Waste-Derived Thermal Insulation Bricks from Kaolin–Sawdust–Periwinkle Shell Ash Composites: Multi-Response Taguchi–Grey Relational Optimization for Sustainable Construction

تُعد الطوب (الآجر) بمثابة عمال المهام الصامتة في عالم البناء، حيث تدعم الأسقف والجدران لقرون من الزمن. ومع ذلك، فإن الطريقة التقليدية لصناعتها تخلق مفارقة: فالعملية ذاتها التي تجعلها قوية تجعلها فقيرة في الاحتفاظ بالحرارة بالداخل. فعندما يتم حرق الطين في فرن، يتحول إلى كتلة صلبة وكثيفة تنقل الحرارة بسهء، مما يعني أن المباني تفقد دفئها في الشتاء وتكتسبه في الصيف، مما يجبر أنظمة التدفئة والتبريد على العمل بجهد أكبر. لعقود من الزمن، بحث المهندسون عن طرق لجعل هذه الكتل أخف وزناً وأكثر عزلاً دون التضحية بقدرتها على دعم الهيكل. ويكمن الحل غالباً في إضافة جيوب صغيرة من الهواء، أو مسام، داخل الطين. تعمل هذه المسام كحواجز لتدفق الحرارة، لكن إنشاءها عادة ما يضعف الطوب. ويتمثل التحدي في إيجاد طريقة لإدخال قدر كافٍ من الهواء لمنع انتقال الحرارة مع الحفاظ على قوة المادة بما يكفي لاستخدامها في البناء.

في دراسة حديثة، عالج باحثون في جامعة أحمدو بيلو في نيجيريا هذه المشكلة من خلال اللجوء إلى منتجين من النفايات الشائعة: نشارة الخشب الناتجة عن معالجة الأخشاب وقشور حلزون "البريوينكي"، وهو نوع من الرخويات البحرية الوفيرة في المناطق الساحلية. وبدلاً من التعامل مع هذه المواد كنفايات، خلط الفريق بينها وبين الطين لإنشاء نوع جديد من الطوب. لقد تعاملوا مع نشارة الخشب كبديل مؤقت؛ فعندما يُحرق الطوب في الفرن، تحترق ألياف الخشب العضوية تماماً، تاركة وراءها شبكة من الثقوب الصغيرة. أما القشور المطحونة، الغنية بالمعادن، فقد أضيفت إلى الخليط للمساعدة في الحفاظ على قوة الطوب رغم وجود هذه الثقوب. ولإيجاد الوصفة المثالية، لم يعتمد العلماء على التخمين، بل استخدموا منهجية منظمة تسمى "تصميم تاغوتشي"، والتي سمحت لهم باختبار كميات مختلفة من نشارة الخشب، وكميات مختلفة من رماد القواقع، ودرجات حرارة حرق مختلفة بطريقة مهيكلة. ثم استخدموا أداة إحصائية تسمى "تحليل العلاقة الرمادية" للموازنة بين هدفين متنافسين: جعل الطوب الأفضل في منع انتقال الحرارة قدر الإمكان مع الحفاظ على قوته لدعم المبنى.

بدأ الباحثون بفحص المواد الخام بعناية لفهم طبيعة ما يعملون عليه. واستخدموا تقنية تسمى "حيود الأشعة السينية"، والتي تعمل مثل ماسح بصمات المعادن، لمعرفة مكونات الطين ونشارة الخشب ورماد القواقع بدقة. ووجدوا أن الطين يحتوي على معدن يسمى "الكاولينيت"، الذي يتحول إلى بلورات أقوى ومقاومة للحرارة عند تسخينه لدرجات حرارة عالية. كما تأكدوا أن نشارة الخشب تتكون من "السليلوز"، وهو الألياف القوية الموجودة في النباتات، والتي تحترق بشكل نظيف. أما رماد القواقع فكان يتكون في الغالب من "كربونات الكالسيوم"، وهو معدن يتفكك عند التسخين ليطلق غازاً ويترك وراءه معادن تفاعلية يمكن أن تساعد في ربط الطوب معاً. هذا الفهم التفصيلي للمكونات منح الفريق الثقة في أن خليطهم سيعمل كما هو مخطط له.

