منتج قائم على الفحم يحل محل الرمل في الخرسانة

وجدت دراسة أجراها باحثون من جامعة رايس أن الجرافين، المشتق من فحم الكوك المعدني، يمكن أن يعمل ليس فقط كمادة معززة في الأسمنت، ولكن أيضًا كبديل للرمل في الخرسانة.

وقال جيمس توري، أستاذ الكيمياء وعلوم المواد وهندسة النانو بجامعة رايس: “قد يكون لهذا تأثير كبير على واحدة من أكبر الصناعات في العالم”. “لقد قارنا الخرسانة المصنوعة باستخدام استبدال ركام الجرافين بالخرسانة المصنوعة باستخدام ركام رملي مناسب ووجدنا أن الخرسانة التي لدينا كانت أخف بنسبة 25% ولكنها أصلب.”

تعتبر الخرسانة، وهي خليط من الركام مثل الرمل والحصى المرتبط بالأسمنت والماء، ضرورية للتنمية الحضرية. ومع توقع أن يعيش 68% من سكان العالم في المناطق الحضرية بحلول عام 2050، فمن المتوقع أن ينمو الطلب على تعدين الخرسانة والرمل بشكل كبير. وقد تضاعف ثلاث مرات في العقدين الماضيين إلى حوالي 50 مليار طن سنويا. ومع ذلك، فإن هذا يأتي بتكلفة بيئية كبيرة.

ويمثل إنتاج الأسمنت، المكون الرئيسي للخرسانة، 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. كما أن استخراج الرمال، الذي لا يخضع للرقابة في كثير من الأحيان، يشكل تهديدا خطيرا للنظم الإيكولوجية النهرية والساحلية. ووفقا لتقرير للأمم المتحدة لعام 2022، فإن هذا الطلب المتزايد على الرمال، إلى جانب النمو السكاني والزحف العمراني، يمكن أن يؤدي قريبا إلى “أزمة الرمال”.

ومن خلال تطبيق تقنية تسخين جول المميزة على فحم الكوك المعدني، قام مختبر تور بتطوير نوع من الجرافين يمكن أن يعمل كبديل للرمل في الخرسانة.

وقال بول أدفينكولا، طالب الدكتوراه في جامعة رايس، والمؤلف الرئيسي للدراسة: “إن التجارب الأولية التي تم فيها تحويل فحم الكوك المعدني إلى جرافين أسفرت عن مادة تشبه الرمل”. “لقد قررنا استكشاف استخدام الجرافين المعدني المشتق من فحم الكوك كبديل للرمل في الخرسانة، وتظهر النتائج التي توصلنا إليها أنه يعمل بشكل جيد.”

تظهر التجارب التي تقارن الخرسانة المصنوعة من ركام الجرافين بالخرسانة التقليدية نتائج واعدة. لا تتطابق الخرسانة القائمة على الجرافين مع الخواص الميكانيكية للخرسانة القياسية فحسب، بل توفر أيضًا نسبة قوة إلى وزن أعلى.

استخدم مختبر تور تقنية التسخين الوميضي في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك تخليق مواد نانوية كربونية هجينة، وإعادة تدوير أجزاء البطارية، وإزالة المعادن الثقيلة من رماد الفحم المتطاير.

وقال أدفينكولا: “تنتج هذه التقنية الجرافين بشكل أسرع وبكميات أكبر من الطرق السابقة”.

ومع إمكانية تقليل الاعتماد على الرمال الطبيعية وخفض انبعاثات الكربون الناتجة عن صناعة الخرسانة، يمكن أن تؤدي هذه التكنولوجيا الجديدة إلى ممارسات تنمية حضرية أكثر استدامة.

وقال تور: “سيستغرق الأمر بعض الوقت حتى يصبح سعر الجرافين قابلاً للتطبيق”. “لكنه يظهر أن هناك بدائل يمكننا اتباعها.”

وأكد مؤلف الدراسة، ساتيش ناجاراجايا، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية والهندسة الميكانيكية، أن “30٪ من الخرسانة تتكون من الرمال – وهي نسبة كبيرة”.

“إن حقيقة أننا على شفا “أزمة الرمال” تدفعنا إلى البحث عن بدائل، ويمكن أن يساعدنا فحم الكوك المعدني، بحوالي 10٪ من تكلفة الرمال، في صنع خرسانة ذات جودة أفضل، ولكنه يترجم في النهاية إلى إنتاج كبير.” قال ناغاراجايا: “المدخرات”.

تم دعم هذا البحث من قبل فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي، ومركز البحث والتطوير الهندسي (W912HZ-21-2-0050)، ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي (FA9550-22-1-0526)، والمؤسسة الوطنية للعلوم .