Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

في أجزاء كثيرة من العالم، تُعد الطريقة الأكثر عملية لبناء منزل هي استخدام الأرض نفسها. وتوفر قوالب التربة المضغوطة، وهي في الأساس طوب مصنوع من التربة التي تم حشوها بإحكام في قوالب، بديلاً منخفض التكلفة ومستداماً للطوب الفخاري المحروق أو الخرسانة. ومع ذلك، فإن التربة الخام ضعيفة وتتفتت عندما تبتل، لذا يقوم البناؤون تقليدياً بخلط مادة رابطة معها لتماسكها. ولعقود من الزمن، كان الخيار القياسي هو الإسمنت البورتلاندي العادي، وهو مادة تتصلب لتصبح هيكلاً يشبه الحجر، لكنها تحمل تكلفة بيئية باهظة بسبب الكمية الهائلة من ثاني أكسيد الكربون المنبعث أثناء إنتاجها. وبينما يسعى العالم نحو طرق بناء أكثر رفقاً بالبيئة، وجه العلماء اهتمامهم إلى نوع مختلف من المواد الرابطة: الجيوبوليمر. يتم إنشاء هذه المادة عن طريق خلط الطين المحلي مع محلول قلوي قوي، مما يؤدي إلى تفاعل كيميائي يحول الطين إلى مادة صلبة تشبه الصخر دون الحاجة إلى الحرق بدرجات حرارة عالية. والسؤال الذي يواجه الباحثين هو ما إذا كان هذا النهج الجديد، الأقل انبعاثاً للكربون، يمكنه حقاً الصمود أمام أداء الإسمنت التقليدي، خاصة في المناخات الاستوائية الرطبة حيث تشتد الحاجة لهذه المباني.

لقد شرع فريق من الباحثين من الكاميرون وألمانيا في الإجابة على هذا السؤال من خلال المقارنة المباشرة بين نوعين من قوالب التربة المثبتة. فقد أخذوا نوعاً معيناً من التربة الحمراء الغنية بالطين والمعروفة باسم "اللاتيريت"، وهي شائعة في المنطقة، وجهزوها للاستخدام بطريقتين مختلفتين. بالنسبة للمجموعة الأولى من القوالب، قاموا بخلط التربة مع الإسمنت البورتلاندي العادي. أما بالنسبة للمجموعة الثانية، فقد استخدموا رابطاً جيوبوليمرياً مكوناً من "الكاولين"، وهو نوع من الطين الذي تم تسخينه أولاً إلى درجة حرارة عالية لجعله نشطاً كيميائياً، ثم خُلط بمحلول قلوي سائل. وقد صنعوا قوالب بكميات مختلفة من هذه الروابط، تتراوح من خمسة بالمائة إلى عشرة بالمائة من الوزن الإجمالي، وضغطوها في أشكال صلبة باستخدام آلة ثقيلة. وبعد ترك القوالب لتهدأ وتتصلب لمدة أسبوع وأسبوعين، أخضعها الفريق لسلسلة صارمة من الاختبارات لمعرفة مدى قوتها، وكمية الماء التي تمتصها، وكيف تبدو هياكلها الداخلية تحت المجهر.

وكشفت النتائج عن انقسام واضح في الأداء اعتماداً على نوع القوة المطلوبة. فعندما اختبر الباحثون مقدار الوزن الذي يمكن أن تتحمله القوالب قبل أن تتحطم، ثبت أن قوالب الجيوبوليمر هي المنافس الأقوى. ففي أعلى مستوى للرابط بنسبة عشرة بالمائة وبعد أسبوعين من المعالجة، استطاعت قوالب الجيوبوليمر تحمل قوة سحق بلغت 10.62 ميجاباسكال عندما كانت جافة، و10.12 ميجاباسكال مذهلة حتى بعد نقعها في الماء. وفي المقابل، لم تستطع قوالب الإسمنت عند نفس المستوى تحمل سوى 8.12 ميجاباسكال وهي جافة، وانخفضت إلى 6.75 ميجاباسكال عندما كانت مبللة. وهذا الفرق جوهري لأنه يوضح أن قوالب الجيوبوليمر لم تبدأ أقوى فحسب، بل صمدت أيضاً بشكل أفضل عند التعرض للرطوبة، حيث فقدت القليل جداً من قوتها. أما قوالب الإسمنت، فقد عانت من انخفاض أكبر بكثير في القوة عندما كانت مبللة، مما يشير إلى أنها أكثر عرضة للتآكل والضرر الناتج عن الأمطار الغزيرة.

وقد اختلفت القصة عندما اختبر الباحثون القوالب من حيث المرونة، أو قدرتها على الانحناء دون انكسار. في هذا المجال، أخذت قوالب الإسمنت التقليدية زمام المبادرة؛ حيث استطاعت القوالب المثبتة بالإسمنت تحمل قوة انحناء بلغت 4.22 ميجاباسكال، بينما تمكنت قوالب الجيوبوليمر من تحقيق 2.81 ميجاباسكال فقط. ويشير هذا إلى أنه بينما يخلق الجيوبوليمر مادة صلبة وكثيفة تقاوم السحق، إلا أنه أكثر هشاشة وأقل قدرة على التعامل مع قوى الالتواء أو الانحناء التي قد تحدث أثناء الزلازل أو الهبوط غير المتساوي للأرض. وبالمقارنة، يحتفظ الإسمنت بقدر أكبر من المرونة، مما يسمح له بامتصاص الإجهاد دون أن ينكسر بسهولة.

ولفهم سبب اختلاف سلوك هاتين المادتين بهذا الشكل، نظر الفريق داخل القوالب باستخدام أدوات تصوير متخصصة تكشف عن ترتيب الذرات والجزيئات. ووجدوا أن قوالب الإسمنت تحتوي على المنتجات الكيميائية المتوقعة لإماهة الإسمنت، إلى جانب بعض جزيئات الإسمنت غير المتفاعلة التي لم تختلط تماماً بسبب محتوى الماء المنخفض المستخدم في صنع الطوب. أما قوالب الجيوبوليمر، فقد أظهرت مشهداً داخلياً مختلفاً؛ فبدلاً من بلورات الإسمنت، كانت تحتوي على هلام غير متبلور كثيف (Amorphous gel) — وهي مادة تفتقر إلى بنية بلورية صلبة ولكنها تربط جزيئات التربة ببعضها بقوة. وقد تشكل هذا الهلام لأن الكاولين المعالج حرارياً تفاعل مع المحلول القلوي لإنشاء شبكة ثلاثية الأبعاد جديدة. وكانت هذه الشبكة فعالة جداً في ملء الفجوات الصغيرة بين جزيئات التربة، مما جعل قوالب الجيوبوليمر أكثر كثافة وأقل مسامية من قوالب الإسمنت. كما امتصت كمية أقل بكثير من الماء، حيث امتصت أفضل عينات الجيوبوليمر حوالي تسعة بالمائة فقط من وزنها في الماء، مقارنة بنحو اثني عشر بالمائة لعينات الإسمنت.

وتخلص الدراسة إلى أنه لا توجد مادة مثالية لتكون بديلاً للأخرى في كل موقف، ولكن الجيوبوليمر يقدم بديلاً مقنعاً لاحتياجات محددة. فبالنسبة للبنائين في المناطق الاستوائية حيث يمثل المطر الغزير تهديداً مستمراً، توفر قوالب الجيوبوليمر مقاومة فائقة لأضرار المياه وقوة ضغط أعلى، مما يجعلها ممتازة للجدران الحاملة التي يجب أن تظل جافة وصلبة. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تحتاج فيها الهياكل إلى المرونة أو مقاومة قوى الانحناء، لا يزال الإسمنت التقليدي يمتلك الأفضلية. ويؤكد البحث أنه من خلال استخدام مواد متوفرة محلياً وعملية كيميائية منخفضة الكربون، يمكن إنشاء قوالب تربة ليست صديقة للبيئة فحسب، بل متفوقة تقنياً من حيث المتانة والاستقرار المائي. ويشير هذا العمل إلى أن مستقبل الإسكان المستدام في هذه المناطق قد يكمن في اختيار الرابط المناسب للمهمة المناسبة، بدلاً من الاعتماد على حل واحد شامل.