بعد ذلك، قاموا بإنشاء سلسلة من نماذج اختبار صغيرة للطوب، كل منها بوصفة مختلفة قليلاً. احتوى بعضها على المزيد من نشارة الخشب، وبعضها على المزيد من رماد القواقع، وبعضها حُرق في درجات حرارة منخفضة بينما حُرق البعض الآخر في درجات حرارة أعلى. وقاسوا مدى قدرة كل طوبة على منع مرور الحر "من خلالها" ومدى الوزن الذي يمكن أن تتحمله قبل أن تتشقق. كانت النتائج واضحة: كانت درجة حرارة الفرن هي العامل الأكثر أهمية في جودة عزل الطوب. فكلما زادت حرارة حرق الطوب، كان أفضل في منع انتقال الحرارة، لأن الحرارة العالية تضمن احتراق نشارة الخشب تماماً وتحول معادن الطين إلى أقوى أشكالها. ومع ذلك، كانت كمية نشارة الخشب هي العامل الأكثر حرجاً بالنسبة للقوة؛ فإضافة الكثير من النشارة أدى إلى خلق ثقوب كثيرة، مما جعل الطوب ضعيفاً جداً لدرجة لا تسمح له بدعم الجدار. وقد لعب رماد القواقع دوراً داعماً، حيث ساعد في تقوية الطوب عند مستويات متوسطة، لكن فائدته تقل عند إضافته بكميات زائدة.

ومن خلال دمج جميع هذه القياسات، حدد الفريق وصفة "ذهبية" واحدة تقدم أفضل توازن. تحتوي هذه الخلطة المثالية على عشرة بالمائة من نشارة الخشب، وعشرة بالمائة من رماد القواقع، وتُحرق عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية. وعندما صنعوا طوبة كاملة الحجم باستخدام هذه الصيغة، كانت النتائج مذهلة. فقد نقلت الطوبة الجديدة الحرارة بمعدل 0.407 واط لكل متر لكل كلفن، وهو تحسن هائل مقارنة بـ 1.8 واط لكل متر لكل كلفن للطوب التقليدي. وبتعبير أبسط، فإن هذا الطوب الجديد أفضل في الحفاظ على الحرارة بالداخل بنحو أربعة أضعاف الطوب التقليدي. وفي الوقت نفسه، ظل قوياً بما يكفي للبناء، بقوة ضغط بلغت 7.83 ميجاباسكال، وهي أعلى بكثير من الـ 5 ميجاباسكال المطلوبة في معايير البناء.

أكدت الدراسة أن هذا النهج يعمل ليس فقط من الناحية النظرية، بل ومن الناحية العملية أيضاً. فقد كانت النماذج الإحصائية التي بنوها للتنبؤ بأداء الطوب دقيقة للغاية، حيث طابقت نتائج الاختبارات الفعلية بشكل شبه مثالي. كما لاحظ الباحثون أن هذه العملية تحقق فائدة مزدوجة للبيئة؛ فهي تحول نوعين من النفايات - غبار الخشب وقشور البحر - من مجرد نفايات في المكبات إلى مواد بناء قيمة. وهذا أمر ذو أهمية خاصة في مناطق مثل غرب أفريقيا، حيث تتوفر هذه المواد بكثرة. والمنتج النهائي هو طوب أخف وزناً وأبرد من الطوب الذي نعتاد عليه، ومع ذلك فهو قوي بما يكفي للبناء. وتخلص الدراسة إلى أنه من خلال الموازنة الدقيقة بين المكونات وعملية الحرق، يمكن إنشاء مواد بناء مستدامة تحل المقايضة القديمة بين العزل والقوة، مما يوفر مساراً عملياً نحو بناء أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.