Experimental Characterization of Moroccan Phosphate By-Products in Cementitious Mixtures for Potential 3D Concrete Printing Applications

في عالم البناء، غالبًا ما تكون المواد التي نستخدمها لبناء منازلنا ومدننا ثقيلة، ودائمة، ويصعب تغييرها. لعدة عقود، كان المعيار هو الخرسانة، وهي خليط من الإسمنت والرمل والماء يتصلب ليصبح في حالة تشبه الصخر الصلب. ورغم قوتها الهائلة، فإن عملية تصنيع الإسمنت الذي يربط هذا الخليط تنتج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، مما يساهم في تغير المناخ. وفي الوقت نفسه، تنتج صناعة التعدين كميات هائلة من الصخور المتبقية والطمي الذي غالبًا ما يتم تكديمه في مناطق تخزين كبيرة، مما يشغل مساحات ويفرض مخاطر بيئية. ويسعى مجال متنامٍ من العلوم لحل هاتين المشكلتين معًا عبر إيجاد طرق لتحويل هذه المخلفات الصناعية إلى وحدات بناء مفيدة. يهدف هذا النهج، الذي يُطلق عليه غالبًا الاقتصاد الدائي، إلى منع هدر النفايات وتحقيق تقليل الحاجة إلى مواد خام جديدة كثيفة استهلاك الطاقة. ومن الابتكارات الحديثة الأخرى في هذا المجال هي الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد، وهي تقنية تستخدم أذرعًا روبوتية ضخمة لضغط طبقات من الخرسانة الرطبة، وبناء الهياكل طبقة تلو الأخرى دون الحاجة إلى القوالب الخشبية التقليدية. ولكي تعمل هذه التقنية بشكل جيد، يجب أن تكون الخرسانة سائلة بما يكفي لتتدفق عبر الآلة، وصلبة بما يكفي للحفاظ على شكلها فور وضعها.

لقد استكشف باحثون في المغرب مؤخرًا ما إذا كان يمكن استخدام الكميات الهائلة من النفايات الناتجة عن صناعة تعدين الفوسفات في البلاد في هذه الأنواع الجديدة من خلطات البناء. المغرب رائد عالمي في إنتاج الفوسفات، وهو معدن ضروري للأسمدة، لكن عملية استخراج وتنظيف هذه الصخور تولد كميات ضłąعة من المنتجات الثانوية، بما في ذلك الصخور النفايات، ومادة تسمى الفوسفوجيبسوم، والطمي الرطب. وبدلاً من ترك هذه المواد في أكوام، قرر فريق من العلماء في جامعة محمد السادس متعددة التخصصات التقنية اختبار ما إذا كان يمكن طحنها وخلطها مع الإسمنت لإنشاء مادة مناسبة للطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد جمعوا عينات من هذه الأنواع الثلاثة من النفايات من مصنع معالجة وأخضعوها لسلسلة من الاختبارات الدقيقة لفهم تركيبها الكيميائي، وسلامتها، وكيفية سلوكها عند خلطها بالماء والرمل.

كانت الخطوة الأولى هي التأكد من أن المواد آمنة للتداول والاستخدام. قام الباحثون بقياس محتوى الرطوبة والحموضة في النفايات، ووجدوا أن المواد كانت متعادلة عمومًا ولا تحتوي على مستويات خطيرة من المعادن الثقيلة. كما تحققوا من النشاط الإشعاعي، وهو مصدر قلق لأن خامات الفوسفات قد تحتوي أحيانًا على آثار من عناصر مشعة طبيعية. أظهرت الاختبارات أن مستويات النشاط الإشعاعي كانت منخفضة جدًا وضمن الحدود الآمنة للبناء. ثم فحص الفريق التركيب الكيميائي للنفايات باستخدام معدات متطورة تحدد العناصر الموجودة في العينة. ووجدوا أن النفايات غنية بالكالسيوم والكبريت، مع كميات أصغر من معادن أخرى، مما يؤكد امتلاكها للمكونات الصحيحة للتفاعل المحتمل مع الإسمنت وتكوين رابطة قوية.

