ملخص
ستنتج انبعاثات كبيرة من غازات الدفيئة عن بناء وصيانة وإعادة تأهيل شبكة الطرق العالمية باستخدام الممارسات الحالية.
في هذه المقالة، سنوضح إمكانية تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بشكل كبير في صناعة بناء الطرق من خلال التحول إلى التثبيت في الموقع / إعادة التدوير البارد باستخدام مواد رابطة منخفضة الكربون ومادة رينوليث 2.0 النانوية البوليمرية المضافة.
مشكلة
تُساهم أعمال بناء الطرق في زيادة البصمة الكربونية بشكل كبير
تلعب الطرق دورًا محوريًا في حركة البضائع والأفراد، لكنها تتطلب كميات هائلة من المواد التي تُنتج غازات دفيئة. ونُقدّر مخزون مواد بناء الطرق بنحو 254 جيجا طن. ولو أعدنا بناء هذه الطرق، لانبعث من إنتاج المواد الخام 8.4 جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون.2-eq.
مخزون المواد وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري المتضمنة في رصف الطرق العالمية والحضرية،, العلوم والتكنولوجيا البيئية 2022 56 (24)، 18050-18059،, DOI: 10.1021/acs.est.2c05255
شبكة الطرق تتوسع
من المتوقع أن يحتاج العالم إلى إضافة ما يقرب من 25 مليون حارة طريق معبدة‐كيلومترات (كم) و335000 كيلومتر من مسارات السكك الحديدية (مسار‐كم)، أو زيادة قدرها 60% عن طول شبكة الطرق والسكك الحديدية مجتمعة في عام 2010 بحلول عام 2050. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع إضافة ما بين 45000 كيلومتر مربع (كم²) و77000 كيلومتر مربع من مواقف السيارات الجديدة لاستيعاب نمو أسطول سيارات الركاب.
دولاك، ج.، 2013. متطلبات البنية التحتية العالمية للنقل البري.باريس: الوكالة الدولية للطاقة، 20، ص. 2014.
تحتاج الطرق إلى الصيانة والتجديد.
تميل الدول الآسيوية إلى تبني سياسة تشجع على تصميم الطرق بعمر افتراضي قصير (حوالي 10 سنوات) لتوفير تكاليف الإنشاء، ونظرًا لعدم اليقين المرتبط بتوقع أحجام حركة المرور على المدى الطويل. مع ذلك، غالبًا ما تُقابل وفورات التكاليف الأولية في ظل هذه الاستراتيجية بتكاليف الصيانة والتأهيل على المدى المتوسط وإجمالي دورة حياة الطريق، مما قد يؤدي إلى زيادة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ورغم أن حمولة المركبات الزائدة تُعد مشكلة رئيسية في آسيا، إلا أنها نادرًا ما تُؤخذ في الحسبان في مرحلة التصميم. وقد أدى ذلك في الغالب إلى انتهاء عمر الرصف قبل الأوان. وتؤثر المركبات المحملة بأحمال زائدة سلبًا وبشكل كبير على انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ليس فقط لأنها تُقلل من عمر خدمة الطريق، بل أيضًا بسبب ما ينتج عنها من زيادة في تكاليف الصيانة، وتكاليف تشغيل المركبات، والسلامة المرورية.
النقل – تخفيف انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في بناء الطرق وإعادة تأهيلها: مجموعة أدوات للدول النامية (الإنجليزية). واشنطن العاصمة: مجموعة البنك الدولي. ص 2012. (فيما يلي: مجموعة أدوات الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري)
نموذج
تقييم دورة الحياة (LCA) هو منهجية لتفصيل تدفقات الموارد والآثار البيئية المرتبطة بها. يُستخدم تقييم دورة الحياة غالبًا لتقييم الأثر المناخي لمنتج أو خدمة، مثل البنية التحتية للنقل، من المهد إلى اللحد. تتوفر العديد من برامج تقييم دورة الحياة لتقدير انبعاثات غازات الدفيئة من مشاريع الطرق. يتطلب تقييم دورة الحياة بيانات خاصة بكل مشروع للحصول على نتائج ذات دلالة، ولكن بشكل عام، لتقليل إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة من إنشاء الطرق، نسعى إلى:
- تقليل الانبعاثات الناتجة عن مرحلة إنشاء الطرق، و
- تقليل وتيرة إصلاح/تجديد الطرق (أو بدلاً من ذلك، زيادة عمر الرصف إلى أقصى حد)
بالنسبة لنموذجنا، سنستخدم طريقة بسيطة لتقدير انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لرصف حبيبي غير مرتبط مقابل رصف مرتبط يتضمن مادة رينوليث المضافة.
