بتن های خود ترمیم شونده: آینده ای که در آن ترک ها خودشان را درمان می کنند

تصور کنید پل های بزرگراهی بدون دخالت کارگران ساختمانی، شکاف های خود را ترمیم کنند. این ایده تخیلی نیست در آزمایشگاه های مهندسی مواد، دانشمندان با تلفیق زیست شناسی و عمران به فرمول جدیدی رسیده اند. محصولی که با نام بیو بتن شناخته می شود، طول عمر سازه ها را به شکل چشمگیری افزایش می دهد.

استفاده از تکنولوژی های نوین در صنعت ساختمان، یکی از مباحث داغ در رسانه های تحلیل فناوری نظیر غرب پرس است در این فرآیند، مخلوط بتن معمولی با میکروارگانیسم های خاصی ترکیب می شود تا پس از وقوع آسیب، واکنشی زیستی آغاز گردد. ترک ها شروع بحران هستند.

وقتی آب باران همراه با دی اکسید کربن به اعماق شالوده های بتنی نفوذ می کند، میلگردهای فولادی دچار زنگ زدگی ساختاری شده و کل پایداری سازه در یک بازه زمانی پانزده ساله با تهدید جدی سقوط مواجه می شود.

بتن خود ترمیم شونده چیست و چگونه کار می کند؟

بتن خود ترمیم شونده متریالی ساختمانی است که با بهره گیری از کپسول های حاوی باکتری و مواد مغذی، ترک های ایجاد شده در اثر بارگذاری یا تغییرات دما را بدون نیاز به تعمیرات خارجی پر می کند. این فرآیند شباهت زیادی به مکانیسم ترمیم پوست انسان پس از جراحت دارد. وقتی ترک برمی دارد، هوا و رطوبت نفوذ می کنند. باکتری ها فعال می شوند.

آن ها در مجاورت آب، کلسیم لاکتات موجود در مخلوط را مصرف کرده و آن را به کربنات کلسیم یا همان سنگ آهک تبدیل می نمایند. سنگ آهک تولید شده، شکاف را در مدتی حدود ۲۰ تا ۲۸ روز کاملا مسدود می کند.

بسیاری از مهندسان عمران می پرسند که آیا این باکتری ها زنده می مانند؟ بله، زنده می مانند. بقای باکتری ها در چنین محیطی یک شاهکار مهندسی زیستی است. محیط داخلی مخلوط سیمانی قلیایی بوده و سطح pH آن معمولا بین ۱۱.۵ تا ۱۳ متغیر است. بیشتر موجودات زنده در این میزان اسیدیته بلافاصله از بین می روند.

پژوهشگران برای حل این مشکل از باکتری های سرده Bacillus (مانند Bacillus pseudofirmus یا Sporosarcina pasteurii) استفاده می کنند.

این باکتری های اسپورزا قادرند در شرایط سخت و بدون آب و اکسیژن، تا ۲۰۰ سال به صورت غیرفعال یا خواب زمستانی زنده بمانند. آن ها درون کپسول های رسی یا شیشه ای ریز جاسازی می شوند تا در مرحله اختلاط اولیه آسیب نبینند.

بررسی سناریوی واقعی: وقتی آب به ترک های میکرومتری نفوذ می کند

یک پایه پل را در نظر بگیرید که روزانه هزاران خودرو سنگین از روی آن عبور می کنند. تنش های مداوم باعث ایجاد ترک های مویی به عرض ۰.۲ میلی متر در بدنه پایه ها می شود در حالت عادی، این آغاز یک تخریب تدریجی است. نفوذ رطوبت، میلگردهای فولادی درون سازه را اکسید کرده و حجم آن ها را افزایش می دهد.

افزایش حجم فولاد زنگ زده فشار داخلی ایجاد می کند و در نهایت لایه های بیرونی تخریب می شوند اما در نسخه هوشمند، ماجرا کاملا متفاوت رقم می خورد.

