10 دقیقه
متریال ساختمانی جدید و پایدار از کارتن، خاک و آب
مهندسان دانشگاه RMIT در استرالیا یک متریال ساختمانی بدون سیمان توسعه دادهاند که تنها از کارتن، خاک و آب تشکیل میشود. این متریال که بهعنوان «زمین کوبیده محصور شده با کارتن» شناخته میشود، حدود یکچهارم ردپای کربنی بتن معمولی را دارد و همزمان از ارسال زبالههای کارتن به مکانهای دفن جلوگیری میکند. پژوهشگران گزارش کردهاند که این متریال برای ساخت دیوارهای باربر در ساختمانهای کمارتفاع کافی است و مزایای حرارتی قابل توجهی دارد که نیاز به خنکسازی در اقلیمهای گرم را کاهش میدهد.
این نوآوری ترکیبی از فناوریهای سنتی و رویکردهای مدرن در ساختوساز پایدار را نشان میدهد: استفاده از زمین محکمشده (rammed earth) به همراه قالبهای سبک کارتن که هم قابل استفاده مجدد و هم بازیافتپذیر هستند. علاوه بر کاهش انتشار دیاکسید کربن، ارزش بازیافت و چرخهای شدن مواد در این راهکار مورد توجه قرار دارد.
چرا این موضوع برای ساختوساز کمکربن اهمیت دارد
تولید سیمان و بتن در حدود 8٪ از انتشار جهانی CO2 را تشکیل میدهد؛ این مقدار بهواسطه رشد ساختوساز در سطح جهان اهمیت زیادی دارد. از سوی دیگر، استرالیا سالانه بیش از 2.2 میلیون تن کارتن و کاغذ را به محلهای دفن زباله میفرستد. ترکیب این دو چالش—انتشار کربن بالا و مدیریت پسماند—زمینهای قوی برای پذیرش متریالهای کمکربن مانند زمین کوبیده محصور شده با کارتن فراهم میکند.
تیم تحقیقاتی RMIT مفهوم شناختهشده زمین کوبیده را با قالبهای کارتن سبک ترکیب کرده تا یک المان ساختاری قابل استفاده مجدد و قابل بازیافت ایجاد کند که بهکلی از سیمان پرهیز میکند. از دیدگاه چرخه عمر، حذف سیمان از فرمول ساخت موجب کاهش قابل توجه «انرژی نهفته» (embodied energy) و انتشار گازهای گلخانهای میشود، بهویژه اگر خاک محلی و کارتن بازیافتی در دسترس باشند.
چگونه ساخته میشود و مزایای عملی آن
فرآیند تولید زمین کوبیده محصور شده با کارتن عمدتاً در محل انجام میشود. در این روش مخلوطی از خاک و آب داخل لولهها یا قالبهای کارتن قرار میگیرد و سپس با نیروی دستی یا ماشینآلات فشرده میشود. کارتن در مرحله عملآوری خاک را محصور نگه میدارد و پس از سخت شدن میتواند دوباره استفاده یا بازیافت شود. این روش با کاهش نیاز به مصالح سنگینی مانند آجر، فولاد و بتن، حملونقل را کم میکند و هزینهها و پیچیدگیهای لجستیکی را کاهش میدهد.
پروفسور بازنشسته یی مین «مایک» ژی، نویسنده مسئول و متخصص بهینهسازی سازه، اشاره میکند: «بهجای حمل تنها آجر، فولاد و بتن، سازندگان تنها نیاز به آوردن کارتنهای سبک دارند، زیرا تقریباً تمام مواد لازم میتواند در محل تأمین شود. این امر هزینههای حملونقل را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهد، لجستیک را ساده میکند و تقاضای اولیه برای مواد را کاهش میدهد.»
جرم حرارتی و تابآوری اقلیمی
سازههای زمین کوبیده دارای جرم حرارتی بالایی هستند؛ یعنی توانایی جذب و آزادسازی تدریجی گرما را دارند. دیوارهایی که با این روش ساخته میشوند، بهطور طبیعی دمای داخلی و رطوبت را معتدل میکنند و در نتیجه نیاز به سیستمهای تهویه مطبوع و سرمایش کاهش مییابد. در مناطق گرم و خشک یا نیمهگرمسیری این خاصیت میتواند به کاهش مصرف انرژی و انتشار مرتبط با تهویه مطبوع کمک کند، و در مناطق دورافتاده یا منطقهای که خاکهای قرمز مناسب در دسترس است، گزینهای جذاب برای مسکن پایدار ارائه دهد.
