تقييم شامل للأداء البيئي ومتانة الخرسانة المدمجة بالبيوچار

خرسانة أكثر خضرة وصلابة لعالم يزداد دفئًا

الخرسانة موجودة في كل مكان — من الجسور والطرق السريعة إلى أبراج الشقق — وإنتاج مكونها الرئيسي، الأسمنت، يطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون. تبحث هذه الدراسة فكرة بسيطة ذات تبعات كبيرة: ماذا لو استطعنا حجز الكربون النباتي داخل الخرسانة مع الحفاظ على صلابتها وطول عمرها في أشد فصول الشتاء؟ من خلال مزج كمية صغيرة من "البيوچار" المشتق من الخشب في الخرسانة، سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا بناء هياكل أكثر مقاومة لأضرار التجمّد والذوبان وفي الوقت نفسه أقل ضررًا للمناخ.

تحويل نفايات الخشب إلى مكون مفيد

البيوچار مادة شبيهة بالفحم تُنتج بتسخين نفايات الخشب في ظروف منخفضة الأكسجين. أنتج الفريق مسحوقًا ناعمًا من حبيبات الخشب وفحصوه بدقة باستخدام مجاهر وأجهزة تكشف عن مساحة السطح وحجم المسام والروابط الكيميائية. وجدوا أن جزيئات البايوچار المطحونة كانت شبيهة بحجم حبيبات الأسمنت لكنها مليئة بمسام وقنوات دقيقة. تمنح هذه المسام البايوچار مساحة سطح داخلية عالية وقدرة على الاحتفاظ بالماء، بينما تعني بنيته الغنية بالكربون والمستقرة كيميائيًا أن الكربون الموجود فيه يمكن أن يبقى محبوسًا لفترة طويلة. مجتمعة، تجعل هذه الخصائص البايوچار مرشحًا واعدًا لاستبدال جزء من الأسمنت في الخرسانة.

كيفية خلط الخرسانة الجديدة واختبارها

للانتقال إلى ما هو أبعد من دفعات المختبر الصغيرة، أنتج الباحثون أربع خلطات خرسانية كاملة النطاق باستخدام محطة خلط حقيقية: خلطة مرجعية قياسية وثلاث خلائط استُبدل فيها 3 و5 و7 بالمئة من الأسمنت بالبيوچار حسب الوزن. صممت كل الخلطات للوصول إلى مقاومة إنشائية متواضعة تبلغ 24 ميغاباسكال، وهي قيمة نموذجية للعديد من المباني والأرصفة. صبّوا أسطوانات وعوارض، وعالجوها بالماء لمدة تصل إلى عام، ثم اختبروها في الاختبارات الانضغاطية والانحناء والمرونة ومقاومة 300 دورة تجمّد–ذوبان سريع — ظروف مشابهة للتجمّد والذوبان المتكرر في المناطق الباردة. كما فحص الفريق البنية المسامية الداخلية والشقوق المجهرية باستخدام قياس مسامية الزئبق والمجهر الإلكتروني الماسح.

القدرة التحميلية والتشقق ومتانة الشتاء

تُظهر النتائج نقطة توازن واضحة. عندما استُبدل 3 إلى 5 بالمئة من الأسمنت بالبيوچار، وصلت الخرسانة إلى مقاومة التصميم أو تجاوزتها وواصلت اكتساب قوة على مدى عام، وإن كانت أقل قليلًا من الخلطة العادية. عند استبدال 7 بالمئة، انخفضت مقاومة الانضغاط بأكثر من الثلث، مما يشير إلى أن كمية كبيرة جدًا من الأسمنت أُزيلت. تحت الضغط، كانت الخرسانة العادية تميل إلى الفشل فجأة مع شقوق قطرية ناجمة عن القص، بينما أظهرت خلائط 3 و5 بالمئة تشققات أكثر عمودية وموزعة — علامات لفشل أقل هشاشة. في اختبارات التجمّد–الذوبان، أدت كل الخلطات أداءً جيدًا، محافظًة على أكثر من 90 بالمئة من صلابة البداية بعد 300 دورة. ومن اللافت أن خرسانة 5 بالمئة بيوچار طابقت أو تفوّقت قليلًا على الخلطة العادية في تصنيف المتانة القياسي وأظهرت زيادة أصغر بكثير في التلف السطحي المرئي مع مرور الزمن، رغم أن سطحها بدأ بمزيد من العيوب الدقيقة. يبدو أن البايوچار المسامي يعمل كشبكة من "عوازل ضغط" مصغرة، يتيح للماء المتجمد مجالًا للتمدد ويقلّل من نمو الشقوق الضارة.

البصمة الكربونية واستهلاك الطاقة

نظرًا لأن إنتاج الأسمنت مكثف الكربون للغاية، فكل كيلوجرام أسمنت يُستبدل له أثر مهم. أجرى الفريق تقييم دورة حياة من المهد إلى البوابة، متتبعًا الانبعاثات واستهلاك الطاقة من استخراج المواد الخام وحتى إنتاج الخرسانة. مع زيادة نسبة البايوچار، انخفض أثر الاحترار العالمي لكل متر مكعب من الخرسانة تدريجيًا. مع 7 بالمئة بيوچار، كانت البصمة الكربونية المحسوبة أقل بحوالي 28 بالمئة مقارنة بالخلطة العادية، ويرجع ذلك جزئيًا إلى قدرة البايوچار على تخزين الكربون الذي امتصته الأشجار. كما تراجع الطلب على الطاقة مع زيادة استخدام البايوچار، لأن إنتاج البايوچار في الظروف المدروسة استلزم طاقة غير متجددة أقل من إنتاج نفس كتلة الأسمنت. موازنة هذه المكاسب البيئية مع الفقد المقاس في القوة تشير إلى نطاق استبدال أمثل يقارب 3 إلى 5 بالمئة.

ماذا يعني هذا للمباني المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: عن طريق استبدال جزء صغير من الأسمنت ببيوچار خشبي مطحون ناعمًا، من الممكن صنع خرسانة قوية بما يكفي للهياكل اليومية، تتحمل تكرار التجمّد والذوبان بشكل جيد، وتحمل عبءًا كربونيًا أصغر بوضوح. تقترح الدراسة أن جرعة متواضعة من البايوچار — حوالي 3 إلى 5 بالمئة من الأسمنت — تقدم أفضل مقايضة، تقلل انبعاثات غازات الدفيئة دون التضحية بالمتانة. إذا تم اعتماد هذا النهج على نطاق واسع وتطويره أكثر على مقاييس البناء الحقيقية، فيمكن أن يساعد في تحويل الخرسانة من مشكلة مناخية كبرى إلى مادة بناء أكثر وعيًا بالمناخ، مع منح حياة جديدة لنفايات الخشب التي قد تُحرق أو تُرمى بخلاف ذلك.

الاستشهاد: Kang, SB., Woo, JS., Pyo, M. et al. Comprehensive evaluation of the environmental performance and durability of biochar-incorporated concrete. Sci Rep 16, 10803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45887-2

الكلمات المفتاحية: خرسانة بالبيوچار, مواد منخفضة الكربون, مقاومة الصقيع والذوبان, حجز الكربون, البناء المستدام