یکی از پرکاربردترین مصالحی که سالیان سال است در انواع پروژه های عمرانی و ساخت و ساز استفاده می شود، بتن می باشد. بتن به دلیل سختی و استحکام مناسبی که دارد می تواند مانند فلزات مقاومت بالایی در برابر نیروهای وارد شده بر سازه از خود نشان دهد. از طرفی خود مهندسین محقق دائماً در تلاش هستند تا بتوانند ویژگی های این مصالح را بهبود بخشند. یکی از انواع بتن هایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد، بتن خود ترمیم شونده است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شویم.
تفاوت بتن خود ترمیم شونده با بتن های معمولی در ترکیبات آن است. در این بتن ها نوعی ذرات نانو با ویژگی های منحصر به فرد به نام نانو تیوب کربن (Carbon Nano Tubes) وجود دارد. اضافه کردن حتی مقدار کمی از این ماده به بتن خواص مکانیکی بتن هایی را که از دو فاز اصلی سیمان پرتلند و آب تشکیل شده اند را بهبود داده و به بتن خاصیت خود ترمیمی نیز خواهد داد. با این که اکنون از بتن خود ترمیم شونده در برخی پروژه ها استفاده می شود، اما هنوز محققان در حال بررسی تأثیرات مثبت این ذرات در بتن ها هستند.
تاریخچه استفاده از ذرات نانو لوله های کربنی (CNT) که نوعی کربن محسوب می شود به سال 1952 در روسیه بر می گردد؛ اما در آن زمان به خوبی نتوانستند تأثیرات این مواد را کشف کنند و به همین دلیل هم خیلی زود فراموش شد. با این حال مجدداً در سال 1990 این ذرات وارد حلقه تکنولوژی نانو شدند. به طور کلی نانو تیوب ها در فرم های استوانه ای و به صورت تک جداره و چند جداره در طول های متغیر برحسب میلیمتر تولید می شوند. عیب بزرگ این مواد خاصیت جاذبه مولکولی بین دسته های نانو و تنه اصلی مواد است. در واقع اتصال نانو تیوب ها به صورت رشته ای بوده و این موضوع باعث عدم چسبندگی کافی بین آنها و بتن می شود.
استفاده از بتن ها در انواع پروژه های ساختمانی و عمرانی به دلیل ویژگی های بسیار عالی این مواد می باشد. از جمله این ویژگی ها میتوان به مقاومت بالا، شکل پذیری بسیار عالی بتن، مواد سازنده بسیار ساده و قابل دسترس، مقاومت بالا در برابر افزایش دما و عمر مفید طولانی آن اشاره کرد؛ اما بتن ها در کنار این همه ویژگی های منحصر به فرد، یک عیب بزرگ هم دارند و این عیب نیاز آنها به نگهداری است.
در واقع با اینکه بتن مقاومت فشاری بالایی دارد، در برابر نیروهای کششی ضعیف است. در نتیجه زمانی که نیروهای کششی به آن وارد می شوند، دچار تغییر حالت شده و احتمال ترک خوردگی وجود دارد. ترک ها در ابتدا می توانند آنقدر ریز باشند که حتی نتوانیم با چشم غیرمسلح آنها را ببینیم، اما رفته رفته گسترش پیدا کرده و در نهایت منجر به از هم گسیختگی بتن می شود. در گذشته ترمیم بتن های ترک خورده از طریق نیروهای انسانی و به سختی انجام می شد که در کنار وقت و پول زیادی که برای آن می گذاشتند نمی توانستند ترک ها را به طور کامل از بین ببرند و تنها احتمال خطر گسیختگی را کاهش می دادند. به همین دلیل به دنبال ساخت بتن خود ترمیم شونده رفتند تا این مشکل حل شود. بتن خود ترمیم شونده به شکل امروزی برای اولین بار در سال 2015 توسط محققان هلندی تولید شد که به آن زیست بتن نیز می گویند. این محققان توانستند با تلفیق علوم مهندسی عمران و زیست شناسی دریایی این محصول را تولید نمایند.
مهمترین تفاوت بین بتن معمولی و بتن خود ترمیم شونده همان قابلیت خود ترمیمی می باشد که در بتن معمولی وجود ندارد. با این حال این دو نوع بتن تفاوت های دیگری هم دارند؛ به عنوان مثال استفاده از تکنولوژی های خاص در بتن های خود ترمیم شونده باعث افزایش مقاومت فشاری و مقاومت خمشی بتن می شود. همچنین این دو نوع بتن از نظر قیمت بسیار با هم متفاوت هستند.
