بوليمر من ألومينات الكالسيوم وزجاج الماء كبديل للأسمنت

البناء بانبعاثات كربون أقل

الخرسانة موجودة في كل مكان: في منازلنا وجسورنا وأفق المدن. لكن إنتاج الأسمنت الذي يربط الخرسانة يطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون، مساهماً بما يقرب من 8% من انبعاثات CO2 العالمية. تعرض هذه الدراسة نوعًا جديدًا من «الغراء» المعدني للخرسانة قد يخفض تلك التكلفة المناخية بشكل كبير مع البقاء سهل الاستخدام للّبنّائين.

نوع جديد من غراء الحجر

يفحص المؤلفون رابطة مكوّنة من مادتين رئيسيتين: أسمنت ألومينات الكالسيوم، وهو إسمنت متخصص غني بالألمنيوم، و«زجاج الماء» وهو شكل سائل من سيليكات الصوديوم. عند خلطهما في ظروف قاعدية قوية (قلوية)، تتفاعل المادتان لتكوّنا بوليمرًا شبيهًا بالصخور وخاليًا من الكربون مصنوعًا فقط من السيليكون والألمنيوم والأكسجين وأيونات معدنية مثل الصوديوم والكالسيوم. على خلاف أسمنت البورتلاندر الشائع اليوم، لا يحتاج هذا الرابط الجديد إلى الحجر الجيري الغني بالكربون كمصدر رئيسي للكالسيوم، وبذلك يتجنب جزءًا كبيرًا من CO2 المنبعث أثناء إنتاج الأسمنت التقليدي. الخليط عبارة عن معلق سائل يمكن التعامل معه بالأدوات والتقنيات نفسها المستخدمة في الخرسانة العادية.

كيف تتكوّن الشبكة المعدنية

لفهم هذه التفاعلات وتحسينها، استخدم الباحثون مطيافية الأشعة تحت الحمراء والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، طرقًا تتتبّع كيفية ارتباط الذرات في المواد الصلبة. أظهروا أن ذرات الألمنيوم الموجودة في ترتيب رباعي السطوح في ألومينات الكالسيوم فقط هي التي تشارك في التفاعل؛ بينما يبقى الألمنيوم في ترتيب ثماني السطوح، كما في بعض أكاسيد الألمنيوم، خاملاً عند درجة حرارة الغرفة. مع تقدم التفاعل، تنتقل الروابط من روابط سيليكون–أكسجين–سيليكون إلى روابط مختلطة سيليكون–أكسجين–ألمنيوم، مبنيّة سلاسل وشبكات طويلة –O–Si–O–Al–O–. تشير البيانات إلى أن البنية الأكثر استقرارًا وكفاءة تتكوّن عندما يكون عدد وحدات السيليكون التفاعلية وعدد وحدات الألمنيوم التفاعلية متقاربين تقريبًا — بنسبة واحد إلى واحد تتوافق مع تنبؤات أعمال سابقة على المعادن الطبيعية والمواد الرابطة القديمة.

العثور على النقطة المثلى للخلط

تتطلب مواقع البناء مادة تتصلّب بسرعة كافية وتصل إلى قوة مناسبة. عدّل الفريق كمية ونوع أسمنت ألومينات الكالسيوم وكمية هيدروكسيد الصوديوم المضافة لِـ«تنشيط» زجاج الماء. من خلال صب مكعبات اختبار وقياس ضغط الانضغاط الذي تتحمّله، وجدوا نطاقًا مثاليًا من إضافات ألومينات الكالسيوم حيث تزداد القوة بشكل حاد ثم تستقر — بعد تلك النقطة، ترفع المزيد من كمية الأسمنت التكاليف دون تحسين الأداء. كما رسموا خريطة زمن التصلب بحسب كمية الصوديوم نسبة إلى السيليكون في السائل. لا يحدث تصلب أدنى مستوى معين من الصوديوم؛ وحول نسبة واحد إلى واحد لصوديوم إلى سيليكون، يتصلّب المادّة خلال بضع ساعات، وهو مدى عملي لأعمال البناء.

