بتن خود ترمیم شونده چیست؟

بتن خود ترمیم شونده یکی از جدیدترین نوآوری ها در صنعت ساخت و ساز است که می تواند به طور قابل توجهی مشکلات زیست محیطی ناشی از تولید سیمان و استفاده از بتن را کاهش دهد. پس از آب، بتن پرمصرف ترین ماده در جهان محسوب می شود و نقشی حیاتی در زیرساخت ها، ساختمان های مسکونی و تجاری، سدها، پل ها و پروژه های صنعتی ایفا می کند. این ماده اساسی، که به معنای واقعی کلمه سنگ بنای تمدن مدرن است، به دلیل دوام و استحکام بالای خود در ساخت و سازهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، صنعت بتن و سیمان یکی از بزرگ ترین عوامل انتشار گازهای گلخانه ای است و تأثیرات زیست محیطی گسترده ای دارد. بر اساس گزارش های معتبر، تولید سیمان به تنهایی مسئول حدود ۸ درصد از کل انتشار دی اکسید کربن در جهان است. این میزان اگرچه کمتر از تأثیرات بخش کشاورزی (۱۲ درصد) است، اما بسیار بیشتر از صنایع دیگر مانند هوانوردی (۲.۵ درصد) بر محیط زیست اثر می گذارد. این موضوع، نگرانی های بسیاری را درباره نقش صنعت ساخت و ساز در تغییرات اقلیمی و گرمایش جهانی ایجاد کرده است.

در این میان، نیاز به مصالح ساختمانی پایدار، مقرون به صرفه و چندمنظوره بیش از پیش احساس می شود. توسعه فناوری های نوین و به کارگیری مواد جدید می تواند تأثیر قابل توجهی در کاهش مصرف انرژی، افزایش دوام سازه ها و کاهش هزینه های نگهداری داشته باشد. یکی از راهکارهای نوآورانه که می تواند تحول بزرگی در این صنعت ایجاد کند، بتن خود ترمیم شونده است. این نوع بتن به گونه ای طراحی شده که قادر است ترک ها و آسیب های کوچک را به صورت خودکار ترمیم کند، بدون اینکه نیاز به مداخله انسانی باشد.

استفاده از بتن خود ترمیم شونده نه تنها دوام سازه ها را افزایش می دهد، بلکه هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش داده و از هدررفت منابع جلوگیری می کند. این فناوری می تواند به عنوان راهکاری مؤثر برای بهبود عملکرد ساختمان ها و زیرساخت ها مورد استفاده قرار گیرد و در عین حال، اثرات منفی زیست محیطی ناشی از تولید و نگهداری بتن را به حداقل برساند.

مکانیزم های خود ترمیمی در بتن: روش ها و فناوری های نوین

اصطلاح «خود ترمیم شونده» برای بتنی به کار می رود که پس از ترک خوردن می تواند استحکام خود را به دست آورده و دوباره ترک ها را ببندد. ترمیم خود به خود بتن می تواند کمک زیادی به جلوگیری از تعویض بتن و کاهش انتشار کربن جهانی بکند. خود ترمیمی در واقع یک پدیده قدیمی و شناخته شده برای بتن است، زیرا بر خلاف آن چه که به نظر می رسد، خودترمیمی به طور طبیعی در بتن رخ می دهد. به دلیل هیدراتاسیون مداوم مواد معدنی کلینکر (clinker) یا کربناته شدن هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2)، ترک های داخل بتن ممکن است پس از مدتی به طور طبیعی بهبود پیدا کنند. با این حال، این بهبود خود به خود، به ترک های کوچک محدود می شود و تنها زمانی مؤثر است که آب در دسترس باشد، بنابراین کنترل آن دشوار است.

همین موضوع سبب شده است که دانشمندان به فکر تولید بتن خود ترمیم شونده ای بیفتند که بتواند ترک های بزرگ را در زمان کم از بین ببرد و کنترل آن هم آسان باشد. به این معنا، بتن خود ترمیم شونده نوع جدیدی از بتن است که هنوز در مرحله تحقیق است و هر موسسه ای روشی را برای آن پیشنهاد داده است. این خود ترمیم شوندگی می تواند توسط مکانیزم های مختلفی انجام شود که عمدتاً شامل روش های خودترمیمی خودکار، روش خود ترمیمی مبتنی بر کپسول، روش خود ترمیم عروقی، روش خود ترمیمی با رسوب الکتریکی، روش خود ترمیمی میکروبی و روش خود ترمیمی از طریق تعبیه آلیاژهای حافظه شکل (SMAs) می باشند.

در این جا چند مکانیزم تولید بتن خود ترمیم شونده را بررسی می کنیم.

روش مبتنی بر کپسول

در برخی از روش های ساخت بتن خود ترمیم شونده، برخی مواد خاص (مانند الیاف یا کپسول) که حاوی مقداری مایعات چسبنده هستند، در مخلوط بتن پخش می شوند. هنگامی که بتن ترک می خورد، الیاف یا کپسول ها شکسته می شوند و مایع موجود در آنها بلافاصله ترک را ترمیم می کند.

