ما الآثار البيئية لبناء الهياكل الفولاذية للجسور؟

الكربون المُدمج وشدة استهلاك الطاقة في إنتاج الفولاذ المستخدم في الجسور

البصمة الكربونية للفولاذ الإنشائي، والكابلات الثابتة، والسبيكات عالية القوة

الصلب هو في الأساس العمود الفقري لبناء الجسور، رغم أن كمية التلوث الناتجة عن المواد المختلفة قد تتفاوت بشكل كبير. ويُنتج الصلب الإنشائي العادي حوالي ١٫٨ إلى ٢٫٣ طن متري من غاز ثاني أكسيد الكربون عن كل طن يتم إنتاجه، وهو ما يعادل قيادة سيارة عادية لمسافة تبلغ نحو ٥٠٠٠ ميل وفقًا لأبحاث «الكفاءة العالمية الذكية» الصادرة العام الماضي. أما الكابلات الثابتة المستخدمة في العديد من الجسور فهي قصة مختلفة تمامًا. فبما أنها مصنوعة من سبائك عالية القوة الخاصة، فإنها تتطلب عمليات معالجة حرارية مكثفة ترفع بصمة الكربون الخاصة بها بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٦٠٪ مقارنةً بالكمرات الفولاذية العادية. وعلى الرغم من أن هذه المواد المتقدمة تتيح للمهندسين بناء جسور ذات spans أطول، فإن ذلك يأتي بتكلفةٍ بيئيةٍ باهظة، إذ يجب على المصنّعين الحفاظ على ضوابط جودة صارمة أثناء الإنتاج والخضوع لخطوات إضافية، وكل ذلك يزيد من الأثر البيئي الإجمالي للهيكل. وبالتالي، فإن نوع الصلب الذي يُختار لمشروعٍ معينٍ يُشكّل الأساس الذي يُبنى عليه مدى «الاستدامة الخضراء» للهيكل بأكمله، وذلك منذ المرحلة الأولى من التخطيط، أي قبل أن تبدأ أي أعمال بناء فعلية في الموقع.

دور الفرن العالي مقابل فرن القوس الكهربائي في انبعاثات الفولاذ المستخدم في الجسور

لا يزال معظم الصلب الأولي يُنتج في الأفران الانفجارية، لكن هذه العمليات التقليدية تطلق انبعاثات تزيد بنحو 70% مقارنةً بالأفران القوسية الكهربائية. وتعمل الأفران الانفجارية عن طريق حرق الفحم في أفران الكوك عند درجات حرارة تتجاوز 1200 درجة مئوية، ما يؤدي إلى إنتاج نحو 2.2 طن من ثاني أكسيد الكربون عن كل طن من الصلب الخام المنتج. أما الأفران القوسية الكهربائية فتتبع نهجاً مختلفاً تماماً؛ فهي تذيب الخردة المعدنية المعاد تدويرها باستخدام الكهرباء بدلًا من الوقود. وعندما تُشغَّل هذه الأنظمة بالطاقة المتجددة، فإنها تقلل الانبعاثات بنسبة تتراوح بين النصف وثلاثة أرباعها. ويُفضِّل مُنشئو الجسور عادةً استخدام الصلب المنتج في الأفران الانفجارية للمكونات الإنشائية الحرجة بسبب متطلبات النقاء، لكن تقنيات الأفران القوسية الكهربائية الحديثة، التي تُدمج مع الحديد المختزل مباشرةً، بدأت تحقق مواصفات ASTM A709 نفسها مع خفضٍ في الانبعاثات. ونحن نشهد حالياً انتقالاً صناعياً يتيح للمصنِّعين تقليل آثارهم البيئية دون التنازل عن متطلبات الجودة أو المتانة.

التأثيرات الناتجة عن البناء في الموقع: المعدات واللوجستيات والاضطرابات النهرية

الرافعات والقوارب والسدود المؤقتة التي تعمل بالديزل: استهلاك الوقود والآثار على الموائل المائية

أثناء مشاريع بناء الجسور، تستهلك الآلات الثقيلة مثل رافعات الزحافات وآلات دق الأوتاد كميات كبيرة من وقود الديزل. وبعض الرافعات تستهلك فعليًّا ما بين ٥٠ و٧٥ جالونًا يوميًّا وفقًا لأرقام وكالة حماية البيئة (EPA) لعام ٢٠٢٣، ما يعني أنَّها تطلق كمياتٍ كبيرةً من غاز ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين في الغلاف الجوي. وعند النظر إلى الأرقام الصادرة عن سلاح المهندسين بالجيش الأمريكي، نجد أنَّ انبعاثات أكاسيد النيتروجين الناتجة شهريًّا عن مشاريع إنشاءات الأنهار تتراوح بين ١٥ و٣٠ طنًّا. ثم هناك جميع الآثار البيئية التي تتجاوز مجرد تلوُّث الهواء. فعند تحرك القوارب وتركيب السدود المؤقَّتة (Cofferdams)، تؤدي هذه الأنشطة إلى مشكلاتٍ في النظم الإيكولوجية المائية. إذ تُحرَّك الرواسب مما يجعل من الصعب على النباتات تحت الماء الحصول على أشعة الشمس، ويُعطِّل الضجيج الناتج عن أعمال الإنشاءات عملية تكاثر الأسماك، كما أنَّ التآكل الحاصل على ضفاف الأنهار يغيِّر مواطن الكائنات الدقيقة. وقد أظهر بحثٌ أُجري عام ٢٠٢٢ على أعمال إنشاء الجسور على طول نهر أوهايو أنَّ تجمُّعات الكائنات القاعية انخفضت بنسبة تقارب ١٢٪ بشكل مؤقَّت في المناطق التي كانت تشهد نشاطًا إنشائيًّا مكثَّفًا.

