شاید تا دیروز اگر به کسی گفته می‌شد بتن‌هایی تولید می‌شوند که می‌توانند خودشان را ترمیم کنند، این صحبت را شبیه به معجزه می‌دید، اما امروزه شاهد هستیم که این رویا تبدیل به واقعیت شده است. بتن‌هایی در حال تولید هستند که فناوری‌های پیشرفته توانایی ترمیم خودکار خود را دارند که آنها را با نام بتن خودترمیم‌شونده (Self-healing concrete) می‌شناسیم. در این مقاله از مجله معماری کیان برنا به معرفی و بررسی این نوع از بتن‌ها خواهیم پرداخت و فناوری‌های استفاده شده در آن را شرح می‌دهیم. پس با ما همراه باشید.
مشکلات اساسی در ساختار بتن
همانطور که می‌دانید بتن سخت‌ترین ماده برای ساخت سازه‌های مختلف است. بتن در صورت اعمال تنش‌های فشاری بسیار مقاومت نشان می‌دهد، اما در صورت ایجاد تنش‌های برشی و کششی، دچار ترک می‌شود. این امر می‌توانید باعث کاهش طول عمر سازه‌ها شود.
بتن پس از ترک خوردن در مجاورت با آب‌وهوا و عوامل خورنده، ساختار اصلی آن به مرور زمان دچار شکاف‌های بیشتری می‌شود تا جایی که این شکاف‌ها به آرماتور اصلی می‌رسد. این امر اتفاق باعث می‌شود تا به ساختار اصلی آرماتور آسیب وارد شود و سازه استحکام خود را از دست بدهد.
ترک‌خوردگی بتن می‌تواند نتایج گوناگونی از جمله نشست سازه، نفوذ رطوبت در سطح بتن، اعمال بار سنگین و مشکلات دیگری داشته باشد که نمی‌توان از تمامی آنها جلوگیری کرد. در نتیجه نیاز به بتنی که بتواند به‌صورت خودکار ترک‌ها را ترمیم کند در ساخت سازه احساس شد.
همچنین تولید، تعمیر و حمل‌ونقل بتن به مصرف انرژی زیادی نیاز دارد. طبق یک برآورد، این ماده حدود 9 درصد از انتشار CO2 در جهان یعنی بیش از سه برابر صنعت هواپیمایی را به خود اختصاص داده است. پس چه بهتر که بتنی تولید شود که عمر و دوام بالاتری داشته باشد.
بتن خودترمیم‌شونده یا بیو-بتن (Bio-Concrete)
همانطور که گفتیم صنعت ساخت‌وساز به بتن‌هایی که بتوانند خود را ترمیم کنند نیاز پیدا کرد. در نتیجه محققان و دانشمندان دست به کار شده و بتنی تولید کردند که می‌تواند خود را مانند پوست انسان ترمیم کند.
برخلاف تصور عموم، بتن به خودی خود می‌تواند ترک‌های کوچک خود را ترمیم کند. این امر با هیدراتاسیون مواد معدنی و کربناته شدن هیدروکسید کلسیم انجام می‌شود. تمامی این بهبودهای طبیعی در صورت وجود آب به جریان می‌افتند و ترک‌های بسیار ریز بتن را می‌پوشانند. اما صنعت به بتنی نیاز دارد که بتواند ترک‌های بزرگ‌تر را نیز ترمیم کند. همچنین این ترک‌های بزرگ باید در زمان کم و کنترل شده ترمیم شوند تا مشکل سازه‌های بتنی حل شود. در نتیجه دانشمندان راه‌حل‌هایی متنوع برای ساخت بتن خودترمیم‌شونده ارائه کردند. این بتن‌ها می‌توانند در صورت ایجاد ترک با استفاده از مکانیزم‌های مخصوص به‌صورت خودکار شروع به ترمیم کنند.
نحوه عملکرد بتن خودترمیم‌شونده
بتن خودترمیم‌شونده نوعی سیستم اصلاح‌شونده خودکار است که با میکروارگانیسم‌های تولیدکننده سنگ آهک (باکتری) کار می‌کند. اگر باکتریها با اکسیژن و آب تماس پیدا کنند، مواد مغذی را به کربنات کلسیم (سنگ آهک) تبدیل می‌کنند؛ این یعنی ترک‌ها پر می‌شوند و بتن ضد آب باقی می‌ماند. این روند می‌تواند بارها و بارها خود را تکرار کند و به تعمیرات دستی ترک‌ها هم نیازی وجود نخواهد داشت.
هنگامی که ترک‌ها در بتن ظاهر می‌شوند، باکتریها و مواد مغذی خاص انتخاب شده، یک سیستم ترمیم خودکار مستقل را تسهیل می‌کنند. تکنیک و زمان افزودن باکتری به محصول انتخابی بستگی دارد. باکتریها در تماس با آب و اکسیژن فعال می‌شوند که به دلیل تشکیل ترک اولیه وجود دارد. باکتریها به درجه قلیایی خاصی نیاز دارند که عموماً توسط خود بتن ایجاد می‌شود.