من رمال الصحراء إلى طوب متين

بما أن الخليط الطازج سائل ومنخفض اللزوجة، يمكنه ربط مجموعة واسعة من الحشوات والركام. يبيّن المؤلفون أن رمال الكثبان والحصى والحجارة والمعادن الموسعة مثل البيرلايت والفيرمكوليت وحتى المواد العضوية مثل رقائق الخشب والبيوچار يمكن احتجازها في مركبات صلبة. وصلت الطوب المصنوعة من رمال الكثبان والحصى غير المغسولة إلى مقاومات انضغاطية تزيد على 40 ميغاباسكال، ما يقارن بالخرسانة الهيكلية، عبر مدى واسع من درجات الحرارة بين 4 °C و65 °C. ومن اللافت أن الخلائط المخزنة مجمدة عند –21 °C ظلت قابلة للعمل بعد الذوبان ثم تصلّبت بشكل سليم، ما يوفّر مرونة للاستخدام في المناخات الباردة. عند إدخال البيوچار، يمكن للكتل خفيفة الوزن الناتجة حتى احتجاز كربون أكثر مما ينبعث أثناء إنتاجها.

خفض البصمة الكربونية للخرسانة

تقدّر الدراسة أيضًا الفائدة المناخية للتحول من أسمنت البورتلاندر العادي إلى هذا الرابط الجديد. تطلق الخرسانة الهيكلية النموذجية نحو 140 كيلوجرامًا من CO2 لكل متر مكعب من تحلل الحجر الجيري في الفرن، حتى قبل احتساب استخدام الوقود. في المقابل، تأتي انبعاثات النظام الجديد بشكل أساسي من CO2 المنبعث عند تصنيع ألومينات الكالسيوم وهيدروكسيد الصوديوم المشتق من كربونات الصوديوم. بالنسبة للخلائط المحسنة والغنية بالركام، يمكن تقليل الانبعاثات الإجمالية بنحو ثلثي ما هي عليه مقارنةً بخرسانة أسمنت البورتلاندر. وبالاقتران مع إمكانية تشغيل إنتاج المواد الخام والخلط بالكهرباء الشمسية، يجادل المؤلفون بأن انبعاثات الأسمنت العالمية قد تُخفض من نحو 8% من إجمالي البشرية إلى أقل من 2%.

عملية مألوفة بنتائج أنظف

بالنسبة للّبنّائين، أحد أهم الاستنتاجات أن هذه الخرسانة القائمة على البوليمر تتصرف تمامًا مثل الخرسانة التقليدية: تُخلط من مكوّن سائل ومساحيق صلبة، وتُصب، وتُترك لتتصلّب مع الحفاظ على الرطوبة لحوالي عشرة أيام. يمكن إعادة استخدام الخلاطات والضخّات والقوالب الحالية، ولا يحتاج العمال إلى تدريب خاص. في جوهرها، تردّد الكيمياء بشبكات معدنية متينة شبيهة بتلك الموجودة في الخرسانة الرومانية القديمة، لكن بمواد خام محددة ومتاحة على نطاق واسع. إذا تم اعتمادها على نطاق واسع، قد تمكّن هذه الرابطة من ألومينات الكالسيوم وزجاج الماء قطاع البناء من الحفاظ على ممارساته الحديثة مع تقليل كبير في الأثر المناخي لإحدى أهم مواد العالم.

الاستشهاد: Spangenberg, B., Epping, J.D. A polymer of calcium aluminate and water glass as cement substitute. Sci Rep 16, 14042 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50294-8

الكلمات المفتاحية: خرسانة منخفضة الكربون, بدائل الأسمنت, مادة رابطة جيوبوليمرية, أسمنت ألومينات الكالسيوم, زجاج الماء