بعد تأكيد السلامة والتركيب، انتقل الباحثون إلى إنشاء خلطات بناء فعلية. فقد أعدوا عشرات الوصفات المختلفة، حيث خلطوا نفايات الفوسفات المطحونة مع الطين الأحمر، والرمل المسحوق، وثلاثة أنواع مختلفة من الإسمنت. وقاموا بتغيير كمية الماء ونسبة النفايات في كل خليط لمعرفة أي مزيج سينتج أفضل النتائج. كان الهدف هو إيجاد توازن حيث يكون المزيج قويًا بما يكفي لتحمل الوزن وسلسًا بما يكفي لضخه عبر الطابعة. وبعد الخلط، صبوا المادة الرطبة في قوالب صغيرة وتركوها تتصلب لعدة أسابيع، واختبروا مدى قوتها بمرور الوقت.

أظهرت النتائج أنه يمكن بالفعل دمج المواد العادمة في الخرسانة بنجاح. فقد تصلبت الخلطات إلى كتل صلبة يمكنها تحمل ضغط كبير. وبلغت أقوى خلطة، المصنوعة من أعلى درجة من الإسمنت وكمية محددة من نفايات الفوسفات، قوة ضغط تقارب 47 ميجاباسكال، وهو مقياس لقوة المادة قبل انكسارها. كما حققت الخلطات الأخرى التي استخدمت أنواعًا مختلفة من الإسمنت أداءً جيدًا أيضًا، حيث تراوحت القوة بين حوالي 22 إلى 32 ميجاباسكال. وتشير هذه الأرقام إلى أن المادة قوية بما يكفي للعديد من أغراض البناء. كما اختبر الباحثون كيفية تدفق الخليط الرطب، وقاسوا لزوجته وكيفية تغير شكله تحت الضغط. ووجدوا أن الخلطات أظهرت خصائص ميكانيكية وريولوجية تشير إلى إمكانية التطوير المستقبلي؛ ومع ذلك، تشير الورقة البحثية صراحة إلى أن ملاءمة هذه التركيبات للطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد القائمة على البثق لا تزال بحاجة إلى التحقق التجريبي.

وعلى الرغم من هذه النتائج المشجعة، فقد كان الباحثون حذرين من إعلان حل المشكلة بالكامل. فبينما أظهرت الخلطات إمكانات كبيرة في المختبر، لم يتم اختبارها بعد في طابعة ثلاثية الأبعاد حقيقية. أكدت الدراسة أن المواد آمنة وقوية ولديها الخصائص الفيزيائية الصحيحة على الورق، ولكن الإثبات النهائي سيأتي من رؤية ما إذا كان يمكن طباعتها بنجاح في أشكال معقدة تصمد بمرور الوقت. وأشار الفريق إلى أن العمل المستقبلي يحتاج إلى التركيز على تجارب الطباعة المباشرة لمعرفة مدى تماسك الطبقات مع بعضها البعض، وكيفية سلوك المادة عند بنائها في هيكل حقيقي، وتقييم الترابط بين الطبقات وقابلية البناء. كما شددوا على الحاجة إلى دراسات طويلة الأمد لضمان بقاء المواد آمنة ومستقرة في البيئة.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو تحويل منتج صناعي رئيسي من نفايات إلى مورد قيم. ومن خلال إثبات إمكانية تحويل نفايات الفوسفات المغربية إلى مادة بناء قوية وآمنة وقابلة للطباعة محتملاً، يفتح هذا البحث بابًا جديدًا للبناء المستدام. إنه يشير إلى أن أكوام صخور النفايات والطمي التي شكلت تحديًا بيئيًا لفترة طويلة يمكن أن تصبح يومًا ما هي الطوب والأعمدة لمباني المستقبل، مما يقلل من الحاجة إلى مواد خام جديدة ويساعد في بناء صناعة بناء أكثر نظافة وكفاءة. إن الطريق من كومة نفايات إلى منزل مطبوع ثلاثي الأبعاد لا يزال قيد الرسم، لكن هذا البحث يوفر نقطة انطلاق واضحة وواعدة.