القيود المحددة
على مدى العقود القليلة الماضية، أصبحت الخرسانة المادة الرئيسية في البناء، خاصة في البيئات الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية. بفضل تكلفتها المنخفضة، وسهولة استخدامها، وقابليتها للتوسع، حلت الخرسانة تدريجياً محل الطوب والحجر والخشب.
لكنها ليست خالية من المشكلات.
الاستدامة
أولاً وقبل كل شيء، هي بعيدة كل البعد عن كونها منتجاً مستداماً من حيث استهلاك الموارد. تستهلك كميات هائلة من الرمل، حتى أن بعض الناس يصفون العالم بأنه “نفد منه الرمل”.
كما أن إنتاج الأسمنت هو نشاط كثيف الاستهلاك للطاقة. يعتمد إنتاج الأسمنت تقريباً بالكامل على الوقود الأحفوري، مما يجعل إنتاج الأسمنت مسؤولاً عن 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية.
وهذا قابل للمقارنة مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن السيارات والشاحنات، التي تمثل 10% من الانبعاثات العالمية. وبالتالي، فإن جعل الخرسانة أكثر استدامة سيكون له تأثير يمكن مقارنته بتحويل جميع سيارات العالم إلى سيارات كهربائية وتشغيلها بالطاقة الخضراء فقط.
الاستمرارية
إذا كانت المباني الخرسانية تدوم لمئات السنين، لكان بإمكاننا على الأقل أن نفترض أن استهلاك الرمل وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون ستكون أموراً لمرة واحدة، وأن المباني ستظل قائمة لفترة طويلة بعد ذلك.
لكن هذا ليس هو الحال. اليوم، تشكل المباني الخرسانية المسلحة الغالبية العظمى من إجمالي مخزون المباني، بمتوسط عمر لا يتجاوز 50-100 سنة. ثم يجب تدميرها بالكامل، وإزالة الأنقاض ودفنها في مكان ما، وبدء كل شيء من جديد من الصفر.
تكنولوجيا الخرسانة الجديدة
مثل هذه التكاليف البيئية العالية وافتقار الدوام تعني أن الخرسانة بحاجة إلى تحسين. من الناحية النظرية، بالطبع، يمكننا ببساطة العودة لاستخدام الحجر والطين والخشب كمواد بناء أساسية. ومع ذلك، فإن عملية البناء العملية وتكلفة الخرسانة المنخفضة تجعل من الصعب استبدالها كالمادة المفضلة للمعماريين.
إزالة الحديد
إن السبب في انخفاض متانة الخرسانة الحديثة هو حديد التسليح (الحديد المشكل) المدخل فيها. يوفر حديد التسليح ميزة هيكلية هامة من خلال زيادة قوة الشد (القدرة على مقاومة التمدد أو السحب) للخرسانة بشكل أساسي.
تتمثل المشكلة في أن الحديد (الذي يتكون أساسًا من الحديد) سيتعرض في النهاية للصدأ. وعندما يحدث ذلك، يتمدد الحديد، مما يؤدي إلى تشقق الخرسانة المحيطة. يُعرف هذا عادةً بسرطان الخرسانة، وهو السبب وراء العمر الافتراضي المحدود للخرسانة المسلحة.
خرسانة الجرافين
بينما نبتكر مواد جديدة، يمكن تطبيق حلول جديدة على الخرسانة. من خلال إضافة الجرافين، وهو مادة ثنائية الأبعاد خاصة، إلى الخرسانة، تمكن باحثو جامعة فيرجينيا من تحسين خصائص الخرسانة مع جعلها أكثر متانة وتقليل انبعاثات الكربون.
وقد نُشر البحث في مجلة هندسة البناء بعنوان “الخصائص الريولوجية والميكانيكية والبيئية لمركبات الأسمنت المعززة بالجرافين القابلة للطباعة مع الحجر الجيري والطين المحروق”.
ركزوا على الخرسانة المستخدمة في طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقد تم تسليط الضوء علينا في مقال بعنوان “في أمريكا الشمالية، أصبح امتلاك المنزل أكثر صعوبة من أي وقت مضى – هل يمكن أن تغير الطباعة ثلاثية الأبعاد ذلك؟”.
يمكن أن يقلل الخرسانة المعززة بالجرافين من انبعاثات الغازات الدفيئة بنحو 31% مقارنةً بخليط الخرسانة القابلة للطباعة التقليدية. وذلك لأنهم لا يستخدمون الفولاذ (الذي ينتج بدوره انبعاثات كربونية كبيرة أثناء الإنتاج)، بل يستخدمون الجرافين، الذي يُصنع من الكربون النقي. لذا، على الأقل في الجزء المعزز، يمكن لهذا الخرسانة الجديدة أن تلتقط الكربون بدلاً من أن تطلقه.
وعلى الرغم من أن جزء الأسمنت هو أيضاً عملية كثيفة الكربون، إلا أن هذه بداية جيدة.
وبما أن الجرافين أكثر استقراراً ولا يتأكسد (يصدأ)، ينبغي أن لا تتسبب هذا الخرسانة سرطان الخرسانة. إذا كانت المباني التي سيتم بناؤها في النهاية تدوم لفترة أطول، فإن الانبعاثات ستقل بشكل كبير على المدى الطويل.