمية الأسمنت المستخدم باستخدام تحليلات الذكاء الاصطناعي، مما يقلل من بصمة ثاني أكسيد الكربون وتكلفة إنتاج الخرسانة.
• تمويل سلسلة B من FIDO AI هو مشروع ناشئ يستخدم الذكاء الاصطناعي لتقليل استهلاك المياه وزيادة توفير المياه.

أخيراً: كما تستثمر CRH أيضًا في طباعة الخرسانة ثلاثية الأبعاد (3DCP) من خلال شركتها التابعة Amerimix.

بشكل عام، تعد شركة CRH شركة رائدة مربحة في صناعة الخرسانة والبناء وتستعد بنشاط كبير لإزالة الكربون من الصناعة، سواء بشكل مباشر في المرافق الحالية أو من خلال كونها مزودًا رئيسيًا لرأس المال للشركات الناشئة المبتكرة التي تخلق الجيل القادم من تكنولوجيا إنتاج الأسمنت والخرسانة، بما في ذلك إزالة الكربون والطباعة ثلاثية الأبعاد.

أحدث أخبار وتطورات سهم CRH (CRH)

الدراسة المرجعية

^{١. نيكولاس أ. غونسالفيس وآخرون. الطباعة ثلاثية الأبعاد للبنية التحتية المستدامة باستخدام الخرسانة الطينية سريعة التصلب مع إضافات حيوية. المواد المركبة المتقدمة والمواد الهجينة. المجلد ٨، ١ أكتوبر ٢٠٢٥. https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01456-1}