وتشكل المصارف العمود الفقري للكثير من هياكلنا الأساسية في مجال النقل والدفاع عن الفيضانات، إلا أن تشييدها يعتمد على حفر ونقل وتوحيد التربة والمجاميع الطبيعية على نحو كثيف للطاقة، مع أن الحاجة إلى تكثيف الهياكل الأساسية المستدامة، يقوم الباحثون والمهندسون بإعادة التفكير في النُهج الأساسية للمواد المصاحبة، وتعود الاتجاهات الناشئة في هذه المادة بتخفيض آثار الكربون وتعزيز القدرة على إحداث التغيير في الأجل الطويل.

مواد مبتكرة في تشييد مصرف

ويعتمد تصميم الضم التقليدي على التربة المتاحة محلياً حصراً تقريباً، ويستلزم في كثير من الأحيان استيراد سائل مختار عندما تفتقر المواد الأصلية إلى القوة الكافية أو إلى خصائص الصرف الصحي، وتستهلك هذه الممارسة الوقود وتولد الغبار وتزعج في كثير من الأحيان المناظر الطبيعية، ويرمي التحول إلى المواد المبتكرة إلى تآكل الأداء من استهلاك الموارد من القوة الشرائية، وفتح الأبواب أمام هياكل أخف وأقوى وأكثر حساسية للبيئة.

المواد ذات الأثر الاصطناعي والمعزز

وقد قامت أسرة صناعية من المنتجات المتعددة الزمركات المصنعة، بما في ذلك الشبكات الجيولوجية، والحاجات، والجيومبراني، والمركبات الأرضية - بتحويل طريقة عمل المهندسين في مجال تعزيز التربة، والفصل، والصرف، وقد وضعت التركيبات الجيولوجية الحديثة، مثلا، في شكل مستنقع أو غير ملوث من البوليبروبيل أو ألياف الصمامات الفوقية، لتوليد تعزيزات من المعادن.

(ب) إن فوائد الاستدامة ذات شقين: أولاً، يمكن أن تتيح التركيبات الأرضية استخدام التربة المتاحة محلياً، والتي تكون أقل جودة والتي يمكن اعتبارها غير مناسبة - تخفف من الحاجة إلى اختيار المسافات الطويلة، وثانياً، فإن عمر خدمتها الطويلة (التي تتجاوز خمسين عاماً في ظروف ملائمة) يقلل من تواتر الإصلاحات وإعادة الإعمار.

وبالإضافة إلى الاستقرار المتخلف، فإن الاصطناعيات الأرضية تشكل أيضا حواجز وقائية ضد التحات، فالأشجار المزودة بأجهزة تقوية السلاحف، مثلا، تجمع الألياف الاصطناعية مع شركات نقل قابلة للتحلل الأحيائي لإنشاء نظم جذور بسرعة على وجوه ضفافية شديدة، مما يوفر التحكم في التحات الفوري، مع توفير الطريق في نهاية المطاف للمنحدرات النباتية بالكامل، وهذا النهج الهجين يسب الفجوة بين التعزيزات الهندسية والتكامل الإيكولوجي.

المواد المعاد تدويرها والخضراء

وتولد صناعة البناء كميات هائلة من النفايات، ويوفر بناء المرافق منافذ عالية الحجم منخفضة المخاطر للعديد من المنتجات الثانوية التي قد تنتهي في مواقع دفن النفايات، وقد استخدمت المجاميع المعاد تدويرها المستمدة من الخرسانة المهدمة والموازين بنجاح كملء للضفاف لعقود، ولكن البحوث الأخيرة صقلت إجراءات مراقبة الجودة لضمان الاتساق في خصائص الدمج والتصريف.

وتُدرج المنتجات الثانوية الصناعية مثل رماد الذبابة والرماد السفلي والرأس الأرضي المكشوف بالإنفجارات في شكل أحواض مائلة على نحو متزايد في مواقد التكساس، وغالبا ما تكون مقترنة بنسبة مئوية صغيرة من الأسمنت أو الليمون، مما يؤدي إلى زيادة القوة على مر الزمن، وفي المملكة المتحدة، كان استخدام الرماد المكيف في التقلبات المشابهة ممارسة قياسية على مدى سنوات؛