خود ذراتی که باعث ایجاد ویژگی خود ترمیم شوندگی در بتن می شوند، متفاوت هستند. نانو تیوب های کربنی که برای این نوع بتن ها مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
فیبرهای تو خالی برای اولین بار در سال 1992 توسط دانشمندانی به نام درای و سوتوس کشف شدند. آنها متوجه شدند که این ماده می تواند یک سری مواد شیمیایی ذخیره شده را در بین فیبرهای توخالی آزاد کند. در نتیجه با اضافه کردن آن به سیمان می توان میزان نفوذپذیری، انعطاف پذیری، جلوگیری از خوردگی و از همه مهمتر خاصیت ترمیم شوندگی سیمان و بتن را به طور قابل توجهی بهبود داد. در این نوع بتن ها پدیده کبود شدگی در موجودات زنده در بتن شبیه سازی می شود. این کار را با استفاده از یک سری رنگ های فلورسنت و جاری کردن آنها در میان الیاف بتن انجام می دهند. در نتیجه خود این رنگ وظیفه تشخیص محل آسیب دیده را دارد. به این شکل که بعد از تشخیص محل آسیب عامل ترمیم از فیبر نازک توخالی آزاد شده و با پر کردن ترک های ایجاد شده، آ‌ها را ترمیم می کند. بنابراین مکانیزم ترمیم ترک های بتن از طریق فیبرهای توخالی در مراحل زیر انجام خواهد شد:
اگر بخواهیم به صورت دقیق تر عملکرد این سیمان های مهندسی را بررسی کنیم به این شکل است که کامپوزیت ها به عنوان حسگر عمل می کنند و در صورت کرنش جزئی در محل ترک آن ها را شناسایی کرده و به بخش ترمیم پیام ارسال می کنند. این شرایط دقیقاً مانند عملکرد نرون ها در بدن جانداران در هنگام زخم و جراحت است. بعد از فرستادن پیام ایجاد ترک، مقاومت الکتریکی و درنتیجه دما افزایش پیدا کرده و با ذوب پوسته محتوی عامل ترمیم، ترک ها از بین میروند. از آنجایی که طراحی این سیستم بر اساس آزاد شدن انرژی گرمایی محبوس شده در هنگام ایجاد ترک است، بسیار حساس می باشد. باید شرایطی را فراهم کرد که این افزایش دما در بتن خود ترمیم شونده منجر به تبخیر آب درونی و در نهایت پاشیدن ساختمان از هم نشود. در تحقیقاتی که برای بهبود این عامل ترمیم کننده انجام شده است، به این نتیجه رسیده اند که اضافه کردن مقدار مشخصی از پوزولان خاکستر بادی به سیمان مهندسی می تواند تا حد زیادی این مشکل را رفع کند.
خاکستر بادی با هیدروکسید کلسیم Ca(OH)2 که فرایند واکنش هیدراتاسیون سیمان تولید می شود واکنش می دهد که نتیجه آن تولید یک ماده ژل مانند و سفید رنگ است که می تواند به راحتی ترک های مویی را به هم وصل کرده و عامل ترمیم کننده باشد. به همین دلیل از این نوع بتن برای حفاظت از بتن های مسلح به خصوص در محیط هایی مانند محیط های کلریده که احتمال خوردگی مواد بتن بیشتر است و امکان نفوذ مواد مضر به داخل بتن از طریق ترک های ریز و در نهایت خوردگی آرماتورهای موجود در آن وجود دارد، استفاده می شود. این بتن ها حتی بعد از ترک خوردن مانند بتن های معمولی مقاومت خود را از دست نداده و می توانند تغییر شکل و کرنش های کششی را به خوبی تحمل کنند.
الگوی اصلی استفاده از میکرو کپسول های پر شده برای بتن خود ترمیم شونده نقش گلبول های قرمز در لخته شدن خون و ترمیم زخم و جراحت است. در این روش کپسول هایی که حاوی مواد نانو تیوب ترمیم کننده هستند به بتن تزریق خواهد شد. این کپسول ها دارای شکل های کروی و نازک هستند که با مایع ترمیم کننده Agent Healing پر شده اند و اصولاً از نوع Dicyclopentadiene می‌باشند. زمانی که کپسول‌ها با ترک‌های ایجادشده در بتن برخورد می‌کنند می‌شکنند و عامل‌ترمیم به داخل ترک رها می‌شود و با کاتالیزور برخورد خواهد کرد. به این شکل عمل پلیمریزاسیون انجام شده و با تشکیل ماده ای بسیار سخت ترک ترمیم خواهد شد. در واقع واکنش بیت عامل ترمیمی و کاتالیزور بتن را ترمیم و از عمیق شدن ترک جلوگیری می کند.