علاوه بر اثرات حرارتی، جرم دیواری زمین کوبیده میتواند در برابر نوسانات دمایی روزانه مقاومت کند و راحتی حرارتی ساکنان را بهبود دهد. این ویژگیها، بهویژه در معماری اقلیممحور و طراحی ساختمانهای کمانرژی، اهمیت عملی دارند.
عملکرد سازهای و ملاحظات طراحی
مقاومت مکانیکی زمین کوبیده محصور شده با کارتن به ضخامت قالب کارتن و کیفیت تراکم وابسته است. تیم RMIT فرمول طراحیای توسعه داده که ضخامت لوله یا قالب کارتن را به مقاومت فشاری مورد انتظار مرتبط میسازد؛ این فرمول به مهندسان امکان میدهد تا قالبها را برای شرایط باربری مشخص، مدلسازی و تعیین کنند. ارتباط میان ضخامت کارتن، میزان تراکم خاک و رطوبت اولیه، پارامترهای کلیدی در تعیین عملکرد نهایی و ایمنی سازه هستند.
در کارهای مرتبط، جیا مینگ ما (Jiaming Ma) تقویت با فیبر کربن را با زمین کوبیده ترکیب کرده و در برخی آزمایشها عملکردی مشابه بتن با عملکرد بالا را نشان داده است. این نتایج مسیرهایی را برای گسترش کاربردها فراتر از ساختمانهای کمارتفاع پیشنهاد میدهد؛ برای نمونه میتوان از تقویت فیبری برای افزایش ظرفیت کششی یا مقاومت در برابر ترکخوردگی استفاده کرد.
ساخت در محل (on-site manufacturing) نه تنها انرژی نهفته مرتبط با حملونقل را کاهش میدهد بلکه بهعلت وزن کم مواد مصرفی، لجستیک را در جوامع دورافتاده یا در سناریوهای بازسازی پس از بلایای طبیعی سادهتر میسازد. از منظر اقتصاد چرخشی، بهرهبرداری از کارتنهای بازیافتی و خاکهای محلی پتانسیل کاهش زباله و تقویت اقتصاد محلی را دارد.
دیدگاه کارشناسان
دکتر هانا رِیزز، دانشمند مواد با تخصص در ساختوساز پایدار، میگوید: «این رویکرد تکنیکهای چندسدهای ساخت با خاک را با چرخشی عملی و مدرن احیا میکند. با کمّیسازی تأثیر قالبهای کارتن بر عملکرد سازهای، تیم RMIT پیوندی بین پژوهش آزمایشگاهی و کاربرد میدانی برقرار کرده است. در مناطقی که زنجیره تأمین محدود است، صرفهجوییهای کربنی و هزینهای میتواند چشمگیر باشد—مشروط بر اینکه سازندگان آزمونهای استاندارد و کنترل کیفیت را بپذیرند.»
نظرات کارشناسان نشان میدهد که پذیرش گسترده این فناوری نیازمند استانداردهای آزمون، پروتکلهای کنترل کیفیت و آموزش پیمانکاران خواهد بود. تدوین دستورالعملهای طراحی مبتنی بر دادههای آزمایشی و میدانی، و ارائه کارگاههای آموزشی برای سازندگان محلی، از گامهایی است که میتواند اعتماد بازار را افزایش دهد.
چشمانداز آینده و پذیرش صنعتی
تیم تحقیقاتی آماده همکاری با صنعت برای اجرای پایلوتهای میدانی و بهینهسازی روشهای تولید است. پذیرش گسترده نیازمند تایید قوانین ساختمانی، آزمایش دوام در فصول مختلف و طراحیها یا روشهای حفاظت در برابر رطوبت در مکانهای در معرض بارش است. بهویژه، در شرایط مرطوب یا بارانی باید راهکارهایی برای جلوگیری از نفوذ آب، پوسیدگی یا کاهش عملکرد کارتن در نظر گرفته شود؛ این راهکارها میتواند شامل پوششهای محافظ، لایههای نفوذناپذیر یا طراحی جزئیات آببندی باشد.
اگر این موانع فنی و قانونی مرتفع شوند، زمین کوبیده محصور شده با کارتن میتواند در مجموعهای از کاربردها از جمله مسکن پایدار، زیرساختهای اجتماعی، پروژههای مدولار و طرحهای بازسازی اضطراری وارد شود. این ماده بهدلیل هزینه پایین، سهولت تأمین مواد و مزایای زیستمحیطی، گزینهای متناسب با سیاستهای کاهش انتشار و هدفگذاریهای بیطرفی کربن خواهد بود.
تحلیل فنی و معیارهای آزمون
برای ورود این متریال به بازار، لازم است که معیارهای آزمون ساختاری و دوام تعریف شود. آزمونهای فشاری، آزمونهای خمش، رفتار در برابر ضربه، مقاومت در برابر چرخههای یخزدگی و ذوب، و تستهای جذب آب باید در برنامههای تحقیقاتی بلندمدت گنجانده شوند. همچنین تهیه منحنیهای تنش-کرنش برای مخلوطهای مختلف خاک و مقایسه آنها با بتن معمولی و بلوکهای خاکی دارای سیمان میتواند اطلاعات ارزشمندی برای مهندسان فراهم آورد.
در رابطه با فرمول طراحی که توسط RMIT پیشنهاد شده است، مستندسازی دقیق پارامترهای ورودی—از جمله دانهبندی خاک، محتوای رطوبت، درصد تراکم و مشخصات کارتن—ضروری است تا مهندسان بتوانند مدلهای قابل اعتماد برای پیشبینی عملکرد ارائه دهند. استانداردسازی نمونهگیری خاک و روشهای تراکم نیز بخش مهمی از پذیرفتهشدن این تکنیک خواهد بود.
مزایا در مقابل معایب و محدودیتها
مزایا: کاهش چشمگیر انتشار کربن، کاهش پسماند کارتن، هزینههای کمتر مواد و حملونقل، بهبود راحتی حرارتی داخلی، و امکان تولید محلی. این ویژگیها زمین کوبیده محصور شده با کارتن را به گزینهای قوی برای پروژههای کمهزینه و کماثر تبدیل میکند.
محدودیتها: حساسیت بالقوه به رطوبت، نیاز به کنترل کیفیت دقیق تراکم، نیاز به پژوهشهای دوام بلندمدت و تطبیق با مقررات ساختمانی موجود. در مناطقی با بارش زیاد یا سطح آب زیرزمینی بالا، نیاز است که جزئیات طراحی برای محافظت از قالب کارتن و جلوگیری از نفوذ رطوبت تقویت شود.
پتانسیل بازار و نقش در اقتصاد چرخشی
از منظر بازار، این فناوری میتواند بهعنوان بخشی از راهحلهای ساختوساز سبز در پروژههای دولتی و غیردولتی مطرح شود. توجه بخشهای توسعه مسکن اجتماعی، سازمانهای کمکرسانی در شرایط اضطراری و پروژههای بازسازی پس از بلایای طبیعی میتواند زمینه نفوذ اولیه را فراهم آورد. همچنین شرکتهای بازیافت کارتن و تأمینکنندگان مواد محلی میتوانند در زنجیره تأمین نقش ایفا کنند؛ این ترکیب از بازیافت مواد و استفاده از منابع محلی با اهداف اقتصاد چرخشی همخوانی دارد.
تحلیل هزینه-فایده باید شامل هزینههای نیروی کار، آموزش، تجهیزات فشردهسازی، و هزینههای احتمالی محافظت در برابر رطوبت باشد. در بسیاری از شرایط، کاهش هزینه مواد و حملونقل میتواند بر هزینههای اضافی کنترل رطوبت غالب شود، بهویژه در مناطق خشک و نیمهخشک.
نتیجهگیری
زمین کوبیده محصور شده با کارتن یک گزینه کمهزینه و کمکربن در برابر بتن متداول برای بسیاری از کاربردهای کمارتفاع است. با استفاده از کارتن، خاک و آب، این تکنیک انتشار گازهای گلخانهای را کاهش میدهد، پسماندها را از محل دفن به مسیر بازیافت هدایت میکند، نیازهای حملونقل را کم میکند و مزایای حرارتی را برای راحتی ساکنان فراهم میآورد. وجود فرمولهای طراحی که ضخامت قالب را به مقاومت مرتبط میسازند و مطالعات اولیه تقویتی که گزینههای عملکرد بالاتر را نشان میدهند، این نوآوری را به گامی عملی در جهت معماری سبز و تابآورتر تبدیل میکند.
پذیرش گسترده این متریال نیازمند کار میدانی، آزمونهای دوام فصلی، تدوین استانداردها و همکاری صنعت و دانشگاه است. در صورت تأیید این مراحل، زمین کوبیده محصور شده با کارتن میتواند نقش مهمی در کاهش ردپای کربنی بخش ساختمان و توسعه پروژههای پایدار و مقرونبهصرفه ایفا کند.
منبع: sciencedaily
ارسال نظر