تمثل البلاستيك المعاد تدويره حدوداً أحدث، ويمكن معالجة البوليثيلين وبوليبروبيلين بعد الاستهلاك في كتل من الوزن الخفيف أو اختلاط التربة كإضافة معززة، وفي حين أن الممتلكات الميكانيكية لا تزال تُستخدم في التطبيقات العالية التجار، فإن هذه المواد توفر خصائص استثنائية للتصريف وتخفض بشكل كبير الحمولة الميتة على الصفات الخفية الخفيفة، كما أنها تغلق حلقة مفقودة منذ زمن طويل في البناء المدني:

البنادق البديلة والمسدسات

وقد كان تقلص حجم البورصة في بورتلاند هو المأزق الذي يُعزى إلى تحسين قوة ومقاومة المياه في مواقد الضم، ولكن إنتاجها يمثل نحو ثمانية في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم، وقد وضع الباحثون في مواجهة ذلك مواضع بديلة تحقق استقراراً مماثلاً مع جزء من البصمة الكربونية، وقد صيغت المواد المصنَّعة في شكل " جيوبليمرز " ، وهي منتجات صناعية مفعمة.

وثمة نهج واعد آخر يتمثل في استخدام البوليمرات - البوليمرات الطبيعية المستمدة من النباتات أو البكتيريا أو الفطريات المؤقتة أو الدائمة، وقد تبين أن زانثان كوم، وهوخ السيليوم، وثنائيات الجيرين، قد خفضت من التحات وتحسين تماسك التربة في المنحدرات المزروعة، وفي حين أن قابلية التحلل الطويل الأجل في الظروف المشبعة تتطلب مزيدا من الدراسة، فإنها توفر خياراً أولياً.

التكنولوجيات والتقنيات الناشئة

ولا يمكن للمواد وحدها أن تحقق الاستدامة؛ فالطريقة التي يتم بها تصميمها وصيانتها تحدد النتيجة البيئية والاقتصادية النهائية، فالتكنولوجيات الرقمية والبيولوجية الناشئة تعيد تشكيل دورة الحياة المشتركة بأكملها.

نظم الرصد الذكية

وقد تم تقييم الصحة الهيكلية للمرافق من خلال عمليات التفتيش البصري الدورية والتحقيقات التي تجري في المناطق الفرعية والتي تكون باهظة التكلفة ومعرضة لعلامات الإنذار المبكر المفقودة، حيث تقوم شبكة الإنترنت بتغيير هذه النموذج، ويمكن الآن أن تُدرج أجهزة الاستشعار ذات القدرة المنخفضة والبطارية في المواسير الضارية أثناء البناء لقياس ضغط المياه السحابية، ومحتويات أجهزة الاستشعار اللاسلكية في التربة، ودرجة الحرارة الداخلية.

As[ example, an embankment along a high-speed rail corridor in Japan’s Shikoku region was instrumented with an range of tiltmeters and piezometers connected to a long-range wide-area network (LoRaWAN) The system successfully identified a localized increase in pore pressure after heavy rainfall, triggering automated drainage measures that averted a potential slope maintenance costs but not

إن التقدم المحرز في الاستشعار بالألياف البصرية - الموزعة خصيصا للاستشعار الصوتي، وتحليلات البلورين ذات النطاق الزمني - تضاءل باستمرار الإجهاد ودرجة الحرارة على طول طول الألياف المثبتة في ضفاف، ويمكن لهذه التكنولوجيا أن تكشف مناطق الشواء وتتطور نطاقات القار في القرارات التي لا يمكن أن تكون قابلة للتأثر بمستشعرات متباينة، مما يوفر صورة شاملة حقا لسلوك الضمائرين.

3D Printing and Modular Construction

وقد انتقلت الصناعة المضافة من المختبر إلى اختبارات ضفافية على نطاق ميداني، حيث يمكن للطابعات الكبيرة التي تبلغ 3D والتي تُقام على نظم البلازما أو الأسلحة الآلية أن تُحدث طبقة من المواد الأسمنتية أو الجيوبليمرية حسب الطبقات بحيث تشكل نواة ضوئية وقنوات صرف وعناصر لحماية التآكل، والميزة الرئيسية هي الحرية الأرضية: يمكن طبع هياكل ذات باطلة داخلية لتقليل الحجم المادي، مع الشكل الأمثل.

