بتن خود ترمیم شونده چیست؟
همه چیز درباره بتن خود ترمیم شونده
بتن زیرساخت‌های جهانی را به کلی متحول کرده است. در واقع، حدود نیمی از هر چیزی که در جهان ساخته می‌شود با بتن است. از آنجایی که جامعه مدرن به تولید و استفاده از بتن وابسته است، دانشمندان در تلاش هستند تا راهی برای بتن برای مراقبت از خود کشف کنند. در این میان، بتن خود ترمیم شونده یک اختراع شگفت انگیز در صنعت ساختمان سازی است. استفاده از آن می‌تواند مشکل خرابی را قبل از پایان عمر مفید سازه حل کند. برای شناخت بیشتر این نوع بتن با ما همراه باشید.
بتن خود ترمیم شونده چیست؟
به عبارت ساده‌تر، بتن خود ترمیم شونده (Self-Healing Concrete) بتنی است که قابلیت ترمیم ترک‌ها و عیوب خود را دارد. هنگامی که صحبت از استفاده از بتن در ساخت و ساز می‌شود، یکپارچگی سازه یک نگرانی اصلی است. در نتیجه زمان و تلاش زیادی برای اطمینان از اینکه بتن در شرایط عالی قرار دارد صرف می‌شود. بتن خود ترمیم شونده نیازی به مداخله انسانی ندارد.
بتن خود ترمیم شونده با اختلاط عامل التیام دهنده یا باکتری در بتن، تبدیل مواد‌مغذی به سنگ آهک تهیه می‌شود. کارهای تحقیقاتی در این زمینه چشم انداز یا هدف وسیع‌تری برای مطالعه خواص خود ترمیمی پلاستیک‌ها، پلیمرها، کامپوزیت‌ها، آسفالت و فلزات و همچنین بتن دارد. هندریک یونکرز، دانشمند هلندی، برای اولین بار بتن خود ترمیم شونده را تولید کرد، محصولی که علیرغم هزینه اولیه بالاتر، می‌تواند در دراز مدت باعث صرفه جویی در هزینه و کار شود. هندریک یونکرز برای اختراع خود نامزد جایزه مخترع اروپا در سال 2015 شد.
برخلاف بتن معمولی، بتن خود ترمیم شونده حاوی باکتری‌هایی به نام باسیلوس پاستوری به همراه نوعی نشاسته است که به عنوان غذا برای باکتری‌ها عمل می‌کند. این باکتری‌ها تا زمانی که شکاف ایجاد شود و هوا وارد بتن شود، در بتن غیرفعال می‌مانند. این تغییر باکتری‌ها را بیدار می‌کند و آنها را به خوردن نشاسته اضافه شده به بتن سوق می‌دهد. با خوردن، رشد و تکثیر باکتری‌ها، کلسیت را که نوعی کربنات کلسیم است، دفع می‌کنند. هنگامی که کلسیت به بتن می‌چسبد، ترک را پر کرده و آن را آب بندی می‌کند.
مزایای بتن خود ترمیم شونده چیست؟
- بتن خود ترمیم شونده می‌تواند بدون هیچ گونه درمان خارجی خود ترمیم شود.
- در مقایسه با بتن معمولی مقاومت فشاری و خمشی بهتری دارد.
- در برابر حملات انجماد و ذوب مقاومت خوبی دارد.
- نفوذپذیری بتن خود ترمیم شونده کم است.
- کاهش خوردگی فولاد به عنوان خود ترمیم ترک که یکی از دلایل اصلی شروع خوردگی است.
- در بتن خود ترمیم شونده، باکتری‌های استفاده شده در این باکتری باسیلوس بتن مانند برای زندگی انسان بی ضرر هستند و از این رو می‌توان از آن به طور موثر استفاده کرد.
معایب بتن خود ترمیم شونده چیست؟
- هزینه بتن خود ترمیم شونده در مقایسه با بتن معمولی تقریبا دو برابر است.
