Recycled EPS Diluted in D-Limonene as a Sustainable Stabilizer for Building Foundation Subgrade: Evaluation of Physical and Mechanical Properties in Fine Clay Soils

تحت كل مبنى، من المنزل المتواضع إلى ناطحة السحاب الشاهقة، تكمن طبقة من الأرض يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الوزن الذي يعلوها. هذه الأرض، التي غالباً ما تكون مزيجاً من الطين والغرين، هي أساس عالمنا المبني. ومع ذلك، فإن التربة الطبيعية ليست دائماً موثوقة؛ فقد تكون ناعمة جداً، أو طينية لزجة، أو عرضة للتحرك عند البلل. ولعقود من الزمن، حل المهندسون هذه المشكلة عن طريق خلط الإسمنت أو الجير لتصلب التراب. ورغم فاعلية هذه الطرق، إلا أنها تأتي بثمن باهظ على كوكب الأرض، حيث ينتج عن إنتاجها كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وفي الوقت نفسه، يغرق العالم في النفايات البلاستيكية، وخاصة البوليسترين الممدد (الفوم)، وهو المادة الرغوية خفيفة الوزن المستخدمة في التغليف والأكواب المعدة للاستخدام مرة واحدة. هذه المادة متينة بشكل مفرط، إذ تبقى في مكبات النفايات لقرون دون أن تتحلل. وقد كان التحدي الذي واجه العلم الحديث هو إيجاد طريقة لتحويل هذه النفايات المستعصية إلى أداة مفيدة في البناء دون خلق مشكلات بيئية جديدة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من جامعات في كولومبيا نهجاً مبتكراً لهذه المشكلة، حيث اقترحوا طريقة تحول مسارين مختلفين من النفايات إلى حل واحد قوي. فقد بحثوا فيما إذا كان بإمكان رغوة البوليسترين المعاد تدويرها، عند إذابتها في سائل طبيعي مستخلص من الحمضيات، أن تُستخدم لتقوية التربة الطينية الناعمة. وكان الهدف هو إنشاء نوع جديد من مثبتات التربة لا يكتفي فقط بكونه فعالاً في دعم المباني، بل يقلل أيضاً من البصمة الكربونية للبناء ويعطي حياة ثانية للنفايات البلاستيكية. ومن خلال خلط الرغوة المذابة في الطين، سعى الباحثون إلى إنشاء مادة مركبة تكون أقوى وأكثر صلابة من التربة وحدها، مما يوفر بديلاً مستداماً للممارسات التي تعتمد بكثافة على الإسمنت في الماضي.

بدأت التجربة بنوع محدد من التربة الطينية، وهي تربة شائعة في العديد من المناطق ولكنها غالباً ما تكون ضعيفة جداً لدعم الهياكل الثقيلة بمفردها. أخذ الباحثون حبيبات البوليسترين المعاد تدويرها، من النوع الموجود في مواد التغليف، وأذابوها في مادة "دي-ليمونين" (D-limonene)، وهو سائل شفاف مستخلص من قشور البرتقال. هذا المذيب قابل للتحلل الحيوي وغير سام، مما يجعله خياراً أكثر رفقاً بالبيئة من المذيبات الكيميائية القاسية التي تُستخدم غالباً في العمليات الصناعية. وقد صنعوا عشرات العينات الأسطوانية الصغيرة من هذا الطين، حيث تم خلط كل منها بكميات مختلفة من الرغوة المذابة وتركيزات متفاوتة من السائل ذي الرائحة البرتقالية. ثم ضُغطت هذه العينات بإحكام وتُركت لتجف في الهواء لمدة أسبوع، مما سمح للمذيب بالتبخر وللرغوة بالاستقرار داخل مصفوفة التربة.