روش مبتنی بر باکتری

باکتری های مختلفی از جمله باکتری Bacillus pasteuri، که یک باکتری غیربیماری زا است که معمولا در خاک یافت می شود، برای این منظور استفاده می شوند. باکتری ها در ماتریکس سخت شده مبتنی بر سیمان تا زمانی که یک ترک ایجاد شود، نهفته هستند. هنگامی که ترک تشکیل شد، اکسیژن، آب و سایر مولکول ها در دسترس باکتری ها قرار می گیرند. برخی موارد به کار رفته در بتن حاوی مواد غذایی برای رشد این باکتری ها هستند که سبب می شود باکتری ها به دنبال رشد، کربنات کلسیم تولید کنند. این کربنات کلسیم برای پر کردن شکاف های ماتریس خمیر سیمان به کار می رود. هنگامی که ترک ها با کربنات کلسیم پر می شوند، بسته شده و بتن ترمیم می شود.

استفاده از آنزیم کربنیک انیدراز

همان طور که ذکر شد برخی از بتن های خود ترمیم شونده، از باکتری برای تعمیر خود استفاده می کنند، اما این روند کند است. به معنای دیگر، اصلاح ترک ها با این روش، در یک بازه زمانی معقول واقعاً عملی نیست. باکتری ها نیز گران هستند و می توانند مشکلات ایمنی ایجاد کنند. روش های جدید، بر آنزیم هایی که از گلبول های قرمز مشتق شده اند متمرکز هستند.

برای پیدا کردن جایگزین باکتری، متخصصان از چگونگی پردازش CO2 توسط بدن انسان الهام گرفته اند. ما اکسیژن را استنشاق می کنیم و CO2 را در بازدم بیرون می دهیم. بنابراین فرآیند انتقال CO2 از سلول ها به گلبول های قرمز موجود در رگ های خونی باید خیلی سریع انجام شود. در این میان، «کربنیک انیدراز» آنزیمی در گلبول های قرمز است که CO2 را از سلول ها به جریان خون منتقل می کند. این آنزیم می تواند منشاء تحول عظیمی برای تولید بتن خود ترمیم شونده باشد.

هنگامی که آنزیم به پودر بتن اضافه می شود، به ماده کمک می کند تا CO2 موجود در جو را به کریستال های «کربنات کلسیم» تبدیل کند. هر زمان که یک ترک کوچک ایجاد شود، کربنات کلسیم آن را پر می کند. با این آنزیم، یک ترک در مقیاس میلی متری را می توان در عرض یک روز پر کرد و از ایجاد ترک های بزرگ تر هم جلوگیری کرد. فرآیند مشابهی را می توان برای اصلاح ترک های بتن سنتی نیز به کار برد. برای این کار، محلولی را روی بتن اسپری می کنند که از این آنزیم، آب و کلسیم تشکیل شده است. با اضافه کردن CO2، شکاف ها در عرض چند دقیقه پر می شوند. با این حال اگر از CO2 محیط استفاده کنیم، برای بهبود ترک ها زمان بیشتری نیاز است.

چرا استفاده از بتن خود ترمیم شونده مهم است؟

همه آژانس ها، مهندسان و پیمانکاران می دانند که بتن ترک می خورد؛ این اجتناب ناپذیر است. ترک ها ممکن است از اندازه کوچک و حتی میکروسکوپی شروع شوند، اما با گذشت زمان، به تدریج بزرگ و بزرگ تر می شوند. شکاف گسترده در بتن، نه تنها مقاومت آن را کاهش می دهد، بلکه نفوذپذیری آن را نیز افزایش می دهد. افزایش نفوذپذیری می تواند اثرات مخربی بر آرماتورهای فولادی (میلگرد) تعبیه شده در بتن داشته باشد. با افزایش نفوذپذیری در بتن، مولکول های بیرونی می توانند وارد ماتریس شوند و در نهایت به میلگرد برسند. سپس ماتریس آسیب دیده به میلگرد اجازه می دهد تا خورده شود. همان طور که میلگرد فولادی خورده می شود، منبسط شده و باعث ترک خوردن و ریزش بیشتر بتن می شود. این روند تخریبی ادامه پیدا می کند تا به تخریب کامل منتهی شود.

بتن تخریب شد باید عوض شود و این نیازمند صرف هزینه زیادی است. از این گذشته، همان طور که در ابتدای مقاله ذکر کردیم این تعویض با اثرات زیست محیطی زیادی (مانند تولید آلاینده ها) همراه است. بنابراین تولید بتن خود ترمیم شونده می تواند راه نجانی برای صنعت تولید بتن محسوب گردد.

سخن آخر

بتن خود ترمیم شونده یکی از فناوری های نوین در صنعت ساختمان سازی است که با قابلیت منحصر به فرد خود می تواند ترک های ایجادشده در سطح بتن را به صورت خودکار ترمیم کرده و از گسترش آن ها جلوگیری کند. این نوع بتن با بهره گیری از روش های مختلفی مانند استفاده از باکتری های خاص، مواد پلیمری، میکروکپسول های حاوی مواد ترمیم کننده یا واکنش های شیمیایی خاص، قادر است در طول زمان به بازسازی ترک های ریز و افزایش دوام و طول عمر سازه های بتنی کمک کند.

هرچند بتن خود ترمیم شونده یک فناوری جدید محسوب می شود، اما همچنان در مرحله تحقیقات و توسعه قرار دارد. محققان در حال بررسی روش های گوناگون برای بهینه سازی عملکرد این بتن ها و کاهش هزینه های تولید آن هستند تا در آینده بتوان از این فناوری به صورت گسترده در پروژه های عمرانی و زیرساختی استفاده کرد. با پیشرفت های بیشتر در این حوزه، انتظار می رود که این بتن جایگزین روش های سنتی ترمیم بتن شده و تحولی اساسی در صنعت ساخت وساز ایجاد کند.