انبعاثات النقل الخاصة بمكونات الجسور المسبقة الصنع ووصول الموقع

يُشكِّل نقل تلك العوارض الفولاذية الكبيرة المُسبَّقة التصنيع حوالي ٦٠٪ من إجمالي انبعاثات النطاق ٣ في مشاريع البناء وفقًا لإدارة الطرق السريعة الفيدرالية (FHWA). وهناك عدة عوامل تؤثر فعليًّا في هذه الأرقام. أولها المسافة المقطوعة: فعند نقل عارضة وزنها ١٠٠ طن لمسافة ٢٠٠ ميل، فإن الانبعاثات الناتجة عن ذلك وحدها تبلغ نحو ١,٨ طن من ثاني أكسيد الكربون. ثم تأتي عوامل عمر الأسطول: إذ تطلق الشاحنات القديمة ما يقارب ٣٥٪ أكثر من الجسيمات المعلَّقة مقارنةً بالشاحنات الحديثة المتوافقة مع معيار يورو ٦ (Euro VI). ولا تنسَ ما يحدث في موقع العمل نفسه: فشاحنات خلط الخرسانة التي تبقى واقفة دون حركة تُسهم وحدها بنسبة ٢٠٪ من إجمالي الانبعاثات المتحركة في الموقع. وتشير دراسة أجرتها اللجنة الوطنية للبحوث المرورية (NCHRP) عام ٢٠٢٣ إلى أن تحسين طرق نقل المواد من النقطة (أ) إلى النقطة (ب) يمكن أن يخفض الانبعاثات بنسبة تصل إلى ١٨٪. كما أن الانتقال من النقل البري إلى النقل بالسكك الحديدية يصبح مفيدًا بشكل خاص عند تجاوز مسافات النقل ٨٠ ميلًا، حيث يؤدي إلى خفض استهلاك الوقود بنسبة تقترب من الثلثين.

مقارنة تقييم دورة الحياة: الجسور الفولاذية مقابل البدائل الأخرى

مراحل تقييم دورة الحياة المطبَّقة على البنية التحتية للجسور: من استخراج المواد إلى انتهاء العمر الافتراضي

تقييمات دورة الحياة أو LCA تقيس أساسًا مدى الضرر الذي تُحدثه أنواع مختلفة من الجسور على البيئة في كل مرحلة من مراحل وجودها. فكِّر في الأمر بهذه الطريقة: نبدأ باستخراج المواد الأولية مثل خام الحديد وتكسير الرُّكام من المحاجر، ثم ننتقل إلى عمليات التصنيع، وشحن جميع هذه المواد في مختلف أنحاء العالم، ثم بناء الجسر فعليًّا، وتركه قائمًا لعقود عديدة، وأخيرًا هدمه عندما يصبح غير صالحٍ للاستخدام بعد انتهاء عمره الافتراضي. ومع ذلك، فإن الجسور الفولاذية تتمتّع بميزةٍ كبيرة: فعندما تصل إلى نهاية عمرها الافتراضي، يُعاد تدوير معظم الفولاذ المستخدم فيها. وتذكر رابطة الصلب العالمية أن نحو ٩٠٪ من هذا الفولاذ يُعاد استخدامه بطريقةٍ ما. ولا ننسَ بالطبع صيانة الجسور أيضًا: إذ تميل الجسور الفولاذية إلى أن تدوم لفترةٍ أطول بكثيرٍ من عمرها الافتراضي المُقدَّر البالغ ١٠٠ عام، مع الحاجة إلى صيانةٍ ضئيلة جدًّا مقارنةً بالخيارات الأخرى المتاحة.

