Performance Optimization and Sustainability Assessment of Reclaimed Asphalt Pavement Modified with Waste Engine Oil for Flexible Pavement Applications

في كل مرة يتم فيها بناء طريق، فإنه يعتمد على مكونين رئيسيين: الحجر المسحوق ومادة رابطة سوداء لزجة مستخرجة من النفط الخام. هذه المادة الرابطة، المعروفة باسم البيتومين، تعمل على تماسك الأحجار معاً لتشكيل سطح أملس للمركبات. ولعقود من الزمن، اعتمدت صناعة البناء على الحجر الجديد والنفط الجديد لبناء هذه الطرق المرنة. ومع ذلك، فإن هذا النهج أصبح مكلفاً بشكل متزايد وضاراً بالبيئة؛ فالعالم ينفد منه النفط الخام سهل الوصول، وحفر حجر جديد يستنزف الموارد الطبيعية. وفي الوقت نفسه، عندما تُزال الطرق القديمة، فإن المواد الناتجة، والتي تسمى رصف الأسفلت المستصلح، غالباً ما ينتهي بها المطاف في المكبات. وهذا يخلق مشكلة مزدوجة: نحن نهدر مورداً قيماً بينما نستمر في استهلاك المزيد من المواد الخام.

ولحل هذه المشكلة، يتطلع المهندسون إلى طرق لإعادة تدوير مواد الطرق القديمة هذه. التحدي يكمكم في أن البيتومين الموجود في الطرق القديمة قد تقادم وتصلب بمرور الوقت، مما جعله هشاً وعرضة للتصدع. وإذا قام البناؤون ببساطة بخلط هذه المادة القديمة الهشة مع حجر جديد، فإن الطريق الناتج من المرجح أن يفشل بسرعة. ولإصلاح ذلك، بدأ الباحثون في اختبار طريقة لـ "تجديد" المادة الرابطة القديمة. إنهم يستخدمون زيت المحركات المستعمل، وهو ملوث شائع ناتج عن السيارات والآلات، لتليين البيتومين المتصلب. الفكرة هي تحويل منتجين من النفايات — قطع الطريق القديمة وزيت المحركات المستعمل — إلى سطح طريق جديد عالي الجودة. وقد استكشفت دراسة حديثة أجراها باحثون في كلية أجاي كومار غارج للهندسة في الهند بالضبط مدى جودة عمل هذا المزيج، بهدف إيجاد الوصفة المثالية التي توازن بين قوة الطريق والفوائد البيئية.

وضع الباحثون خطة لإنشاء نوع جديد من خلطات الطرق باستخدام رصف الأسفلت المستصلح وزيت المحركات المستعمل. بدأوا بجمع موادهم: البيتومين القياسي المستخدم للطرق الجديدة، والحجر المسحوق، ورصف الأسفلت المستصلح المأخوذ من الطرق القديمة المتضررة. كما جمعوا زيت المحركات المستعمل، الذي خططوا لاستخدامه كعامل تجديد لاستعادة مرونة المادة الرابطة المتقادمة. أعد الفريق عدة دفعات مختلفة من خلطة الطريق. بعضها كان خلطات تقليدية مصنوعة بالكامل من مواد جديدة، بينما احتوت خلطات أخرى على كميات متفاوتة من الأسفلت المستصلح القديم. وفي الخلطات التي تحتوي على الأسفنت المستصلح، أضافوا كمية صغيرة من زيت المحركات المستعمل، وتحديداً بنسبة اثنين بالمائة من الوزن، لمعرفة ما إذا كان بإمكانه تليين المادة الرابطة القديمة بما يكفي لجعل الخلطة الجديدة قابلة للتشغيل.

لاختبار هذه الخلطات، استخدم الفريق إجراءً هندسياً قياسياً يُعرف باسم تصميم "مارشال" (Marshall mix design). يتضمن ذلك تسخين المواد، وخلطها معاً، ثم ضغطها في شكل محدد لإنشاء عينة اختبار. بعد ذلك، وضعوا هذه العينات في آلة تضغط عليها لقياس مقدار الوزن الذي يمكن أن تتحمله قبل الكسر، وهي خاصية تسمى "الثبات" (stability). كما قاموا بقياس مدى تشوه العينة تحت هذا الضغط، وهو ما يعرف بـ "التدفق" (flow)، وتحققوا من كمية جيوب الهواء الصغيرة المحتبسة داخل الخليط. ومن خلال اختبار كميات مختلفة من البيتومين ونسب مختلفة من الأسفلت المستصلح، تمكنوا من رسم خريطة توضح أي التوليفات تخلق سطح طريق أقوى وأكثر متانة.