با افزودن آب، اکسیژن و مواد مغذی، باکتریها شروع به تکثیر می‌کنند. این امر پراکندگی گسترده‌ای از باکتریها را در کل ترک ایجاد می‌کند. باکتری‌هایی که به‌طور گسترده پراکنده شده‌اند شروع به تبدیل مواد مغذی موجود به کربنات کلسیم (سنگ آهک) می‌کنند که درنهایت شکاف را مسدود می‌کند. به دلیل تشکیل سنگ آهک، ترک به‌طور مستقل ترمیم می‌شود و دوام سازه بتنی را افزایش می‌دهد.
روشهای تولید بتن خودترمیم‌شونده
تکنولوژی ساخت بتن خودترمیم‌کننده در طی سال‌های اخیر تغییرات بسیاری کرده است. از روشهای تولید این بتن می‌توان به استفاده از کپسول‌هایی با مایعات چسبنده تا استفاده از آلیاژ‌های حافظه‌دار شکل اشاره کرد. در ادامه با دو فناوری کاربردی برای تولید بتن خود ترمیم‌شونده آشنا خواهیم شد.
بیشتر بخوانید: نوآوری‌های صنعت بتن
بتن خودترمیم‌شونده با استفاده از باکتریها
روش رایج تولید بتن خوددرمانگر با کمک میکروارگانسیم‌های تولیدکننده سنگ آهک صورت می‌پذیرد. این میکروارگانیسم‌ها در کپسول‌های سخت با کمک فناوری نانو در ذرات تشکیل‌دهنده بتن جای می‌گیرند. در زمان شکست یا ترک بتن، این باکتریها نیز از کپسول‌های خود خارج می‌شوند.
باکتریها در مجاورت با اکسیژن و آب کربنات کلسیم یا سنگ آهک تولید می‌کنند. این باکتریها که «باسیلوس» نام دارند، با ماده‌‌ای به نام «لاکتات کلسیم» عمل می‌کنند و می‌توانند تا حدود 200 سال در ساختار بتن عمر کنند.
نکته مهم در این عملیات ساخت ساختار آهکی برای پر شدن ترک‌ها، استفاده از اکسیژن توسط باکتریها است. این امر باعث می‌شود تا اکسیژن به ساختار اصلی فولادی نرسد و باعث زنگ‌زدگی نشود.
بتن خودترمیم‌شونده با الگوبرداری از بدن انسان
نیما رهبر دانشیار مهندسی عمران و محیط زیست در موسسه پلی‌تکنیک ورچستر ماساچوست نظریه‌ای جدید در زمینه این نوع بتن‌ها بیان کرده است. در این نظریه، او به بررسی میزان انتشار دیاکسید کربن در استفاده از بتن پرداخته و چنین بیان کرده که استفاده از باکتریها گران‌قیمت و زمان ترمیم آنها بالا است؛ در نتیجه به فکر الهام گرفتن از بدن انسان برای تولید این نوع بتن افتاد.
این امر باعث شد تا محققان به فکر فناوری جدیدی برای ساخت بتن خودترمیم‌شونده باشند که با محیط زیست نیز سازگاری بیشری داشته باشد. در این‌بین سوزانا اسکارلاتا یکی از همکاران بیوشیمی رهبر، ایده استفاده از «کربنیک انیدراز« را ارائه کرد. این آنزیم وظیفه انتقال دیاکسید کربن از سلول‌ها به جریان خون را در بدن انسان برعهده دارد.
این ایده باعث شد تا تحول عظیمی در ساخت بتن خودترمیم‌شونده ایجاد شود. وقتی آنزیم کربنیک انیدراز در ساختار بتن قرار بگیرد، با کوچکترین ترکی فعال می‌شود و دیاکسید کربن موجود در هوا را به کریستا‌ل‌های کربنات کلسیم تبدیل می‌کند.
با این فناوری، کوچکترین ترک‌ها در ساختار بتن در عرض یک روز ترمیم می‌شوند و از ایجاد ترک‌های بزرگ جلوگیری خواهد شد. همچنین برای بتن‌هایی با فناوری تولید سنتی می‌توان محلولی حاوی این آنزیم، آب و کلسیم تولید کرد که در صورت ایجاد ترک در آنها با اسپری محلول امکان ترمیم ترک وجود داشته باشد.