- باکتری‌های رشد می‌توانند تحت تاثیر شرایط محیطی مختلف قرار بگیرند.
- پالت‌های رسی که در بتن مخلوط می‌شوند تقریباً 20 درصد حجم بتن را می‌پوشانند و این ممکن است به یک ناحیه برشی یا ناحیه گسلی در بتن تبدیل شود.
بتن خود ترمیم شونده چقدر موثر است؟
با کمک باسیل پاستوری، بتن ترک خورده می‌تواند 90 درصد مقاومت اولیه خود را بازیابی کند. این بتن آسیب ترک هرگونه سفتی از دست رفته در هنگام آسیب دیدگی مواد را بازیابی می‌کند و آن را به حالت اولیه خود باز می‌گرداند. به عبارت دیگر، استفاده از باکتری‌ها برای شروع سریع فرآیند ترمیم، روشی عالی برای آموزش ترمیم بتن است. از آنجایی که بتن هر روز برای هر نوع ساخت و سازی استفاده می‌شود، منطقی است که این نوآوری می‌تواند زیرساخت را ایمن‌تر و بادوام‌تر کند.
استفاده از باسیلوس پاستوری نه تنها زوال را معکوس می‌کند بلکه می‌تواند هزینه‌ها و اثرات زیست محیطی ساخت سازه‌های جدید را نیز به حداقل برساند. علاوه بر این، تعمیرات انجام شده با این نوع بتن احتمالاً طولانی‌تر از همتایان سنتی خود طول می‌کشد. نمی‌توان انکار کرد که جهان هر روز در حال تغییر است. با گذشت زمان، نمی‌توانیم منتظر بمانیم تا ببینیم بتن خود ترمیم شونده چه مسیری را طی می‌کند.
چرا به بتن خود ترمیم شونده نیاز داریم؟
بتن همچنان یکی از مهمترین مصالح ساختمانی از زمان اختراع خود بوده و در آینده نیز ادامه خواهد داشت، اما اکثر سازه‌های بتنی مستعد ترک خوردن هستند. حتی یک ترک کوچک روی سطح بتن، کل سازه را مستعد تخریب می‌کند زیرا آب برای تخریب بتن و خوردگی آرماتورهای فولادی به داخل نفوذ می‌کند و طول عمر سازه را بسیار کاهش می‌دهد.
بتن می‌تواند به خوبی در برابر نیروی فشاری مقاومت کند اما در برابر نیروی کششی ضعیف است. به همین دلیل است که آرماتورهای فولادی در بتن ارائه می‌شوند. در بسیاری از سازه‌های بتنی، نیروی کششی بیش از حد می‌تواند منجر به ترک شود و این می‌تواند نسبتاً بلافاصله پس از ساخت سازه رخ دهد. این ترک با استفاده از ملات بتنی که به سطح آسیب دیده چسبانده می‌شود، ترمیم می‌گردد.
گاهی اوقات برای ترک گسترده‌تر ملات باید با پین‌های فلزی در سازه موجود وارد شود تا از ریزش آن اطمینان حاصل شود. تعمیر یا نگهداری هر بتن زمان بیشتری می‌برد و دسترسی به سازه برای انجام تعمیرات، به ویژه اگر در زیر زمین یا در ارتفاع زیاد باشد، اغلب بسیار دشوار است.
بتن خود ترمیم شونده چگونه کار می‌کند؟
بتن خود ترمیم شونده نوعی بتن است که با اختلاط باکتری‌های شفابخش در آن ساخته می‌شود که از نظر بیولوژیکی سنگ آهک تولید می‌کند تا ترک‌هایی که در سطح سازه‌های بتنی ظاهر می‌شوند را التیام بخشد. فقط برخی از انواع منتخب باکتری‌ها می‌توانند سنگ آهک شفابخش مانند جنس باسیلوس را تولید کنند که همراه با یک ماده مغذی مبتنی بر کلسیم به نام لاکتات کلسیم و نیتروژن و فسفر در هنگام ساخت بتن با مواد تشکیل دهنده بتن مخلوط می‌شوند.