بمجرد تجهيز العينات، أخضعها الفريق لسلسلة من الاختبارات الصارمة لمعرفة مدى صمودها. وقاسوا السرعة التي تنتقل بها الموجات الصوتية عبر المادة، وهي تقنية تكشف مدى كثافة واستمرارية البنية الداخلية. كما أخضعوا الأسطوانات لضغط هائل لمعرفة مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها قبل أن تتشقق. كانت النتائج مذهلة؛ فقد أظهرت العينات التي احتوت على أعلى كمية من الرغوة المذابة، وتحديداً المزيج الذي شكلت فيه الرغوة 12 بالمائة من الوزن الإجمالي وكان السائل الحمضي موجوداً بنسبة 25 بالمائة، أداءً استثنائياً. استطاعت هذه العينات تحمل ضغط يصل إلى ما يقرب من 1,010 كيلوباسكال. ولوضع ذلك في منظور، فإن التربة الطينية غير المعالجة المستخدمة كخط أساس لم تستطع تحمل سوى حوالي 123 كيلوباسكال. وهذا يعني أن المزيج الجديد كان أقوى بنحو ست مرات من التربة الطبيعية، وهي قفزة هائلة في الأداء.

وإلى جانب القوة الخام، أظهرت المادة سمات واعدة أخرى. فقد أصبحت العينات التي تحتوي على أكبر قدر من الرغوة أكثر صلابة بشكل ملحوظ، مما يعني أنها أقل عرضة للانحناء أو التشوه تحت الحمل، ومع ذلك احتفظت بقدر كافٍ من المرونة لامتصاص الإجهاد دون أن تتحطم فوراً. كما لاحظ الباحثون أن وجود الرغوة ساعد في حبس السائل الحمضي داخل المزيج لفترة أطول، مما سمح بعملية تصلب أكثر تجانساً مع تبخر السائل ببطء. هذا التأثير الخاص بالاحتواء ضمن توزيع الرغوة بشكل متساوٍ في جميع أنحاء الطين، مما خلق شبكة متماسكة تربط جزيئات التربة ببعضها البعض. وقد أكد التحليل الإحصائي أن الزيادة في القوة لم تكن مجرد مصادفة، بل كانت نتيجة مباشرة للنسب المحددة من الرغوة والمذيب المستخدمين.

تشير الدراسة إلى أن هذا الجمع بين البلاستيك المعاد تدويره والمذيب الطبيعي يقدم مساراً قابلاً للتطبيق في الهندسة الجيوتقنية. فهي تثبت أن المواد العادمة، التي غالباً ما تُعتبر عبئاً، يمكن تحويلها إلى أدوات بناء عالية الأداء. ووجد الباحثون أن التوازن الأمثل يتطلب كمية محددة من المذيب لإذابة الرغوة بفعالية دون ترك الكثير من السائل خلفها، مما قد يضعف المنتج النهائي. وعند تحقيق هذا التوازن، كانت خليط التربة الناتج ليس فقط أقوى، بل أخف وزناً أيضاً، مما قد يقلل من الحمل الإجمالي على أساسات المبنى. هذه الفائدة المزدوجة المتمثلة في زيادة القوة وتقليل الوزن، والتي تحققت من خلال إعادة استخدام النفايات، تشير إلى مستقبل أكثر استدامة لأساسات البناء.

وبينما ركزت الدراسة على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمادة، فإن آثارها تمتد إلى التأثير البيئي الأوسع لقطاع البناء. فمن خلال استبدال جزء من الإسمنت المستخدم عادةً لتثبيت التربة بهذا المزيج من الرغوة المعاد تدويرها، يمكن لصناعة البناء أن تخفض انبعاثاتها الكربونية بشكل كبير. تعتمد العملية على مواد متوفرة بالفعل كنفايات، مما يحول مشكلة التخلص منها إلى مورد. وأشار الباحثون إلى أن العمل المستقبلي يمكن أن يتضمن اختبار كيفية تأثير درجة الحرارة على عملية التجفيف لتحسين إزالة المذيب بشكل أكبر، وضمان وصول المادة إلى كامل إمكاناتها. أما الآن، فإن النتوات توفر دليلاً واضحاً ومدروساً على أن مزيجاً بسيطاً من سائل قشر البرتقال والرغوة المعاد تدويرها يمكن أن يحول الطين الضعيف والمتحرك إلى قاعدة صلبة وموثوقة لهياكل المستقبل.