الجسور الفولاذية مقابل الجسور الخرسانية وخشب البناء الكثيف: المفاضلات بين انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والطاقة والمتانة

وفقًا لبحث أجرَاه نيو وفينك عام 2019، فإن الجسور الفولاذية تميل إلى احتواء ما يقارب ١٥ إلى ٢٠ في المئة أقل من الكربون المُدمج مقارنةً بنظيراتها الخرسانية المسلحة لكل متر من مدى الجسر. أما بالنسبة للجسور المصنوعة من الخشب الصلب (الخشب العضوي)، فإن الانخفاض يكون أكثر إثارةً للإعجاب، حيث تنخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تصل إلى ٣٠٪، وذلك لأن الأشجار تمتص ثاني أكسيد الكربون طبيعيًّا أثناء نموها. ومع ذلك، هناك عيبٌ في الهياكل الخشبية، إذ تتطلّب معالجات كيميائية لضمان متانتها، وغالبًا ما تحتاج إلى إصلاحات أو استبدالٍ أكثر تكرارًا مقارنةً بالمواد الأخرى، ما يؤدي في الواقع إلى ارتفاع تأثيرها البيئي مع مرور الزمن. ويتميّز الفولاذ بمقاومته للتآكل وقدرته على التحمّل الأفضل أمام الفيضانات، وبالتالي لا تحتاج هذه الجسور إلى إعادة بناءٍ بشكلٍ متكرر. علاوةً على ذلك، يتمتّع الفولاذ بنسبة قوة عالية جدًّا مقارنةً بوزنه، ما يسمح للمهندسين ببناء مدى أطول دون إحداث اضطرابٍ كبيرٍ في مواطن الحياة البرية على ضفاف الأنهار أثناء عملية البناء. وتبيّن الدراسات التي تتناول دورة الحياة الكاملة أن الجسور الفولاذية المصنوعة من نسبة عالية من المحتوى المعاد تدويره تستهلك أقل كمية ممكنة من الطاقة على امتداد ١٠٠ سنة، عند أخذ جميع أعمال الصيانة ومدة الخدمة والإجراءات المتبعة عند انتهاء عمرها الافتراضي في الاعتبار.

استراتيجيات التخفيف المستدامة لمشاريع الجسور ذات الأثر المنخفض

تحسين التصميم، والتصنيع الوحدوي، وتخفيض النفايات في إنشاء الجسور

وعندما يتعلق الأمر بتصميم الجسور، يمكن أن يؤدي تحسين الطوبولوجيا فعليًّا إلى خفض استهلاك الفولاذ بنسبة تتراوح بين ١٥٪ وربما تصل إلى ٢٥٪، مع الحفاظ على السلامة الإنشائية الكاملة للهيكل. وهذا يعني انخفاضًا عامًّا في الكربون المُدمج في المشروع. ومن ناحية أخرى، يجري تنفيذ البناء الوحدوي بعيدًا عن موقع المشروع أيضًا. فالمرافق التصنيعية توفر تحكُّمًا أفضل بكثير مقارنةً بالعمل في الهواء الطلق، وبالتالي فإن المصنِّعين يطبِّقون منهجيات الإنتاج الرشيق التي تقلِّل الانبعاثات مباشرةً عند مصدرها وتسرِّع سير العمل بشكلٍ ملحوظ. كما أن العناصر المسبقة الصبٍّ مذهلةٌ حقًّا. فهي تترك وراءها أقل من ٥٪ من الهدر في مواد الفولاذ، وفقًا لتلك المشاريع الكبرى في البنية التحتية التي ظهرت مؤخرًا في مناطق مختلفة خلال عام ٢٠٢٤. وبطبيعة الحال، هذا يعني عدد رحلات أقل إلى الموقع، وبالتالي تقليل الحاجة إلى تشغيل الآلات التي تعمل بالديزل طوال اليوم.

الاستدامة الدائرية: إعادة الاستخدام، وإعادة التدوير، وشراء الفولاذ من مصادر منخفضة الكربون للجسور المستقبلية

عندما يُعاد تدوير الفولاذ الهيكلي، فإنه يحتفظ بما نسبته حوالي ٩٥٪ من قوته الأصلية بعد إخضاعه لإعادة التأهيل. وهذا يعني أن المهندسين يستطيعون في الواقع إزالة تلك العوارض الكبيرة مباشرةً من الجسور القديمة التي لم تعد بحاجةٍ إليها، ثم إعادة استخدامها في مواقع أخرى. وتتحسَّن هذه النسب أكثر عند النظر إلى طريقة تصنيع الفولاذ: إذ تُنتج أفران القوس الكهربائي التي تعمل بالخردة المعدنية كميات أقل بنحو ٧٠٪ من غاز ثاني أكسيد الكربون مقارنةً بالأفران الانفجارية التقليدية. أما معايير الصناعة اليوم فهي تشجِّع على استخدام ما لا يقل عن نصف المواد المعاد تدويرها في صناعة فولاذ الجسور الجديدة، وهو أمرٌ تؤيده مشاريع تجريبية تختبر حاليًّا خام الحديد المختزل بالهيدروجين. وهناك زاوية أخرى أيضًا: فبفضل أنظمة التتبع المناسبة طوال دورة حياة الجسر، يصبح معظم الجسور قابلًا لإعادة التدوير بنسبة ٩٨٪ عند انتهاء عمره الافتراضي. وبذلك، يتحول ما كان في السابق مجرد عناصر بنية تحتية جامدة إلى شيءٍ ذي قيمةٍ أكبر بكثير مع مرور الزمن — أي أنه يشكِّل في الأساس مخزوناتٍ ضخمةً من مواد البناء الجاهزة لإعادة الاستخدام في أي وقتٍ يلزم ذلك.