أظهرت النتائج أن خلطة الطريق التقليدية، المصنوعة من مواد جديدة، قدمت أداءً جيداً للغاية، لكن الباحثين وجدوا طريقة لمطابقة ذلك الأداء باستخدام مواد معاد تدويرها. لقد حددوا أن الكمية المثالية من البيتومين لخلطتهم كانت تزيد قليلاً عن خمسة بالمائة. وعندما أدخلوا الأسفلت المستصلح وزيت المحركات المستعمل، اكتشفوا وصفة محددة تعمل بشكل أفضل. فالخليط الذي يحتوي على عشرين بالمائة من الأسفلت المستصلح واثنين بالمائة من زيت المحركات المستعمل أثبت أنه "النقطة المثالية". حقق هذا المزيج المحدد ثباتاً قدره 1006 كيلوغرام، وهو ما يكاد يتطابق مع قوة الخلطة التقليدية. كما كانت كمية الهواء المحتبسة داخل الخليط مثالية أيضاً، حيث بلغت ما يزيد قليلاً عن أربعة بالمائة، وهو الهدف للحصول على سطح طريق كثيف ومتين.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية لم يكن يتعلق بالقوة فحسب، بل بالتكلفة والاستدامة. فقد حسب الباحثون أن استخدام هذه الخلطة المكونة من عشرين بالمائة من الأسفلت المستصلح واثنين بالمائة من زيت المحركات المستعمل سيؤدي إلى انخفاض تكلفة بناء متر مكعب من الطريق بأكثر من أربعة عشر بالمائة. يأتي هذا التوفير من استخدام حجر جديد أقل وبيتومين جديد أقل. علاوة على ذلك، سلطت الدراسة الضوء على أن هذا النهج يساعد في حل مشكلتين بيئيتين في آن واحد: فهو يبقي مواد الطرق القديمة بعيداً عن المكبات ويمنع زيت المحركات المستعمل من تلويث التربة والمياه الجوفية. لقد عمل الزيت العادم كجسر كيميائي، حيث أعاد الزيوت المفقودة في المادة الرابطة المتقادمة وسمح للمواد القديمة والجديدة بالعمل معاً بسلاسة.

لم تتوقف الدراسة عند مجرد بناء الخليط؛ بل استخدم الباحثون أيضاً أدوات إحصائية لضمان موثوقية نتائجهم. استخدموا تحليل الانحدار (regression analysis)، وهو طريقة لإيج البحث عن الأنماط في البيانات، للتنبؤ بأفضل محتوى للبيتومين، وقد طابقت توقعاتهم تجاربهم الفيزيائية بشكل شبه مثالي. كما أنشأوا مؤشر أداء يزن قوة الطريق، ومرونته، وتكلفته مقابل بعضها البعض. وفي هذا التصنيف الشامل، جاءت الخلطة التي تحتوي على عشرين بالمائة من الأسفلت المستصلح واثنين بالمائة من زيت المحركات المستعمل في المقدمة. لقد قدمت أفضل توازن بين كونها قوية بما يكفي لتحمل حركة المرور، ومرنة بما يكفي لمقاومة التصدع، ورخيصة بما يكفي لتكون منطقية اقتصادياً.

بينما كانت النتائج واعدة، كان الباحثون حذرين في الإشارة إلى حدود عملهم. فقد أكدوا أن هذه الخلطة المحددة تعمل جيداً في ظل الظروف التي اختبروها، لكنهم أقروا بأن الطرق في العالم الحقيقي تواجه تحديات أكثر بكuma، مثل حركة شاحنات ثقيلة، وطقس شديد، وتقادم طويل الأمد. لم تختبر الدراسة كيف ستصمد هذه الخلطة على مدار سنوات عديدة في الميدان، كما لم تحلل التغييرات الكيميائية المجهرية في المادة الرابطة بالتفصيل الدقيق. وهذه مجالات للبحث المستقبلي. ومع ذلك، فإن النتائج الحالية توفر أساساً قوياً، مما يشير إلى أنه من الممكن بناء طرق ليست فقط أرخص وأقوى، بل وأيضاً أكثر رفقاً بالبيئة.

في نهاية المطاف، يوضح هذا البحث مساراً عملياً نحو اقتصاد دائري في إنشاء الطرق. فبدلاً من النظر إلى الطرق القديمة وزيت المحركات المستعمل كنفايات، تظهر الدراسة أنه يمكن اعتبارها موارد قيمة. فمن خلال مزج عشرين بالمائة من الأسفلت المستصلح مع كمية صغيرة من زيت المحركات المستعمل، يمكن للمهندسين إنشاء سطح طريق يؤدي أداءً يضاهي المواد البكر. هذا النهج يقلل من الحاجة إلى حفر حجر جديد والحفر بحثاً عن نفط جديد، بينما ينظف في الوقت نفسه مسارين رئيسيين من النفايات. ويشير العمل إلى أن مستقبل بناء الطرق قد لا يكمن في البحث عن موارد جديدة، بل في طرق أكثر ذكاءً لاستخدام ما نملكه بالفعل.