A Systematic Review of the Mechanical and Durability Performance of Eggshell Powder as a Partial Replacement in Cement in concrete production

تُعد الخرسانة الهيكل العظمي غير المرئي للعالم الحديث، وهي المادة التي تدعم جسورنا وناطحات السحاب ومنازلنا. ومع ذلك، فإن المكون الأساسي الذي يربطها ببعضها البعض، وهو الإسمنت البورتلاندي، يأتي مع ثمن بيئي باهظ. فصناعة الإسمنت تتطلب تسخين الحجر الجيري إلى درجات حرارة قصوى، وهي عملية تطلق كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وبينما يسعى العالم لبناء مستقبل أكثر خضرة، يبحث العلماء عن طرق لاستبدال بعض هذا الإسمنت بمواد أخرى أقل ضرراً بالكوكب. وقد كان أحد هؤلاء المرشحين مختبئاً أمام أعيننا، يتراكم في مكبات النفايات والمطابخ لعقود من الزمن: قشور البيض.

تتكون قشور البيض أساساً من كربونات الكالسيوم، وهي نفس المعدن الموجود في الحجر الجيري المستخدم لصنع الإسمنت. ولأنها منتج ثانوي من صناعة الأغذية، فهي متوفرة وبالمجان. الفكرة بسيطة: إذا طُحنت قشور البيض لتصبح مسحوقاً ناعماً وخلطت مع الخرسانة، فقد تأخذ مكان بعض الإسمنت، مما يقلل الحاجة إلى المادة الملوثة مع الحفاظ على قوة الخرسانة. ومع ذلك، فإن مجرد إلقاء القشور المسحوقة في الخليط ليس كافياً؛ إذ يجب معالجة المسحوق بشكل صحيح، وهناك حد معين لكمية المواد التي يمكن استخدامها قبل أن تصبح الخرسانة ضعيفة. لقد اختبر الباحثون هذه الفكرة لسنوات، لكن النتائج كانت مشتتة عبر مئات الدراسات المختلفة، مما جعل من الصعب معرفة مدى نجاحها بدقة أو ما هي أفضل وصفة لها.

ولقطع الطريق على هذا الارتباك، أجرى فريق من الباحثين من جامعة تكورادي التقنية في غانا مراجعة شاملة للعلم القائم. لم يقوموا بخلط الخرسانة في المختبر بأنفسهم؛ بل عملوا كالمحققين في الأدبيات العلمية، حيث جمعوا وحللوا تسعين دراسة منفصلة نُشرت بالفعل. غطت هذه الدراسات كل شيء، بدءاً من كيفية تحضير المسحوق وصولاً إلى كيفية صمود الخرسانة النهائية تحت الضغط والماء. ومن خلال النظر إلى الصورة الكبيرة، تمكنوا من تحديد أنماط واضحة فاتتها التجارب الفردية، مما قدم دليلاً قاطعاً حول ما إذا كان بإمكان قشور البيض أن تصبح حقاً مادة بناء.

وجد الباحثون أن الإجابة هي "نعم" حذرة، ولكن بشروط محددة للغاية. فعندما يُستخدم مسحوق قشور البيض لاستبدال جزء صغير من الإسمنت — وتحديداً بين خمسة إلى عشرة بالمائة من الوزن الإجمالي — تؤدي الخرسانة أداءً يضاهي الخرسانة القياسية، أو حتى يتفوق عليها أحياناً. عند هذه المستويات المنخفضة، تعمل جزيئات قشور البيض الصغيرة كـ "مالئ". تخيل مرطباناً مليئاً بكرات زجاجية كبيرة؛ إذا هززته، ستكون هناك فجوات بينها. وإذا سكبت فيه رملاً ناعماً، فإن الرمل سيملأ تلك الفجوات، مما يجعل المرطبان أثقل وأكثر تماسكاً. وبالمثل، فإن مسحوق قشور البيض الناعم يملأ المساحات الصغيرة بين حبيبات الإسمنت، مما يجعل الخليط أكثر كثافة وإحكاماً. يساعد هذا التكثيف الخرسانة على مقاومة الماء ويمنعها من أن تصبح مسامية، وهو عامل رئيسي في طول عمر المبنى.

ومع ذلك، فإن الفوائد تتلاشى بسرعة إذا حاولت استخدام كمية كبيرة. فقد أظهرت المراجعة أنه بمجرد تجاوز نسبة الاستبدال عشرة إلى خمسة عشر بالمائة، تبدأ الخرسانة في فقدان قوتها. يحدث هذا لأن قشور البيض ليست بديلاً حقيقياً للإسمنت من الناحية الكيميائية. فالإسمنت مادة تفاعلية تتصلب من خلال تفاعل كيميائي مع الماء، مما يخلق "غراءً" يمسك الصخر والرمل معاً. أما قشور البيض، حتى عند طحنها، فلا تتفاعل بنفس الطريقة. فإذا وضعت الكثير منها في الخليط، فأنت تقوم أساساً بتخفيف الغراء. لن يتبقى ما يكفي من الإسمنت التفاعلي لربط كل شيء معاً، مما يؤدي إلى هيكل أضعف أكثر عرضة للتشقق والتفتت. وأشار الباحثون إلى أن هذا الانخفاض في القوة يظهر بوضوح في قدرة الخرسانة على مقاومة قوى الشد، وهو أمر بالغ الأهمية لمنع التشققات.

