الأسمنت الأخضر: حلول أسمنتية خضراء

وصل وزن الناتج العالمي المتوقَع لهذه السنة من الأسمنت إلى 3.4 مليار طن، ولو تم صبّه فوق جزيرة مانهاتن؛ لتصلّب مشكِّلاً حجرًا بارتفاع 14 مترًا. ولو تم تشكيل هذا الحجر في السنة القادمة، فسيبلغ حجمًا أكبر، بسبب طفرة البناء العالمية في بلدان نامية، كالصين والهند. إن الأسمنت مادة خام مهمة جدًّا للحضارة، ضمت تشكيلات كثيرة، بدءًا من الأبنية الأثرية في روما، البالغ عمرها 2000 سنة، حتى ناطحات السحاب التي نراها في عصرنا الحالي، والطرقات السريعة بأحدث تصاميمها.
ولسوء حظ مناخ الأرض.. أن النوع الأكثر استخدامًا من هذه المادة حاليًا هو الأسمنت البورتلاندي، الذي يُصنَّع بشوي حجر الكلس مع الطين في أفران عملاقة. وهذه العملية تُطلق إلى الجو طنًّا من ثاني أكسيد الكربون، مقابل كل طن من الناتج النهائي. وللأسف، فإن إنتاج الأسمنت البورتلاندي مسؤول عن %5 من كل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الناجمة عن البشر.
أمّا الأسوأ بالنسبة إلى الباحثين الذين يسعون إلى طرق لتخفيض الانبعاثات، فهو أن الأسمنت ليس فقط سلعة شائعة كبيرة الحجم؛ بل واحدة من أكثر المواد المعروفة تعقيدًا في علم المواد. فمن بنيتها وتركيبها، إلى التفاعلات التي تحدث جرّاء خلطها بالماء، ثم صبّها في قالب. يقول هاملن جننجز، مدير مركز استدامة الأسمنت (CSHub) بمعهد تكنولوجيا ماساشوستس في كمبريدج، ماساتشوستس: «ما زالت أمامنا عدة أسئلة أساسية تتعلق بالأسمنت، لا بد من الإجابة عليها».
بيد أن «تفاصيل ما يحدث عندما يلمس الماء بودرة الأسمنت هي مادة دسمة لجدال حيويّ»، وفقًا لما يقوله كينيث سنايدر، خبير الأسمنت بمعهد الولايات المتحدة القومي للمعايير والتكنولوجيا في جيثرسبرج بميريلاند، ويضيف: «ثمة حروب شعواء حول هذا الشأن».
ورغم ذلك.. فإن احتمال فرض ضريبة كربونية وأسواق مقايضة انبعاثات الكربون (في ضوء تحديد الحصص) قاد المجموعات الصناعية بأنحاء العالم إلى تبني مبادرات أسمنتية خضراء أو مستدامة. وتتراوح هذه المقاربات بين دعم البحث الأساسي، ودفع الجهود نحو إصلاح معايير البناء الدولية، وقد يكون نجاحها كفيلاً بتخفيض نصف الانبعاثات الكربونية الحالية.
إن «مركز استدامة الأسمنت» أحد أكبر مراكز البحث الأكاديمية في هذا المجال وقد تأسس في 2009 بتمويل من رعاة الصناعة، بلغ 10 ملايين دولار خلال خمس سنوات، ويتألف الآن من 12 باحثًا رئيسًا يسعون لفهم الأسمنت بكل ما فيه، من وظائفه إلى مختلف البنى لديه، وحتى خصائصه الكمية الميكانيكية. إنه بحسب جننجز كفاح شاق لأسباب تتضح لدى الأخذ في الاعتبار ما يحدث على المستوى الجزيئي عند صنع الأسمنت.

 