مرحلة الإنشاء
نهج مبسط
يتم استخدام نموذج وبيانات من منهجية مبسطة لتقدير انبعاثات غازات الاحتباس الحراري أثناء البناء. مجموعة أدوات الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. لا يتم الأخذ في الاعتبار سوى انبعاثات المواد والنقل.
بالنسبة للطرق السريعة والطرق الوطنية، تعد انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن تصنيع واستخراج مواد البناء المساهم الرئيسي، حيث تبلغ حوالي 90 بالمائة من إجمالي الانبعاثات؛ وهي أقل أهمية بالنسبة للطرق الإقليمية والريفية، حيث تبلغ حوالي 80 بالمائة.
يمثل نقل المواد حوالي 30% من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لمشروع الطريق. ومن هذه الكمية، يرتبط حوالي 50% بالنقل المحلي (أقل من 25 كم).
لذلك، يعتبر استخراج المواد ونقلها من الأنشطة الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار لتحسين تأثير انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لمشروع بناء الطرق بشكل كبير.
رصف حبيبي غير مربوط
يتطلب بناء كيلومتر واحد من الطريق السريع ذي المسارين حوالي 14000 طن (أو 400 حمولة شاحنة) من مواد البناء.
قد يتطلب الطريق الإسفلتي النموذجي ذو المسارين مع قاعدة من الركام ما يصل إلى 25000 طن من المواد لكل كيلومتر.
SBEnrc، "“الحد من الأثر البيئي لإنشاء الطرق,"المركز الوطني لأبحاث البيئة المبنية المستدامة (SBEnrc)، بيرث، غرب أستراليا، 2013"
في نموذجنا، سنفترض الحاجة إلى 7000 طن من الركام لكل كيلومتر من الطريق (باستثناء طبقة الأسفلت) وكثافة انبعاثات تبلغ 8 كيلوغرامات من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل طن. ويُفترض أن نقل مواد الركام يمثل 30% من إجمالي انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
رصف مربوط بالأسمنت والرينوليث
في مشروع إعادة تأهيل طريق برينر السريع, تم تطبيق مادة رابطة إسمنتية بمعدل 25 كجم/م² (88 طنًا لكل كيلومتر من المسار) - أي ما يعادل 41 طنًا من وزن الرصف على عمق 30 سم. استخدم المشروع إسمنت CEM 32.5، وهو مشابه للإسمنت العام وفقًا للمواصفة القياسية الأسترالية AS 3972، مع كثافة انبعاثات مُقدَّرة تبلغ 670 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/طن. وافترض أن يكون النقل عبر شاحنة ثقيلة (ديزل) بكثافة انبعاثات تبلغ 1.58 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/مركبة.كم.
رصف مربوط بمادة رابطة أسمنتية وحجر متعرج
يتميز الإسمنت باستهلاك عالٍ للطاقة الكامنة وانبعاثات كربونية كبيرة. ولذلك، هناك اهتمام كبير باستبدال الإسمنت بمواد رابطة ذات انبعاثات كربونية أقل. Austroads AGPR4L-09, دليل تكنولوجيا رصف الطرق - الجزء 4L: مواد الربط المثبتة, يوضح الجدول 5.2 (الإصدار 1.1) النطاق النموذجي لخلطات البوزولان الأسمنتية التجارية المتاحة لإنشاء الطرق في أستراليا. تحتوي هذه الخلطات على مواد أسمنتية تكميلية معاد تدويرها (خَبَث و/أو رماد متطاير)، مما يُقلل من كثافة الانبعاثات. يتوافق رينوليث مع جميع الخلطات المذكورة في معيار Austroads AGPR4L-09. لذلك، تم اعتماد نهج تصميم ثالث، يفترض نفس معايير دراسة حالة برينر، ولكنه يستبدل الأسمنت بمادة رابطة ذات انبعاثات أقل. يُفترض أن تكون كثافة انبعاثات خلطة المادة الرابطة 335 كجم مكافئ ثاني أكسيد الكربون/طن، أي نصف كثافة انبعاثات الأسمنت البورتلاندي العادي. تجدر الإشارة إلى أن معيار Austroads AGPR4L-09 يُدرج عشرات الخلطات التي تتراوح نسبة المواد الأسمنتية التكميلية المعاد تدويرها فيها من 10% إلى 80%. بشكل عام، كلما زادت نسبة المواد الأسمنتية التكميلية المعاد تدويرها، انخفضت انبعاثات الخلطة. ومع ذلك، قد يختلف أداء الخلطات ذات المحتوى العالي جدًا من المواد المضافة عن أداء الخلطات ذات المحتوى المنخفض إلى المتوسط.