همیشه خرابی یک سازه بتنی از ایجاد ترک های ریز، گسترش آنها و عریض شدنشان شروع می شود. اگر بخواهیم از میکرو کپسول ها برای ترمیم خود به خودی بتن استفاده کنیم باید از کپسول های کوچک با ابعاد 100 میکرومتر استفاده نماییم. این کپسول ها در همان زمان شروع ایجاد ترک، ترک های ریز را ترمیم کرده و از عمیق شدن و خرابی بتن جلوگیری می کنند. جداره این میکرو کپسول ها بسیار نازک در نظر گرفته می شود تا به محض ایجاد ترک کپسول ها به راحتی شکسته شده و عامل ترمیم را آزاد نماید. مزایای استفاده از این روش عمر مفید طولانی، تکمیل پلیمریزاسیون تنها در چند دقیقه و پر شدن سریع ترک های عرضی می باشد.
روش دیگری که در آن از ترکیب مواد طبیعی و نانو برای خود ترمیمی بتن استفاده می شود، استفاده از باکتری است. در واقع در این روش با کمک نوع خاصی از باکتری ها که در طبیعت زندگی می کنند و قادر به زندگی در محیط بسیار قلیایی بتن نیز هستند، خاصیت ترمیم شوندگی را به بتن القا می کنند. این باکتری ها شامل دسته هایی از هاگ های پر تحمل باکتری متعلق به گروه باسیل ها می باشند. نوعی از این باکتری ها باسیلوس نام دارند که بیشتر در دریاچه های قلیایی در کشورهای روسیه و مصر به مدت طولانی زیسته اند.
این باکتری ها به همراه یک منبع تغذیه ای در گلوله های کوچک سرامیکی قرار گرفته و به شکل سوسپانسیون در آب بتن ریخته می شوند تا به صوت ناگهانی در مخلوط بتن خیس فعال نشوند. عملکرد این گوی های سرامیکی برای ترمیم بتن مانند میکرو کپسول ها می باشد و در صورت تزریق آب به بتن قابلیت خود ترمیمی بتن فعال می شود. در نتیجه باکتری ها تا زمانی که ترکی در بتن ایجاد شود، به شکل پیش فعال یا اصطلاحاً در حالت خواب در بین بتن باقی خواهند ماند. در صورت ایجاد ترک و گسترش آن و نفوذ آب به مقطع، این باکتری ها فعال شده و با ترکیبات بتن واکنش می دهند. نتیجه این واکنش ها تولید رسوب سخت کربنات کلسیم است که از طریق آن منافذ ترک بسته می شوند.
لازم به ذکر است که تا قبل از کشف این نوع باکتری ها برای ترمیم بتن از محصولات باکتری معدنی برای ترمیم ترک در بتن استفاده می شد. عیب این مواد این بود که برای فعال سازی در محل آسیب دیده نیاز به تهویه دستی توسط نیروی انسانی داشتند. همچنین در اثر واکنش با بتن ماده بسیار سمی آمونیاک تولید می کردند که به همین دلیل استفاده از آنها ادامه پیدا نکرد.
این نوع بتن در مقایسه با بتن معمولی عیب خاصی ندارد و میتوان گفت تنها عیب آن هزینه بالاتر بتن خود ترمیم شونده نسبت به بتن معمولی است. با این حال با توجه به اینکه در طولانی مدت هزینه تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد و عمر سازه نیز طولانی تر خواهد شد، باز هم توجیه اقتصادی دارد.
جمع بندی
همان طور که ملاحظه کردید استفاده از بتن خود ترمیم شونده می تواند بسیاری از نگرانی های کارفرمایان و مهندسین اجرایی در مورد ایجاد ترک ها و آسیب رسیدن به سازه های بتنی را از بین ببرد. به علاوه حالت هوشمند این بتن ها خطاهای انسانی را کاهش داده و به ما اطمینان می دهد که همه ترک ها تشخیص داده شده و ترمیم می شوند. از طرفی در کنار خود ترمیمی خواص ویژه ای به بتن داده می شود که از نظر سازه ای اهمیت بالایی دارد. امروزه بتن های خود ترمیم شونده جایگاه ویژه ای در میان مهندسین سازه برای افزایش مقاومت و پایداری سازه پیدا کرده اند. به خصوص در برخی پروژه های بزرگ که هزینه زیادی برای آن در نظر گرفته می شود استفاده از این بتن اجتناب ناپذیر است.