مزيج غريب

تبدأ عملية صنع الأسمنت (انظر تكثيف الحرارة) بخليط من الحجر الجيري مع طين ألومينوسيليكات. ويقول جننجز: «لكل منهما كيمياؤه وشوائبه الخاصة به»، التي تتفاعل مع بعضها بطرق شتى، بينما تُشوى معًا في الفرن بدرجة حرارة 1500 مئوية. والناتج كتل رمادية بحجم قطع الرخام، تُعرف بكتل خَبَث الأفران، أو «كلينكر». ويحتوي الـ«كلينكر» على أكاسيد السيليكون والحديد والأمونيوم (معظمها مشتق من الطين) وأكسيد الكالسيوم الذي يتشكل عندما تطرد الحرارة ثاني أكسيد الكربون من كربونات الكالسيوم الموجودة في الحجر الجيري. وغاز ثاني أكسيد الكربون مصدر مهم للانبعاثات في هذه العملية، بينما الوقود المستعمل لتسخين الفرن هو المصدر الآخر. وعندما يبرد خبث الأفران، يضاف إليه الجص (الجبس)، الذي تحدد كميته سرعة تشكل الأسمنت، ويتم طحنه إلى مسحوق له قوام الدقيق، وتوزيعه على محطات الخلط والإعداد.
وهناك تُخلَط بودرة الأسمنت مع الماء؛ لتشكيل خلطة معجون، يتغير قوامه حسب الهدف المنشود منه.. هل هو مثلاً لأساسات برج، أو لرصف أراض. وغالباً ما يُمزج المعجون بالرمل، أو بالحصى، أو بحجارة أكبر؛ لتشكيل الخرسانة (الباطون) التي تُشحن إلى مواقع البناء، وتُصب في قوالب، حيث تجف وتتصلب بعملية تبدأ بسرعة، لكنها قد تستغرق شهورًا لتكتمل.
يقول جيننجز: «إن إحدى المعجزات التي تشكل موضوعًا لأبحاث مكثفة هو أن المزيج يبقى سائلاً لساعات عدة وبعدها تبدأ مجموعة من التفاعلات الكيميائية في الوقت نفسه، وتنتج منتجات تؤدي إلى عملية التصلب». إن أهم التفاعلات التي تقود إلى المادة النهائية هي تفاعلات «الإماهة» التي تحوّل الماء ومسحوق خبث الأفران إلى حجر اصطناعي، هو قالب من هيدرات سيليكات الكالسيوم (CaO–SiO₂–H₂O , أو C–S–H). يقول رولاند بيلينك، وهو باحث في الكيمياء الفيزيائية بـ«مركز استدامة الأسمنت»: «إن كل أعمال البناء في العالم تعتمد على تحويل هذا السائل إلى حجر».
وحسب قول رولاند بيلينك، فإن هيدرات سيليكات الكالسيوم هي صيغة غير دقيقة تثير الجنون، إذ إن مكوناتها لا تملك نسبًا معينة، كما أن نواتج التفاعل في عينة معينة من الأسمنت الصلب الجاف تعتمد على العناصر الأولية الداخلة فيه، ومقدار الماء المستخدم ونسبة الكالسيوم إلى السيليكون، بالإضافة إلى المواد المضافة، والملوِثات، والحرارة، والرطوبة. كما يزيد عدم شفافية الخرسانة من صعوبة تحليل هيدرات سيليكات الكالسيوم.