به محض ایجاد ترک، آب باران به درون شیار نفوذ کرده و دیواره کپسول های حاوی باکتری را می شکند. باکتری های بیدارشده از خواب، اکسیژن و کلسیم لاکتات را مصرف می کنند. این فرآیند نه تنها ترک را با سنگ آهک پر می کند، بلکه اکسیژن موجود در داخل را نیز مصرف می کند. مصرف اکسیژن، احتمال زنگ زدگی آرماتورهای داخلی را کاهش می دهد.

این فرآیند بیوشیمیایی ساده، ساختار داخلی سازه را بدون دخالت انسان تثبیت می کند.

تجربه کارگاهی: چالش های اختلاط در پروژه های واقعی

شاید تصور کنید اضافه کردن باکتری به مخلوط سیمان کار ساده ای است اما واقعیت کارگاه متفاوت است. شرایط فیزیکی کارگاه ها خشن تر از محیط تمیز آزمایشگاه های دانشگاهی است در پاییز گذشته، طی یک پروژه آزمایشی در حومه شهر، مجبور شدیم سه تن مخلوط حاوی میکروکپسول را درون یک تراک میکسر استاندارد تخلیه کنیم. چالش اصلی در اینجا چرخش مداوم پره های میکسر بود.

این پره ها ممکن است دیواره کپسول ها را پیش از بتن ریزی خرد کنند.

سرعت چرخش دیگ را به حداقل ممکن رساندیم. حدود ۴ دور در دقیقه سرعت مناسبی بود. همچنین زمان اختلاط را کوتاه تر کردیم تا کپسول ها سالم به مقصد برسند. این جزییات فنی ریز هستند که مرز بین یک پروژه موفق و یک شکست مهندسی را تعیین می کنند.

اگر دیواره ها زودتر از موعد بشکنند، باکتری ها در حین هیدراتاسیون اولیه سیمان که دمای آن گاهی تا ۶۰ درجه سانتی گراد بالا می رود آزاد شده و پیش از شروع به کار واقعی از بین می روند.

چالش های پیش رو در تجاری سازی این فناوری چیست؟

چرا با وجود این مزایا، استفاده از این متریال در تمام پروژه های شهری رایج نشده است؟ پاسخ در مسائل مالی و رفتارهای مکانیکی نهفته است.

افزودن کپسول های زیستی می تواند مقاومت فشاری اولیه مخلوط سیمانی را تا حدود ۱۰ درصد کاهش دهد برای جبران این کاهش مقاومت، مهندسان ناچارند فرمولاسیون سنگدانه ها و عیار سیمان را تغییر دهند که این امر قیمت نهایی را بالاتر می برد با این حال، در پروژه های حساسی مانند تونل های زیرزمینی، دیوارهای حائل مرطوب و مخازن نگهداری آب، استفاده از این سیستم از نظر اقتصادی توجیه فنی دارد.

گزارش های علمی منتشر شده در پورتال خبری غرب پرس نشان می دهند که کشورهای پیشرو در حال تدوین استانداردهای ملی برای استفاده از مواد خودترمیم شونده در زیرساخت های استراتژیک هستند.

سوالات متداول درباره بتن های هوشمند

آیا باکتری های موجود در مخلوط سیمان برای انسان یا محیط زیست خطرناک هستند؟
خیر، باکتری های مورد استفاده در این تکنولوژی از نوع غیرپاتوژن (غیربیماری زا) بوده و هیچ خطری برای سلامت انسان، حیوانات یا منابع آب زیرزمینی ندارند. آن ها فقط در شرایط خاص سیمان فعال می شوند.

حداکثر عرض ترکی که این فناوری ترمیم می کند چقدر است؟
مکانیسم زیستی کلسیم کربنات برای ترک های مویی تا عرض حداکثر ۰.۸ میلی متر کارایی دارد. شکاف های ساختاری بزرگ تر همچنان به روش های تزریق رزین کلاسیک نیاز دارند.

آیا کپسول های باکتریایی پس از چند سال خراب نمی شوند؟
خیر، آزمایش های شبیه سازی شتاب یافته نشان می دهند که این اسپورها می توانند تا بیش از ۱۰۰ سال در حالت غیرفعال باقی بمانند و هر زمان که رطوبت نفوذ کند، فرآیند را آغاز نمایند.