مزایای استفاده از بتن خودترمیم‌شونده
بتن خودترمیم‌شونده برای حل مشکلات استحکامی بتن تولید شده است. ساختار بتن‌های خودترمیم‌شونده بسیاری از معضلات را در ساخت سازه‌های بتنی برطرف کردند که این حل مشکلات را می‌توان به‌‌عنوان مزیت اصلی این نوع بتن درنظر گرفت. از این مزایا می‌توان به موارد زیر نیز اشاره کرد:
- ترمیم به‌صورت خودکار: ترمیم خودکار این نوع بتن می‌تواند هزینههای تعمیر و نگهداری سازه مخصوصاً نمای بتنی را به صفر برساند.
- جلوگیری از نفوذ آب: یکی از بزرگترین مشکلاتی که می‌تواند برای سازه‌ای بتنی اتفاق بیفتد، رسیدن آب به هسته فولادی اصلی و آرماتور است. این امر باعث می‌شود تا سازه به‌سرعت استحکام خود را از دست بدهد. بتن‌های خودترمیم‌شونده با جلوگیری از ایجاد ترک، مانع نفوذ آب می‌شوند و احتمال اکسید شدن هسته فولادی را توسط آب به صفر می‌رسانند.
- حفظ استحکام پس از ترمیم: این امر بدین معناست که بتن خودترمیم‌شونده در صورت ترمیم ترک همچنان استحکام اولیه خود را حفظ می‌کند و می‌تواند تمام تنش‌های مکانیکی را تحمل کند.
- افزایش طول عمر سازه: عمر سازه‌های بتنی به‌شدت به استحکام بتن وابسته است. بتن‌های خودترمیم‌شونده با حفظ استحکام می‌توانند طول عمر سازه را به مقداری بالایی افزایش دهند.
معایب استفاده از بتن‌های خودترمیم‌کننده
تا به اینجا بیشتر به مزایا و کمک‌های بتن خودترمیم‌شونده در ساخت سازه‌ها اشاره کردیم، اما این امر بدین معنا نیست که این بتن‌ها بدون عیب هستند. از مشکلات و معایب بتن‌های خودترمیم‌شونده می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- هزینههای بالا: فرایند ساخت و تولید بتن خودترمیم‌شونده بسیار هزینه‌بر است. درنتیجه ممکن است استفاده از این نوع بتن در هر پروژه‌ای صرفه اقتصادی نداشته باشد.
- ترمیم‌های محدود: بتن‌های خودترمیم‌شونده بیشتر در ترمیم ترک‌های کوچک و سطحی توانایی دارند، اما نمی‌توانند ترک‌های عمیق و بزرگ را به‌خوبی ترمیم کنند. در نتیجه در زمان ایجاد ترک‌های عمیق با محدودیت‌هایی مواجه خواهیم بود.
- احتمال واکنش با گاز‌ها: به‌طور معمول موادی که برای خودترمیمی بتن به آن اضافه می‌شود ممکن است در مواجهه با گازهای مختلف از خود واکنش نشان دهند. این واکنش‌ها می‌تواند خاصیت‌های بتن خودترمیم‌شونده را از بین ببرد و باعث آسیب به سازه شود.
- پایداری زمانی: بتن خودترمیم‌شونده نمی‌تواند تا ابد خاصیت خود ترمیمی خود را حفظ کند. عواملی مانند رطوبت هوا، تنش‌های مکانیکی مختلف و تغییرات دما می‌توانند باعث کاهش خاصیت خودترمیمی این نوع بتن شود.
- مشکلات اجرائی: این نوع بتن‌ها نیازمند فناوری‌ها تکنولوژی‌های پیشرفته برای ساخت و تولید هستند که همیشه دسترسی به این فناوری‌ها ممکن نیست؛ در نتیجه در زمان ساخت سازه امکان دارد با مشکلات اجرائی روبه‌رو شویم.
پیشنهاد مطالعه: بتن الیافی چیست؟
سخن پایانی
فناوری‌های جدید باعث افزایش استحکام ساختمان‌ها و سازه‌های متفاوت خواهند شد. یکی از این فناوری‌ها بتن خودترمیم‌شونده است که با استفاده روشهای مختلفی از جمله استفاده از باکتریها یا کمک گرفتن از آنزیم‌ها ترک‌های ایجاد شده را ترمیم می‌کند. این امر باعث می‌شود تا طول عمر سازه‌ها افزایش داشته باشد و استحکام آنها در طولانی‌مدت حفظ شود. ایده ساخت این بتن‌ها باعث می‌شود تا در آینده‌ای نه چندان دور بتن‌هایی با قابلیت خودترمیمی ترک‌های بزرگ با استحکام بسیار بالا داشته باشیم.
همچنین ممکن است با گذشت زمان روشهای ارزان‌‌قیمت برای ساخت این نوع از بتن معرفی شود تا بتوان در هر سازه‌ای برای استحکام و ماندگاری بیشتر، از بتن خودترمیم‌شونده استفاده کنیم.
منابع: buildersmart.in | en.wikipedia.org | gccassociation.org | fastcompany.com