تحوير الوصفة    

يقول بيلينك إنه رغم كل هذه التحديات، فإنه مع زملائه بـ«مركز استدامة الأسمنت» يحرزون تقدمًا على صعيد مشكلة الانبعاثات الكربونية. ويتضمن أحد خطوط المعالجة الواعدة إيجاد طرق لتخفيض حرارة الشوي، وبالتالي حرق كمية أقل من الوقود. والهدفان الرئيسان هما معدنان من المعادن الأساسية في خبث الأفران، وهما «ألايت»، أو سيليكات ثلاثي الكالسيوم (Ca₃SiO₅)، و«بيلايت»، أو سيليكات ثنائي الكالسيوم (Ca₂SiO₄). والمعدن الأول (ألايت) هو أكثرهما تفاعلاً، ويبدأ بالجفاف خلال ساعات من إضافة الماء؛ معطيّا الخرسانة قوتها الابتدائية. ويتطلب ألايت حرارة قدرها 1500 درجة مئوية ليتشكل، بينما (البيلايت) يتشكل في حرارة 1200 درجة مئوية، وهو أقوى، لكنه يحتاج أيامًا وشهورًا ليبدأ في التصلب، وهي فترة طويلة لا تسمح باستخدامه وحده في مشاريع البناء. ويبحث بيلينك وزملاؤه فيما إذا كانت بنية بعض بلورات (البيلايت) تفاعلية مثل (ألايت)، وهل يمكن تشكيلها في حرارة أقل؛ لتوفر بذلك بعض الوقود، أم لا.
ونظرًا إلى أن جواب هذا السؤال يعتمد على تفاصيل بالمستوى الذري، مثل توزُّع الإلكترونات في البلورة، قام الباحثون بحسابات كَمِّيَّة ميكانيكية عن كيفية تأثر بنية هيدرات سيليكات الكالسيوم بالألومنيوم والماغنسيوم وشوائب أخرى (انظر: K. Van Vliet et al. MRS Bull. 37, 395–402; 2012). يقول بيلينك: «كي تتمكن من هندسة خبث الأفران كميًّا، ينبغي أن تتتبّع الإلكترونات». ووجد الباحثون بـ«مركز استدامة الأسمنت» أن بلورات الألايت تحتوي دائمًا على سطح يذوب بسهولة في الماء أكثر من غيره، بينما في بلورات البيلايت كل المستويات متشابهة، والكريستالات أقل تفاعلاً مع الماء (E. Durgun et al. Chem. Mater. 24, 1262–1267; 2012) . لهذا.. يجف البيلايت أبطأ من الألايت. يقول بيلينك إن النتائج تدل على أنه يمكن لشوائب معينة كالماغنسيوم، المساعدة في جعل البلايت اكثر ذوبانًا في الماء ما قد يتيح جفافه بسرعة تكفي لاستخدامه كمادة أساسية في أسمنت البناء.
إنّ التحرك تجاه بيلايت منخفض الحرارة قد يخلق مشكلات. فقد وجد فرانز جوزيف أولم وفريقه ـ مهندس ميكانيكي بـ«مركز استدامة الأسمنت» ـ أن طحن البيلايت إلى مسحوق يحتاج طاقة أكثر بأربع إلى تسع مرات مما يحتاجه الألايت؛ مما قد يقلل من منافع تقليل الانبعاثات المأمول تحقيقها باستخدام خبث أفران غني بالبيلايت.
وهناك آخرون يبحثون عن بدائل، منهم «سيراتيك»، وهي شركة أسمنت سيراتيك (Ceratech) في الإسكندرية، فرجينيا، تبحث عن حلول بإيجاد بدائل لخبث الأفران. ووجدت الشركة ضالتها في الأسمنت الذي استخدمه المهندسون منذ 2000 سنة بروما. كان عنصره الأساسي هو الـ«بوتزولانا»، نوع من الرماد البركاني، يتفاعل مع الماء لتشكيل الأسمنت، وبذلك يقوم بدور خبث أفران طبيعي. وتستخدم سيراتيك نسخة صناعية من الـ«بوتزولانا»: رماد طائر، هو جزيئات دقيقة ناعمة ترشح من غازات الاحتراق في محطات توليد الكهرباء بحرق الفحم. وتنتج منشآت الولايات المتحدة الصناعية حوالي 70 مليون طن من الرماد الطائر سنويًّا، يُختزن معظمه، أو يتم التخلص منه بمكبّات النفاية. وتقوم سيراتيك بتحويل الرماد إلى بودرة أسمنت، عبر مزجه بعدة إضافات خاصة سائلة. ولأن هذه العملية لا تحتاج إلى حرارة، تعتقد الشركة أن منتَجها من الأسمنت ـ الناتج من الرماد الطائر ـ هو أسمنت حيادي الكربون.
ورغم أن محطات الخرسانة الجاهزة تعمل منذ سنين خلطات مؤلفة من الرماد الطائر بنسبة تصل إلى 15%، فإن تركيبة أسمنت سيراتيك هي: 95% رماد طائر، و%5 محتويات سائلة، حسب قول مارك واسيلكو، نائب رئيس الشركة التنفيذي، الذي يضيف قائلًا إن خرسانة أسمنت الرماد الطائر أقوى من الخرسانة التقليدية؛ وبالتالي يتمكن المصمِّمون من استخدام كمية أقل. تقول الشركة إنه في مبنى من 3 طوابق، مساحته 4600 متر مربع، سيكون استخدام الرماد الطائر كفيلاً بتقليل حجم الخرسانة الكلي بنسبة 183 مترًا مكعبًا، وتقليل كتلة تسليح الخرسانة بقضبان الحديد بحوالي 34 طنًّا، كما ستزيل 374 طنًّا من الرماد الطائر من مدافن النفايات، وتنقص انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بحوالي 320 طنًّا.
يقول واسيلكو إن «سيراتيك» حاليًا لاعب صغير في صناعة الأسمنت، ولا تمثل مقاربتها لخفض انبعاثات الكربون أكثر من دور بسيط بمجال ضخم، يقدَّر بمليارات الأطنان. ولن يأتي خفض كبير لانبعاثات الكربون، إلا عندما يتبنى أسمنت الجيل الجديد آلاف الأطراف الفاعلة بصناعة التشييد من منتجين مستقلين، ومهندسين، ومعماريين، ومخططي المدن، ومفتشي البناء. وذلك يعني خفض مخاطر محتملة، يُتوقع أن تنتج عن اختيار أسمنت أكثر اخضرارًا، عوضاً عن نظائره الأخرى التقليدية التي اختُبِرَت عبر الوقت. وحسب قول سنايدر، يبدو أن القلق يدور حول «رد فعل رئيس في العمل، لو لم ينجح هذا المسار!».
وقد يتغير ذلك الموقف، لو فرضت دول أكثر ضرائب على الكربون، وتبنت خطط مقايضة انبعاثات الكربون (في ضوء تحديد الحصص)؛ بما يجعل إطلاق الكربون مكلفًا أكثر مما هو الآن. وهناك ثمة طريقة ملموسة أكثر، وقريبة الأمد؛ للتغلب على هذا التردد، وهي بناء منشآت نموذجية، كالجسور والطرقات والأبنية؛ لتثبت فعالية الأسمنت الجديد، ومواد الخرسانة الجديدة. ويأمل واسيلكو من المشاريع التي تعمل عليها شركته سنويًا، كإنشاء أرصفة بحرية بميناء سافانا، جورجيا، وأحواض التعامل مع الكيماويات في «جلف سَلفَر سيرفيسز» في جالفستون بتكساس، أنْ تفي بالغرض المنشود.
وهناك سبب وجيه يدعونا إلى الاستمرار.. ففي خلال الدقائق العشر التي تستغرقها قراءة هذا المقال، تكون مصانع الأسمنت قد أطلقت إلى الجو ثلاثين ألف طن من ثاني أكسيد الكربون. 
المصدر

البيئة الخضراء