مقارنة
يوضح الرسم البياني أدناه الانبعاثات المُقدَّرة من مكونات المواد والنقل في عملية البناء للتصاميم الثلاثة. وقد تحقق انخفاض ملحوظ في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري باستخدام مُرَكِّب أسمنت/مواد إسمنتية تكميلية متوسط المدى مع مادة رينوليث. ومن المُحتمل (رهنًا بالاختبارات) إمكانية خفض الانبعاثات بشكل أكبر باستخدام مُرَكِّب أسمنتي منخفض الانبعاثات للغاية، مثل الأسمنت عالي المزج ذي المحتوى المنخفض من الكلنكر.
اعتبارات شاملة للحياة
الاعتبارات (المكتوبة بخط مائل) في الجدول أدناه مستمدة من مجموعة أدوات الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري تم سرد المزايا المرتبطة برصف رينوليث.
تُنتج عملية إعادة التدوير على البارد باستخدام مادة رابطة أسمنتية ومادة رينوليث طبقة رصف متماسكة بتكلفة أقل بكثير من طرق البناء الحبيبية التقليدية غير المرتبطة. ويمكن أن يُسهم تحسين اقتصاديات البناء في تقليل الضغط على المشروع لتصميمه ليدوم لفترة قصيرة.
تتأثر مقاومة التعب للطبقات المُرتبطة بالأسمنت بشكل كبير بسُمك الطبقة وصلابتها. فعلى سبيل المثال، قد يؤدي انخفاض سُمك أو صلابة الطبقة المُرتبطة بالأسمنت بمقدار 10% إلى انخفاض عمر التعب بمقدار 90% تقريبًا.
AustStab TN05، "“مذكرة أوستستاب الفنية رقم 5، ممارسات تثبيت الأسمنت,"أوستستاب، سيدني، 2012".
ضع في اعتبارك عكس هذه القاعدة الاستدلالية: زيادة في السماكة بمقدار 11%، بتكلفة بناء إضافية أقل من 11%، يمكن أن تؤدي إلى زيادة هائلة في عمر الإجهاد بمقدار 900%.
من الواضح أن مزايا انبعاثات الرصفات المصنوعة من مادة رينوليث طوال دورة حياتها كبيرة، ولكن يصعب تحديدها كمياً. دراسة حالة طريق برينر السريع تشير الدراسات إلى إمكانية تحقيق عمر طويل للرصف رغم الظروف البيئية الصعبة (تدفق المياه الجانبي، الصقيع) وحركة المرور الكثيفة (أكثر من مليوني مركبة ثقيلة سنوياً). في المقابل، أبرزت فيضانات عام 2022 في أستراليا مدى تأثر تصاميم الرصف التقليدية بأضرار المياه، متسببةً في أضرار بلغت قيمتها 10 مليارات إلى 3.8 مليار دولار. ومع ازدياد وتيرة وشدة الظواهر الجوية المتطرفة، ستحتاج الطرق المتضررة من المياه إلى إصلاحات وإعادة بناء، وما يصاحب ذلك من انبعاثات غازات دفيئة. قد تكون هذه المشكلة المستمرة تم التخفيف بشكل كبير باستخدام رينوليث, ، لأن المركب المرتبط غير منفذ بشكل أساسي.
خاتمة
هناك إمكانية لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في صناعة بناء الطرق بشكل كبير من خلال التحول إلى التثبيت في الموقع / إعادة التدوير البارد باستخدام مواد رابطة منخفضة الكربون و مزيج رينوليث 2.0 من البوليمر النانوي باعتبارها الطريقة الأساسية لبناء الطرق. وتنشأ هذه الإمكانية من عوامل اقتصادية جذابة، وبصمة كربونية منخفضة أثناء الإنشاء، بالإضافة إلى عمر تصميمي طويل للطرق ومتانتها.