ويكمل الصنع الأولي الموحّد الطباعة بالسماح بالعناصر الموحدة للزراعة - مثل قطع التربة المعززة، أو جدران كبش الصرف، أو التي تُصنع في ظروف المصنع الخاضعة للرقابة وتتجمع في الموقع، ويقلل هذا النهج من التأخيرات المتصلة بالطقس، ويحسن مراقبة الجودة، ويقلل في كثير من الأحيان من متطلبات العمل، ويصبح جذاباً بوجه خاص بالنسبة للمناطق النائية أو الحساسة بيئياً التي يتسبب فيها التمزق في الموقع والمواد.

الهندسة الأحيائية والنباتات

وتؤثر تقنيات الاستقرار البيولوجي على التعزيز الميكانيكي لجذور النباتات والآثار الهيدروليكية للغطاء النباتي لتحسين قدرة الصمود في حين تعزز التنوع البيولوجي، ويمكن أن تؤدي الأغطية الخشبية والأغطية البقالة إلى الحد من تآكل السطح بأكثر من 90 في المائة مقارنة بالتربة الخالصة، بينما يمكن للأنواع الأعمق المتجذرة مثل الويلات والآلفات والأعشاب المخضرة أن تعزز آلياً من حيث ترسبات الأرضية إلى عمق إلى عمق 20 مترا.

وبالإضافة إلى الزراعة البسيطة، يستخدم الهندسة الأحيائية الحديثة تقنيات مثل البطانيات المحتوية على الغطاء النباتي، وجدران الكبش الحي، وطبقة الفرشاة، وهذه النظم تجمع بين مواد النباتات الحية والعناصر الهيكلية القابلة للتحلل الأحيائي أو التركيبية، لإنشاء رقابة فورية للتحات في الوقت الذي تتطور فيه النظم الجذرية.() وعلى مر الزمن، يمكن أن يتحلل العنصر العضوي، ويترك إدارة الحفظ ذاتياً تماماً().

وثمة حدود بيولوجية أخرى تشمل استخدام التهطال الكربوني بالكالسيوم المسبب للحسابات الكالسيومية، حيث إن حقن شرائح محددة من البكتيريا البوليتية في مصفوفة تربة مخرفة، وتوفير حل مغذي، يمكن للمهندسين أن يهيمنوا البلورات التي تولدها الجسيمات الرسوبية معاً والتي تؤدي أساساً إلى إيجاد مادة شبيهة بالكربون في إطار شركة مركب الرمل الطبيعي.

تقييم دورة الحياة ومقاييس الاستدامة

وترتكز عملية دفع المواد المستدامة لضم السفن على التفكير الدقيق في دورة الحياة، إذ أن مقارنة البدائل تتطلب أكثر من مجرد تكلفة بسيطة من تكاليف البناء الأولية؛ وهي تتطلب تقديرا كميا لاستهلاك الطاقة، وانبعاثات غازات الدفيئة، واستخدام المياه، والاضطرابات في الأراضي، والتخلص من نهاية العمر أو إعادة استخدام الطاقة على مدى عمر تصميمي قد يتجاوز سبعين عاما.

تحليل برمجيات الكربون

وتشير تقييمات دورة الحياة الأخيرة باستمرار إلى أن أعلى وفورات الكربون تأتي من تقليل الاعتماد على الملء المستورد من السلع واسم بورتلاند، وأن دراسة عن ارتفاع طوله ٥ أمتار، و٣٠٠ متر في المائة من الانبعاثات في السويد قد تشير إلى تصميم تقليدي باستخدام مليئ بالصخور المحطمة بثلاثة بدائل: الرمل المحلي المتغير المقوى من الطراز التركيب، والمتفجرات المحلية المثبتة في الدراجات، و٤٢ في المائة من خيار آخر

مدة الخدمة وطولها

فالاستدامة لا تتعلق فقط بتدني الأثر الأولي؛ فالضمان الذي يتطلب إجراء إصلاحات رئيسية كل عقد يفرض تكاليف المواد والطاقة المتكررة، ولكن الضمانات ذاتية التعزيز من الناحية الجيولوجية قد أظهرت حياة الخدمات التي تتجاوز خمسين عاماً مع الحد الأدنى من الصيانة، شريطة أن تكون مصممة مع توفير ما يكفي من المياه والحماية من الأشعة فوق البنفسجية، وأن تكون التعبئة المتناقلة التي تتراكم عند الدمج والتصريف على نحو سليم، مثبتة سلوكاً مماثلاً للمل.

