الاستاذ الدكتور بيان سالم النعمان(*)
الخرسانة المسلحة مادة مركبة من الخرسانة وقضبان فولاذية لتسليحها ضد قوى الشد والقص وغيرها، وهي تعتبر المادة الرئيسية لهياكل المنشآت والجسور والمطارات وغيرها، كما ان الخرسانة غير المسلحة تستخدم كمادة غير انشائية في العديد من التطبيقات.
المكون الرئيسي للخرسانة هو الركام ويمثل 80% من كتلتها الكلية التي تبلغ حوالي 2300 كغم/م3، ثم السمنت والماء والمضافات ان وجدت. تتراوح مقاومة الانضغاط للخرسانة ابتداء من 20نت/ملم2 لغاية 100نت/ملم2 او اكثر لنموذج مكعب مختبري قياسي، لكنها ضعيفة ضد قوى الشد وتبلغ مقاومتها للشد اقل من 10% من مقاومة انضغاطها. اما قضبان التسليح الفولاذية فتعوض ضعف الخرسانة في الشد وتتولى مهمة مقاومته، وتبلغ مقاومة شدها حوالي 400نت/ملم2، وتصل انواع منها في تطبيقات الخرسانة مسبقة الجهد الى 1800نت/ملم2 وهذه ملائمة للجسور ذات الفضاءات الكبيرة.
ان الخرسانة المسلحة مادة متينة (durable) واقتصادية ذات عمر طويل عند الاعتناء بانتاجها وتنفيذها، لذلك فهي تستخدم في بناء منشآت البنى التحتية infrastructures وتساهم بذلك في توفير الأمان والصحة والرفاهية للمجتمع مع حماية بيئته. علاوة على ذلك، فان صناعة الخرسانة المسلحة تضر البيئة من ناحيتين رئيسيتين هما:
أولا: الطاقة الكبيرة المصروفة لانتاجها وصيانتها وهدمها بعد انقضاء عمرها والتخلص من انقاضها. وهذه بمجموعها تسمى الطاقة المتجسدة embodied energy وتتراوح بين 1 الى 2 ميكاجول لكل كغم (MJ/kg)(**) من الخرسانة غير المسلحة وحوالي 9 ميكاجول لكل كغم من الفولاذ، اذا كان مصدره سكراب الشاحنات والسيارات المعاد تدويره وهو الاغلب في صناعته.
ان هذه الطاقة المصروفة عزيزة وربما لا يمكن تعويضها ولاحقا سيتسارع نضوبها من الطبيعة مما يؤدي الى الحاق الضرر بالأجيال القادمة، وهذا خلاف مباديء التنمية المستدامة (sustainable development).
ثانيا: يؤدي انتاج الخرسانة بشكل خاص الى انبعاث كبير في غاز ثاني أوكسيد الكاربون CO2 الضار للبيئة، فهو الغاز الرئيسي ضمن مجموعة الغازات المسببة لظاهرة الاحتباس الحراري Green House Gases. وصناعة السمنت هي المصدر الرئيسي لهذا الضرر حيث تمثل كمية غاز CO2 المنبعثة منها اكثر من 5% من كمية غاز CO2 المنبعثة من النشاط البشري عموما، فهو ينتج عرضيا من عملية حرق مكونات السمنت اللازمة لصناعته، وكذلك كناتج نهائي لحرق الوقود. ان انتاج طن واحد من السمنت يؤدي الى انبعاث ما يزيد على طن واحد من غاز ثاني اوكسيد الكاربون CO2.
ان تخفيف هذه الأضرار البيئية يتم باستخدام طاقات بديلة ومواد خام بديلة في انتاج السمنت، حيث من الممكن تعديل عمل الأفران، وجعلها تلتقط من جديد خسارات الحرارة المصاحبة للحرق، وزيادة كفاءة طحن المواد الخام، واستخدام وقود بديل من مخلفات البترول واطارات السكراب.
ويتم حاليا انتاج انواع من السمنت يتم فبها استبدال جزء من السمنت العادي بمواد تكميلية ذات خواص اسمنتية (SCM) supplementary cementitious materials، لكنها لا تتطلب حرقا وتفاعلا، وبهذا يتم تخفيف الأضرار البيئية بدرجة كبيرة من حيث تقليل الطاقة المتجسدة وتقليل انبعاث غاز CO2، وتنتج هذه الأنواع خرسانة لها تقريبا نفس خصائص الخرسانة الاعتيادية وربما ذات مقاومة ومتانة اعلى، وهذه المواد التكميلية هي رماد الفحم المتطاير (ash Fly) وسمنت خبث الأفران Slag cement ومطحون الحجر الجيري Ground limestone، وقد سمحت مدونة معهد الخرسانة الأمريكي لمتطلبات البناء باستخدامها، لكن بعد تقديم الفحوصات والمصادقة من المهندس الاستشاري المجاز.
كما يمكن اعادة تدوير الخرسانة المهدمة، حيث تخلف سنويا حوالي 50 مليون طن من الأنقاض، بجعلها ركاما لخرسانة جديدة وبهذا لا تكون انقاضا ثقيلة على البيئة بل تعاود لتكون مادة انشائية مجددا وتوفر لنا مصادر الركام ومقالعه وتحافظ على البيئة بتقليل كلف النقل خاصة في المدن، ولكن هناك فرقا في المقاومة والمتانة يمكن تجاوزه بتعديل بسيط في تصميم الخلطة الخرسانية.
ويمكن تحديد كمية الماء في الخرسانة باستخدام مضافات مقللة للماء وهذا يؤدي في نفس الوقت الى زيادة مقاومة الخرسانة ومتانتها. ان توفير الماء اصبح مهما بسبب الشحة العالمية وهذا يدعم الحفاظ على البيئة.
أما بخصوص حديد التسليح، على الرغم من ان صناعته مصدرها سكراب السيارات، وهذه ناحية صديقة للبيئة، فهو ما يزال يصرف كمية طاقة متجسدة عالية تتطلب صناعته ومع ذلك يبقى المادة الرئيسية للتسليح على الرغم من ظهور صناعة قضبان تسليحية من البوليمر المسلح بالألياف Fiber reinforced polymer FRP بما تحمله من ميزات المقاومة المتفوقة وعدم تآكله في المحيط الخرساني ولكنه يفتقد المطاطية المطلوبة للسيطرة على تصرفه وفشله الفجائي في الأحمال القصوى.
وتتم في الوقت الحاضر صناعة حديد تسليح بمقاومة خضوع تصل الى 560نت/ملم2 أو اكثر، وهذه مناسبة تماما للأعمدة التي تسند المباني عالية الارتفاع، وفي الوقت ذاته يؤدي استخدامها الى تقليل حجم الخرسانة بمساحات مقطعية اقل من مثيلاتها الحاوية على حديد تسليح بمقاومة أقل، وهذا يؤدي الى انخفاض الطاقة المتجسدة وكذلك انخفاض انبعاث غاز CO2.
وبهذا سمح كود البناء (1) ACI 318-19 للخبير التصميمي المجاز بأن يحدد متطلبات الاستدامة في الوثائق الانشائية بالاضافة الى المتطلبات الخاصة بالمقاومة والخدمية والمتانة ولكن ينبه بأن هذه المتطلبات الأخيرة تتقدم على اعتبارات الاستدامة باعتبارها تمثل الحد الأدنى للحصول على منشأ أمين ومتين.
ان المباديء والأهداف الرئيسية لعمل المهندسين المدنيين كما سطرها قانون اخلاق المهنة للجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين (2) ASCE code of ethics تنص على أنه يتعين على المهندسين ان يعطوا اقصى الأهمية للأمان والصحة والرفاهية للجمهور، ونصت أيضا بأن عليهم ان يبذلوا ما في وسعهم للامتثال لمباديء التنمية المستدامة sustainable development في أدائهم لواجباتهم المهنية، من خلال الاهتمام بعدم المخاطرة بموارد ومستقبل الأجيال القادمة، وعليهم بذلك بذل اقصى الجهود لجعل الخرسانة المسلحة صديقة للبيئة.
لقد تم في قسم الهندسة المدنية في جامعة تيشك الدولية في أربيل عاصمة اقليم كوردستان العراق استحداث مقرر دراسي اختياري elective حديث ضمن منهاج القسم وعنوانه (التصميم المستدام للخرسانة المسلحة Sustainable reinforced concrete design) لأول مرة في جامعات العراق، ومن مخرجاته التعليمية learning outcomes ان يتمكن الطالب في مرحلة التخرج من اكتساب المعرفة بمفاهيم الاستدامة ومهارات التصميم المستدام للخرسانة المسلحة، وهذه خطوة تتماشى مع التطورات في التعليم الجامعي الحديث للهندسة الانشائية، ومن المؤشرات الايجابية اختيار اكثر من نصف الطلبة في المرحلة النهائية هذا المقرر.
الهامش
* التنمية المستدامة (Sustainable Development) تعرف بأنها التنمية التي تُلبي احتياجات البشر في الوقت الحالي دون المساس بقدرة الأجيال القادمة على تحقيق أهدافها، وتركز على النمو الاقتصادي المتكامل المستدام والإشراف البيئي والمسؤولية الاجتماعية.
(**) ميكاجول = مليون جول، والجول وحدة الطاقة وهو اسم لفيزيائي انكليزي1: Joule = 1 kg•m2/s2.
References
1) Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (ACI 318-19), American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2019.
2) American Society of Civil Engineers Code of Ethics https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/9780784412466.ap
شرح صورة:
تظهر في هذه الصورة مراحل صناعة السمنت وما تتطلبه من مواد اولية وحرق للوقود وطحن ومزج وما ينبعث عنها من غاز ثاني أوكسيد الكاربون المسبب للاحتباس الحراري.