این نوع باکتری‌های منتخب می‌توانند بیش از 200 سال در بتن زنده باشند. با این حال، هنگامی که آسیب به عنصر بتنی ترمیم کننده وارد می‌شود و آب شروع به تراوش در آن می‌کند، اسپورهای باکتری در تماس با آب و مواد مغذی فعال می‌شوند. این باکتری‌های فعال شده شروع به تغذیه از لاکتات کلسیم موجود در بتن می‌کنند.
از آنجایی که باکتری‌ها اکسیژن مصرف می‌کنند، لاکتات کلسیم محلول به سنگ آهک نامحلول تبدیل می‌شود. سنگ آهک در تماس با جو جامد می‌شود و در نتیجه آن را مهر و موم می‌کند. این نشان دهنده همان فرآیندی است که در آن شکستگی در بدن انسان به طور طبیعی توسط سلول‌های استئوبلاست که برای تشکیل مجدد استخوان معدنی می‌شوند، بهبود می‌یابد. در طی تبدیل باکتریایی لاکتات کلسیم به سنگ آهک این دارای مزایای اضافی است که اکسیژن را مصرف می‌کند که عنصر اصلی در فرآیند خوردگی فولاد است.
از آنجایی که این فعالیت باکتری تمام اکسیژن را مصرف کرده است، دوام سازه‌های بتنی تقویت شده با فولاد را افزایش می‌دهد. در ساخت بتن خود ترمیم شونده دو عامل باکتریایی به نام خوراک به عنوان اسپور باکتری و مواد مغذی مبتنی بر لاکتات کلسیم به عنوان پالت‌های رسی جداگانه به بتن معرفی می‌شوند. این پالت‌های رسی تضمین می‌کنند که عامل باکتری قبل از ترک خوردن بتن فعال نمی شود.
پالت‌های رسی تنها زمانی فعال می‌شود که بتن ترک بخورد و شکاف گلوله‌ها را باز کند و آب ورودی لاکتات کلسیم را با باکتری‌ها در تماس قرار دهد و اینها فعال می‌شوند. بتن خود ترمیم شونده یک آزمایش موفقیت آمیز برای این فرآیند است و مشاهده می‌شود که باکتری‌ها به سرعت جوانه زده و تکثیر می‌شوند. عامل باکتریایی مواد مغذی را در طی هفت روز در آزمایشگاه به سنگ آهک تبدیل می‌کند. اما در شرایط بیرونی، ممکن است چند هفته طول بکشد.
بتن خود ترمیم شونده چه کاربردهایی دارد؟
ساختمان‌های کوچک معمولاً مسکونی هستند و در حومه شهرها یا روستاها قرار دارند. سازه‌های سایز متوسط معمولاً از مقدار بیشتری بتن استفاده می‌کنند، بر خلاف آسمان خراش‌ها که از فولاد بیشتری استفاده می‌کنند و ساختمان‌های کوچک که از سنگ یا چوب بیشتری استفاده می‌کنند.
به نظر می‌رسد هر دو ساختمان مسکونی و عمومی برای استفاده از بتن خود ترمیم شونده واجد شرایط هستند اما به ویژه در ساختمان‌های عمومی با افزایش طول عمر، طرح‌ها باید انعطاف پذیر باشند. بنابراین، به جای تخریب، زمانی که خدمات نگهداری شده در داخل ساختمان دیگر در یک منطقه خاص مورد نیاز نباشند، مدل سازی مجدد صورت می‌گیرد که به نوبه خود با اجتناب از ساخت و ساز، تأثیر مثبتی در کاهش انتشار دی اکسید کربن دارد.
بتن خود ترمیم شونده در ساخت پل‌ها و راه سازی‌ها استفاده می‌شود زیرا اغلب به دلیل بارهای سنگین دچار ترک‌های کوچک می‌شود و دائماً نیاز به تعمیر و نگهداری دارد. استفاده از این نوع بتن هزینه نگهداری را به میزان قابل توجهی کاهش داده و ایمنی را افزایش می‌دهد، بنابراین به دلیل مزایای فراوان استفاده از آن بسیار توصیه می‌شود. ساختمان‌های بتنی خود ترمیم شونده از استفاده از این نوع بتن سود می‌برند، همانطور که زیرساخت‌ها با ایجاد ایمنی و دوام افزایش می‌یابد.