كما أن طريقة تحضير قشور البيض مهمة أيضاً بشكل كبير. فقد أظهرت الدراسات التي تمت مراجعتها أن المسحوق يجب أن يكون نظيفاً وناعماً جداً. فإذا لم تُغسل القشور بشكل جيد، فإن المواد العضوية المتبقية من البيض قد تعيق عملية التصلب. علاوة على ذلك، فإن حجم جزيئات المسحوق أمر بالغ الأهمية؛ فقد جاءت أفضل النتائج من القشور التي طُحنت لتصبح مسحوقاً ناعماً جداً لدرجة أنها يمكن أن تمر عبر منخل صغير جداً. كما قام بعض الباحثين بتسخين القشور إلى درجات حرارة عالية قبل الطحن، وهي عملية تغير البنية الكيميائية قليلاً وتجعل المسحوق أكثر تفاعلية. وبينما يمكن لخطوة التسخين هذه أن تحسن الأداء، تشير المراجعة إلى أن استخدام قشور نظيفة ومطحونة ناعماً عند مستويات استبدال منخفضة غالباً ما يكون كافياً وأكثر عملية.

كانت المتانة محور تركيز رئيسي آخر للمراجعة. فالخرسانة التي تدوم طويلاً يجب أن تكون قادرة على منع دخول الماء، حيث أن الماء هو العدو الرئيسي الذي يسبب صدأ حديد التسليح وتشقق الخرسانة. وأكد التحليل أن الخرسانة التي تحتوي على خمسة إلى عشرة بالمائة من مسحوق قشور البيض تمتص ماءً أقل من الخرسانة القياسية. فالجزيئات الدقيقة تسد القنوات الصغيرة التي قد يتسرب من خلالها الماء عادةً، مما يخلق حاجزاً أكثر صلابة. وهذا يشير إلى أن هذا النوع من الخرسانة قد يكون مفيداً بشكل خاص في المناخات الدافئة والرطبة حيث يمكن للرطوبة أن تسرع من تدهور المباني. ومع ذلك، حذر الباحثون من أن مكاسب المتانة هذه تختفي إذا كان مستوى الاستبدال مرتفعاً جداً، حيث يسمح الهيكل المسامي الناتج بنفاذ الماء بسهولة.

نظر الفريق أيضاً إلى الصورة الأشمل لمكانة هذه المادة في صناعة البناء. وخلصوا إلى أن مسحوق قشور البيض ليس علاجاً سحرياً يمكنه استبدال الإسمنت بالكامل، بل هو مكمل قيم لأنواع معينة من البناء، لا سيما للمباني التي لا تتطلب أعلى درجات القوة الممكنة. وفي مناطق مثل غانا، حيث تولد تربية الدواجن أطنانًا من نفايات قشور البيض وتزدهر فيها عمليات تطوير البنية التحتية، يوفر هذا النهج طريقة لتحويل مشكلة النفايات إلى حل إنشائي. إنه يتماشى مع مفهوم الاقتصاد الدائري، حيث تصبح نفايات صناعة ما مورداً لصناعة أخرى، مما يقلل من الحاجة إلى تعدين حجر جيري جديد ويخفض البصمة الكربونية لمواد البناء.

وعلى الرغم من هذه النتائج الواعدة، أكد الباحثون أن هناك حاجة لمزيد من العمل قبل أن يصبح هذا الأسلوب ممارسة قياسية. فمعظم الدراسات التي راجعوها كانت تجارب قصيرة المدى أجريت في المختبرات، وهناك القليل جداً من البيانات حول كيفية صمود هذه الخرسانة على مدار سنوات عديدة أو في مواقع البناء الواقعية. ودعوا إلى وضع قواعد موحدة لكيفية معالجة قشور البيض لضمان الاتساق، حيث يمكن أن تختلف جودة المسحوق بشكل كبير اعتماداً على كيفية تنظيفه وطحنه. كما اقترحوا أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تنظر في دمج قشور البيض مع مواد مستدامة أخرى لمعرفة ما إذا كان بإمكانها العمل معاً لتحسين الأداء بشكل أكبر.

في نهاية المطاف، توفر هذه المراجعة خارطة طريق واضحة لاستخدام قشور البيض في الخرسانة. فهي تؤكد أن الفكرة سليمة علمياً، ولكن فقط عند تطبيقها بدقة. فمن خلال الالتزام بمعدل استبدال منخفض يتراوح بين خمسة إلى عشرة بالمائة وضمان أن يكون المسحوق مطحوناً ناعماً ونظيفاً، يمكن للبنائين إنشاء مادة مستدامة، قوية، متينة، وأكثر رفقاً بالبيئة. إن قشرة البيض، التي كان مصيرها سلة المهملات، لديها القدرة على أن تصبح مكوناً هادئاً وغير ملفت للنظر في الهياكل التي ستضم المستقبل، بشرما نلتزم بحدود قوتها وبأهمية ضبط الوصفة الصحيحة.