Chemical and Microstructural Characteristics of Soils Treated with Pulverised Charcoal and Gum Arabic

إن الأرض تحت أقدامنا نادراً ما تكون مجرد تراب؛ فهي خليط معقد من المعادن والمياه والمواد العضوية التي تتصرف بشكل مختلف اعتماداً على مكان وجودها. وفي أجزاء كثيرة من العالم، بما في ذلك جنوب غرب نيجيريا، غالباً ما تكون التربة المتبقية من صخور متآكلة ضعيفة جداً أو غير مستقرة لدرجة لا تسمكنها من دعم الطرق والمباني الثقيلة دون مساعدة. وقد سعى المهندسون منذ زمن طويل لإيجاد طرق لتقوية هذه الأرض، بحثاً عن مواد مضافة يمكنها ربط الجسيمات المفككة معاً. وقد استرعى انتباه العلماء مؤخراً مادتان من هذا النوع: الفحم، وهو البقايا السوداء الناتجة عن حرق الخشب، والصمغ العربي، وهي مادة طبيعية لزجة تُستخرج من أشجار الأكاسيا. وبينما يُعرف الفحم بمحتواه من الكربون والصمغ العربي بقدرته على الذوبان في الماء والعمل كمادة لاصقة، لا يزال العلماء يعملون على فهم كيفية تفاعل هاتين المادتين بدقة مع التربة عند خلطهما معاً. والهدف هو معرفة ما إذا كان الجمع بينهما يخلق أساساً أقوى وأكثر ديمومة من استخدام أي منهما بمفرده، مما قد يوفر حلاً منخفض التكلفة لمشاريع البناء المحلية.

قام باحث في جامعة ليد سيتي في إبادان، نيجيريا، بفحص هذا المزيج المحدد. حيث أخذ نوعين مختلفين من التربة من المنطقة وعالجهما بكميات متفاوتة من مسحوق الفحم والصمغ العربي. ولم يكتفِ الباحث بخلط المكونات والأمل في الحصول على نتيجة، بل أخضع هذه الخلطات لسلسلة صارمة من الاختبارات لمعرفة ما يحدث فعلياً داخل التربة. فقد حلل التركيب الكيميائي للفحم والصمغ، وقاس كيفية تغير تكوين التربة بمرور الوقت، واستخدم مجاهر قوية للنظر في الهياكل الدقيقة التي شكلتها الجسيمات. وركزت الدراسة على فترتين زمنيتين محددتين: بعد أسبوع وأسبوعين من المعالجة، مما سمح للباحث بمراقبة أي تغييرات تحدث أثناء "تصلب" أو استقرار التربة.

كان الفحم المستخدم منتجاً محلياً، طُحن ليصبح مسحوقاً ناعماً. وعندما قام الباحث بتحليله، وجد أنه يتكون من حوالي أربعين بالمائة من المواد المتطايرة، وهي الغازات التي تنبعث عند التسخين، وحوالي ثلاثين بالمائة من الكربون الثابت، وهو الوقود الصلب الذي يبقى. أما الباقي فكان رماداً ورطوبة. أما الصمغ العربي، الذي تم تحديد مصدره من شجرة (Acacia senegal)، فقد تم إذابته في الماء لإنشاء محلول. وخلط الباحث هذه الإضافات في التربة بثلاث نسب مختلفة: كمية صغيرة من كليهما، وكمية أكبر من الفحم، وكمية أكبر من الصمغ. ثم انتظر فترات التصلب المقررة قبل تحليل النتائج.

وعندما نظر الباحث في التركيب الكيميائي للتربة المعالجة، وجد أن السيليكا والألومينا هما المكونان السائدان، وهو أمر نموذجي لهذا النوع من التربة. ومع ذلك، تغيرت كميات هذه المواد الكيميائية بطرق غير متوقعة بين الأسبوع الأول والأسبوع الثاني. ففي بعض الخلطات، ارتحت نسبة السيليكا بينما انخفضت نسبة الألومينا، وفي خلطات أخرى حدث العكس. لم تكن هذه التغييرات موحدة؛ بل اعتمدت كلياً على المزيج المحدد من الفحم والصمغ المستخدم. ويشير هذا التباين إلى أن التربة لم تكن تمر بتفاعل كيميائي واحد يمكن التنبؤ به حيث تتشكل معادن جديدة في نمط ثابت. وبدلاً من ذلك، تشير الاختلافات على الأرجح إلى الفروقات في كيفية تحضير العينات أو كيفية توزيع الجسيمات داخل الخليط.

ولمعرفة ما إذا كانت الإضافات قد خلقت بنية معدنية جديدة وصلبة، استخدم الباحث حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تحدد الأنماط البلورية المحددة للمعادن. وأظهرت النتائج أن التربة لا تزال تهيمن عليها المعادن التي بدأت بها: الكوارتز، والفلدسبار، والميكا، والكاولينيت. ولم يكن هناك دليل على تشكل بلورات جديدة تشبه الإسمنت نتيجة للمعالجة. لم يحول الفحم والصمغ التربة إلى نوع آخر من الصخور، بل ظلت المواد مكونات متميزة داخل مصفوفة التربة الموجودة.

ثم انتقل الباحث إلى استخدام المجهر الإلكتروني الماسح، الذي يلتقط صوراً عالية التكبير لسطح التربة. وكشفت هذه الصور عن مشهد من الشظايا المسننة والقطع المسطحة وتجمعات من الجسيمات الحبيبية. بدا الفحم والصمغ وكأنهما يجلسان بين حبيبات التربة، لكن الصور لم تظهر غطاءً مستمراً يشبه الغراء يربط كل شيء معاً في كتلة صلبة. وبينما قد يكون الصمغ قد ساعد الجسيمات على الالتصاق ببعضها محلياً، إلا أن الأدلة المرئية لم تؤكد وجود رابط قوي وواسع النطاق يغير الخصائص الهندسية للتربة بشكل كبير. وأشار الباحث إلى أن بعض الصور قد تكون لنفس العينة تم التقاطها مرتين، مما أضاف طبقة من عدم اليقين إلى المقارنة البصرية، وأكد أنه بدون اختبارات أكثر ضبطاً، من المستحيل التأكد مما إذا كان الصمغ يعمل كمادة رابطة حقيقية.

في نهاية المطاف، تعد هذه الدراسة بمثابة جرد دقيق لما يحدث عند خلط هذه المواد المحلية المحددة مع التربة المحلية. وقد أكد الباحث أن الفحم والصمغ العربي لهما خصائص كيميائية متميزة، وأن خلطهما مع التربة يغير التوازن الكيميائي بطرق معقدة وغير موحدة. ومع ذلك، لم تدعم البيانات الفكرة القائلة بأن هذا المزيج يخلق إسمنتاً معدنياً جديداً أو بنية أكثر كثافة خلال أسبوعين فقط. وتشير النتائج إلى أنه على الرغم من أن هذا المزيج مثير للاهتمام كيميائياً، إلا أنه لم يثبت بعد كونه طريقة موثوقة لتقوية التربة لأغراض البناء. ويخلص المؤلف إلى أنه قبل إمكانية استخدام هذه التقنية لبناء الطرق أو الأساسات، يلزم إجراء المزيد من الاختبارات للتحقق من اتساق المزيج، وإثبات قدرته على تحمل الرطوبة، وإظهار أنه يحسن بالفعل قوة الأرض في بيئة واقعية.