وتبين نماذج تكاليف دورة الحياة التي تتضمن الصيانة والإصلاح في المستقبل أن العديد من البدائل المستدامة هي بالفعل ذات كفاءة من حيث التكلفة على مدى الحياة التصميمية الكاملة، حتى وإن كانت أسعار وحدتها الأولية أعلى قليلا، ويمكن أن تُبرز تكاليف الفشل في المستقبل، وتنظيف الرواسب، وتعطل حركة المرور التوازن الاقتصادي بشكل حاسم في صالحها.

التحديات والنظر في المسألة

ولا توجد عقبات أمام التكنولوجيا، إذ أن اعتماد مواد مبتكرة في مجال المصارف يواجه حواجز تقنية وتنظيمية وحواجز سوقية يجب معالجتها بصورة منهجية قبل أن تصبح هذه النهج مندمجة.

التكلفة والقابلية للتسويق

وكثيرا ما تكون تكاليف المواد الاصطناعية والمعاد تدويرها أعلى من تكاليف المواد الأولية من التربة التقليدية، خاصة عندما يتم أخذها في الاعتبار، ولكن تحليلات دورة الحياة كثيرا ما تظهر وفورات صافية، ويتمثل التحدي في أن قرارات الشراء في العديد من مشاريع البنية التحتية لا تزال قائمة على أدنى العطاءات الأولية، وليس التكلفة الإجمالية للملكية، وأن تشجيع نماذج التعاقد القائمة على تصميم أو على أساس الأداء يمكن أن يعجل بالتبني.

المسائل التنظيمية والمعايير

وتكتب رموز البناء والمواصفات المادية في العديد من البلدان حول المواد التقليدية، إذ إن تقديم مواد بلاستيكية معاد تدويرها أو تربة معالجة من الفينول الخماسي الكلور يتطلب بذل جهد كبير لإثبات التكافؤ والسلامة، وقد تستغرق عملية تحديث المعايير سنوات، حتى عندما توجد أدلة بحثية قوية، وقد يكون التعاون بين الصناعة ومؤسسات البحوث والهيئات المعنية بالمعايير - مثل لجان الرابطة الدولية للمعايير المتعلقة بالخصائص الجيو اصطناعي والمواد المستدامة - أمراً أساسياً للتعجيل بهذه التحديثات.

الأداء في ظل الظروف القصوى

ويزيد تغير المناخ من تواتر وشدة الأحداث الجوية الشديدة، إذ يجب أن تتحلى المصارف بتغطية أعمق وأطول أمداً، ودورات تجمّد أكثر كثافة، وارتفاع سرعة الرياح، وبعض المواد المستدامة، مثل المنحدرات المصممة أحيائياً، تكون في جوهرها قادرة على إحداث تغيرات مناخية لأن المجتمعات المحلية النباتية يمكن أن تتكيف، ولكن هناك مواد أخرى تشبه نماذج الاختبارات المميزة بالهيكليات الأرضية والمبريدة في إطار برامج الرصد الدوري الشامل.

الاتجاهات المستقبلية

ويبرز تقارب علوم المواد والتكنولوجيا الرقمية والتصميم الإيكولوجي في عصر من المواضع الذكية والتكييفية حقا، أما مواد التعبئة الذاتية التي تشقق من خلال النشاط المجهري، والتنسيب الآلي المستقل لأجهزة الإيصال الجيوغرافي، والاستشعار المتكامل عن بعد الذي يتوقع أن تكون أسابيع الفشل في المستقبل، فهي كلها قيد التطوير النشط، وسيكون مفتاح تحقيق هذه الرؤى هو إجراء بحوث تعاونية تجمع بين المهندسين المدنيين، والضغط البيئي، ووضع سياسات بناءية(أ)

وبالنسبة لمالكي المشاريع وشركات التصميم، فإن الرسالة واضحة: فالأدوات والمواد اللازمة للضمانات المستدامة موجودة اليوم، ويعتمد اعتمادها على نطاق أوسع على الرغبة في النظر إلى ما يتجاوز التكاليف الأولى، وانفتاح على المواصفات القائمة على الأداء، والالتزام بالتفكير في دورة الحياة، والتكنولوجيات الموصوفة هنا ليست مفاهيم غير مجدية؛ بل هي حلول ثبتت فعاليتها في المشاريع في جميع أنحاء العالم، ومع استمرار صقلها وتقاسمها للمعارف، يمكن أن تصبح المعيار الجديد.