یافتن باکتری مناسب برای بتن خود ترمیم شونده چگونه است؟
برای ساخت بتن خود ترمیم شونده، یافتن باکتری مناسبی که بتواند در یک محیط قلیایی شدید زنده بماند، یک نیاز ضروری است. همانطور که می‌دانیم، زمانی که آب و سیمان با هم مخلوط می‌شوند مقدار PH تا 13 دارند، معمولاً محیطی خصمانه برای زندگی است. اکثر میکروارگانیسم‌ها با PH بیش از 10 می‌میرند.
برای ساخت بتن‌هایی که می‌توانند خواص درمانی خود را ترک کنند، ما به میکروب‌هایی نیاز داریم که در محیط‌های قلیایی که در محیط‌های طبیعی یافت می‌شوند، مانند خاک‌های غنی از کربنات در مناطق بیابانی در اسپانیا، دریاچه‌های سودا در مصر و دریاچه‌های قلیایی در روسیه نیاز داریم.
پیشگیری از ترک توسط بتن خود ترمیم کننده چگونه است؟
با قرار دادن باکتری‌های رسوب کننده کلسیت در مخلوط بتن، می‌توان بتنی را ایجاد کرد که دارای قابلیت‌های خود ترمیم شوندگی باشد. از آنجایی که مقدار PH بتن بسیار بالا است، تنها باکتری‌های به اصطلاح «قلیایی دوست» قادر به زنده ماندن هستند.
استفاده از بتن باکتریایی در تئوری می‌تواند منجر به صرفه جویی قابل توجهی به خصوص در بتن مسلح شده با فولاد شود. همچنین به این معنی است که هنگام طراحی سازه‌های بتنی می‌توان مسائل مربوط به دوام را به روشی جدید و اقتصادی‌تر حل کرد. بتن باکتریایی برای ساختن نگهدارنده‌های زیرزمینی برای زباله‌های خطرناک ایده آل است زیرا هیچ انسانی مجبور نیست برای ترمیم ترک‌های ایجاد شده به آن نزدیک شود.
برای ساختمان‌های مسکونی، به نظر می‌رسد تعمیر سنتی ترک‌ها از نظر اقتصادی جذاب‌ترین راه حل در حال حاضر باقی بماند. در حال حاضر، تحقیقات ما بر ایجاد شرایط مناسب برای باکتری‌ها برای تولید هرچه بیشتر کلسیت و بهینه سازی توزیع غذا برای باکتری‌ها متمرکز هستند.
کلام آخر
اگرچه بتن پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی در جهان است، اما یک نقص جدی دارد: به راحتی می‌تواند در هنگام تنش ترک بخورد. اگر این ترک‌ها بیش از حد بزرگ شوند منجر به خوردگی آرماتورهای فولادی می‌شوند که نه تنها ظاهر نامناسبی به همراه دارد بلکه کیفیت مکانیکی سازه را نیز به خطر میندازد.
به همین دلیل است که مهندسان اغلب از مقدار بیشتری از آرماتورهای فولادی در سازه بتنی استفاده می‌کنند تا از بزرگ شدن ترک‌ها جلوگیری نمایند. این فولاد اضافی کاربرد ساختاری ندارد و یک راه حل گران قیمت است زیرا قیمت فولاد بالاست. راه دیگر برای مقابله با ترک‌ها، تعمیر آنهاست اما این کار در سازه‌های زیرزمینی یا نگهدارنده مایع می‌تواند بسیار دشوار باشد. راه حل نهایی بتن خود ترمیم شونده خواهد بود که دقیقاً همان چیزی است یک پروژه را نجات می‌دهد.
منابع: