بتن‌های خودترمیم
ترک در بتن ،پدیده ای رایج است که به علت مقاومت کششی نسبتا کم اتفاق میوفتد.ماندگاری بتن وقتی توسط این ترک ها کم میشود که آنها مسیر روان و اسانی برای عبور مایعات و گازهای حاوی مواد مضر،مهیا کنند .در حالیکه ترک های بزرگتر مانع بی عیبی ساختاری میشوند؛ ترک های کوچکتر نیز میتوانند باعث ایجاد مشکلاتی در دوام و ماندگاری بتن بشوند.وقتی ترک های خیلی ریز، رشد و تقویت پیدا کنند،نه تنها خود بتن مورد حمله قرار میگیرد، بلکه به تدریج توسط مواد شیمیایی دچار فرسایش و خوردگی میشود.پس کنترل پهنای این ترک‌ها و یافتن راهی برای جلوگیری از این اتفاقات بسیار حائز اهمیت است.تعمیر و ترمیم بتن بسیار هزینه‌بر و گاهی غیرممکن است. در این مقاله، ظرفیت ترمیم ترک یک ماده افزودنی شیمیایی خاص، متشکل از مخلوطی از باکتری‌های زیست پذیر اما راکد و ترکیبات آلی که در ذرات خاک رس متخلخل بسته‌بندی شده‌اند، مورد بررسی قرار گرفته است. تکنیک‌های میکروسکوپی در ترکیب با آزمایش‌های نفوذپذیری نشان داد که ترمیم کامل ترک‌ها در بتن باکتریایی و تا حدودی در بتن کنترل رخ داده‌است.طرز کار ترمیم کننده ترک ها در بتن های باکتریایی،از طریق تبدیل متابولیک کلسیم لاکتات به کلسیم کربنات که باعث آب بندی ترک ها میشود؛صورت میگیرد.این ماده بیوشیمیایی،باعث آب بندی ترک های خیلی ریز(سایز0.015 میلیمتر)میشود.[۱]
معرفی[ویرایش]
ایجاد ترک در بتن پدیده ای است که به سختی میتوان به طور کامل از آن جلوگیری کرد.برای مثال؛واکنش های انقباضی ناشی از بتن ریزی و تنش های کششی ،در ساختار اتفاق میوفتد.درحالیکه ترک های بزرگتر مانع بی عیبی بتن و باعث نیاز پیدا کردن بتن به فعالیت های ترمیمی میشوند؛معمولا ترک های کوچکتر(با پهنای کمتر از 0.2 میلیمتر) بدون مشکل در نظر گرفته میشود.[۲] اگرچه میکرو ترک ها بر ویژگی های مربوط به استحکام بتن،تاثیر نمیگذارند؛ولی در میزان تخلخل و نفوذپذیری بتن مشارکت دارند.استفاده از برخی مواد شیمیایی مثل کلرید ها ، سولفات ها و اسیدها ممکن است منجر به طولانی‌تر شدن فرآیند تجزیه ماتریس بتن و خوردگی زودرس فولاد جاسازی‌شده شود و در نتیجه دوام سازه‌ها در دراز مدت را تحت‌تاثیر قرار دهد. مطالعات متعدد نشان داده‌است که سازه‌های بتنی ،ظرفیت مشخصی برای التیام خودکار این ترک‌ها دارند.[۳]
ظرفیت واقعی ترمیم میکروترک ها،در درجه اول،مربوط به ترکیب مخلوط های بتنی است.به ویژه مخلوط‌های با محتوای قیر بالا،خواص درمان ترک قابل‌توجهی را نشان می‌دهند؛که ناشی از آبگیری تاخیری (ثانویه) ماتریکس بتن و ذرات قیر در واکنش با نفوذ آب است.ترمیم خودکار ترک ها،در روش مرسوم ترکیبهای چسبندگی بالا هستند که محدود به ترک هایی با پهنای کمتراز 0.2میلی متر میشوند. محدودیت این اثر تا حدی به دلیل پتانسیل بسیار گسترده ذرات سیمان هیدراته نشده در سطح ترک است. محدودیت دیگر استفاده از مخلوط‌های چسبندگی بالا برای افزایش ظرفیت‌های خود ترمیمی، سیاست‌های جاری هستند که به دلیل پایداری، استفاده گسترده ای از سیمان دارندو چون تولید سیمان باعث تشکیل حدود ۷ % از گاز گلخانه‌ای کربن دی اکسید در سطح جهانی میشود ؛محدودیت استفاده از این مخلوط ها را ایجاب میکند. [۴]
به دلایل مذکور، مکانیزم‌های جایگزین و پایدارتر ضروری هستند. یک مکانیزم ممکن که در حال حاضر؛ در چندین آزمایشگاه مورد بررسی قرار گرفته و توسعه یافته است یک تکنیک مبتنی بر کاربرد باکتری تولید کننده مواد معدنی است.برای مثال آب‌بندی موثر ترک‌های سطحی توسط رسوبات معدنی وقتی مشاهده میشود که مخلوط‌های براساس باکتری‌ها روی سطوح آسیب‌دیده اسپری و یا به صورت دستی وارد ترک‌ها شوند.[۳]
از آنجا که در این مطالعات باکتری‌ها به صورت دستی و خارجی به سازه‌های موجود اعمال میشوند، این نوع ترمیم،در نوع کاملاً خودکار طبقه‌بندی نمی‌شود. بنابراین در بسیاری از مطالعات،امکان استفاده از باکتری‌های زنده به عنوان یک عامل پایدار دربتن های خود ترمیم وجود دارد.[۵]
در یک مطالعه ؛اسپور هایی از باکتری‌های مقاوم به قلیا با جنس باسیلوس به مخلوط بتنی به عنوان عامل خود ترمیمی، اضافه شد. این اسپورها پس از فعال شدن از طریق نفوذ در آب جوانه زدند و مقادیر زیادی از مواد معدنی کربنات کلسیم را از طریق تبدیل ترکیبات آلی اولیه ایجاد کردند که به طور هدفمند، به مخلوط بتن اضافه شدند. با این حال،در این مطالعه مشخص شد که پتانسیل التیام خودکار باکتری‌ها تنها محدود به بتن نسبتا جوان است(7روز درمان یافته) ؛زیرا زنده ماندن و فعالیت مرتبط با اسپورهای باکتری به طور مستقیم (بدون محافظ)در ماتریس بتنی به حدود دو ماه محدود شده‌است. اما این مطالعه، بیشتر براساس نتایج گزارش‌شده در مقاله تحقیقی اخیر است. که در آن ،اسپورهای باکتریایی و ترکیبات اولیه مواد معدنی ،قبل از افزودن به مخلوط های بتنی،در ذرات منبسط و متخلخل رس ،بسته‌بندی میشوند.[۵]
فرض بر این است که حفاظت از اسپورهای باکتریایی درون خاکدانه‌های متخلخل، طول حیات خود را افزایش داده و در نتیجه قابلیت ترمیم خود را هنگامی که در ماتریس ماده تعبیه شده‌است، افزایش می‌دهد.[۵]
باکتری های زنده به عنوان یک عامل خود ترمیم کننده[ویرایش]
باکتری‌های مورد استفاده به عنوان عامل خود ترمیمی در بتن باید برای این کار مناسب باشند. آنها باید قادر به انجام آب‌بندی موثر در طولانی‌مدت (ترجیحاً در کل طول عمر ساخت‌وساز) باشند. مکانیزم اصلی ترمیم باکتریایی ترک این است که باکتری‌ها خودشان به صورت یک کاتالیزور عمل میکنند و یک ترکیب پیش ماده را به مواد پرکننده مناسب تبدیل میکنند. ترکیبات تازه تولید شده مانند رسوبات مواد معدنی کربنات کلسیم، باید به عنوان یک نوع سیمان زیستی عمل کنند که به طور موثر ترک‌های ایجاد شده جدید را آب‌بندی میکنند. بنابراین برای خود ترمیمی موثر،هر دو باکتری و یک ترکیب پیش‌ساز سیمانی باید در ماتریس ماده ترکیب شوند. با این حال؛وجود ماتریکس‌های شامل باکتری های جاسازی‌شده و ترکیبات اولیه ،نباید تاثیر منفی بر سایر ویژگی‌های بتن به دنبال داشته باشند. باکتری‌هایی که میتوانند در برابر حضور ماتریکس بتن مقاومت کنند ،در طبیعت وجود دارند و این باکتری‌ها به گروه خاصی از باکتری‌های مقاوم به قلیا(به فرم اسپور های باکتریایی) وابسته هستند. ویژگی جالب این باکتری‌ها این است که آنها قادر به تشکیل اسپورهایی هستند که دارای سلولهایی کروی با دیواره ضخیم هستند و اینها تا حدی، شبیه دانه‌های گیاهی هستند. این اسپورها زیست پذیر اما راکد هستند و میتوانند تنش‌های مکانیکی و شیمیایی را تحمل کنند و در حالت خشک برای مدت بیش از ۵۰ سال باقی بمانند. (شکل 1)اگرچه هنگامی که اسپورهای باکتریایی مستقیماً به مخلوط بتن اضافه شوند؛طول عمر آنها به مدت یک تا دو ماه محدود میشود.[۴]
کاهش زمان عمر اسپورهای باکتریایی(که در ماتریس سیمانی تعبیه شده) از چندین دهه در حالت خشک به چند ماه،ممکن است به دلیل ادامه آبگیری سیمانی باشد که در نتیجه باعث میشود قطر حفره‌های انحلالی نسبت به اسپورهای باکتریایی(سایز 1 میکرون) بسیار کمتر باشد. نگرانی دیگر این است که آیا اضافه کردن مستقیم ترکیبات پیش ماده زیستی معدنی به مخلوط بتنی منجر به از دست رفتن ناخواسته سایر ویژگی‌های بتن نخواهد شد. در مطالعه قبلی مشخص شد که ترکیبات پیش ماده آلی مختلف، مانند عصاره مخمر،پپتون و کلسیم استات ؛ منجر به کاهش چشمگیر مقاومت فشاری میشود. تنها استثنا برای لاکتات کلسیم موجود بود که در واقع، منجر به افزایش ۱۰ درصدی مقاومت فشاری در مقایسه با نمونه‌های کنترل شد.[۵]
به منظور افزایش چشمگیر طول عمر و عملکرد مرتبط با باکتری‌ها،اثر اسپورهای باکتریایی و همزمان تثبیت ترکیبات پیش ماده زیستی-معدنی (کلسیم لاکتات)در ذرات متخلخل و منبسط رس، مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که حفاظت از اسپورهای باکتری با تثبیت آنها در ذرات متخلخل رس، باعث افزایش طول عمر آنها میشود.(شکل2)[۵]
در حال حاضر اجرای آزمایش‌های زیستی نشان می‌دهد که هنوز پس از شش ماه تلفیق با بتن،هیچ تلفات قوه زیستی مشاهده نشده است که نشان می‌دهد بقای طولانی‌مدت آنها در حالت خشک،هنگامی که در بتن جاسازی نشود، حفظ میشود.در آزمایش‌ها بعدی، ذرات خاک رس منبسط شده با یک عامل ترمیم کننده شیمیایی زیستی دو جزئی، به عنوان ماده افزودنی به مخلوط بتن اعمال شدند تا پتانسیل خود ترمیمی بتن را تست کنند.[۵]
التیام خودکار ترک بتن[ویرایش]
مقایسه بین نمونه‌های باکتریایی(که در آن بخشی از مصالح خرده‌سنگی ،با ذرات رس منبسط شونده با اندازه مشابه با عامل بهبود دهنده بیو شیمیایی ،جایگزین شدند)و نمونه های کنترل(که در آن، ذرات منبسط رس با عامل بیوشیمیایی، بارگذاری نشده بودند)، تفاوت معنی‌داری را در میزان نفوذپذیری و در نتیجه ظرفیت خود ترمیمی نشان داد. در حالی که ترک‌های همه نمونه باکتریایی به طور کامل آب‌بندی شدند ؛۳۳ درصدازنمونه های کنترل، کاملاً بهبود پیدا کردند. بررسی میکروسکوپی ترک‌ها نشان داد که در هر دو نمونه شاهدو نمونه باکتریایی، رسوب کربنات کلسیم اتفاق می‌افتد.[۶]
با این حال،در حالی که در نمونه‌های کنترل ،رسوب تا حد زیادی در نزدیکی لبه ترک رخ داد و قسمت‌های اصلی ترک را ترک کرده بود؛ ترمیم موثر و کامل ترک‌ها در نمونه باکتریایی رخ داد که در اینجا رسوب معدنی عمدتاً در خود ترک رخ داده‌است.(شکل 4)[۶]
نتایج حاصل از این مطالعه نشان می‌دهد که ترمیم ترک بتن باکتریایی، بر پایه ذرات رسی متخلخل بارگذاری شده با باکتری‌ها و لاکتات کلسیم-به عنوان یک ترکیب پیش ماده آلی-معدنی- بسیار کارآمدتر از بتنی با همان ترکیب ،فقط خالی از ذرات منبسط خاک رس است. دلیل این امر می‌تواند با فرآیندهای کاملاً شیمیایی در نمونه کنترل و فرآیندهای زیستی اضافی در بتن باکتریایی توضیح داده شود. ذرات سیمان هیدراته نشده که در سطح ترک بتن قرار گرفته شده اند؛آبرسانی ثانویه را تحمل میکنند و همچنین در نمونه‌های کنترل، دی‌اکسید کربن موجود در آب حجیم با ذرات موجود پورتلندیت (کلسیم هیدروکسید)واکنش می‌دهند تا رسوبات معدنی کربنات کلسیم ایجاد کنند.[۶]
رسوبات معدنی اخیر به دلیل حلالیت نسبتاً بالای هیدروکسید کلسیم،در نزدیکی لبه ترک ظاهر خواهند شد. در اینجا فرض بر این است که ذرات هیدروکسید کلسیم موجود در سطح داخلی ترک ابتدا تمام کربن موجود در دسترس را از نفوذ آب جمع‌آوری میکند؛که بعد از باقی ماندن کلسیم هیدروکسید، از شکاف در درون آب حل و پخش خواهد شد. واکنش آن با دی‌اکسید کربن موجود در نزدیکی لبه ترک در آب حجیم، منجر به تولید شیمیایی و رسوب مقادیر بزرگتر کربنات کلسیم محلول میشود.[۶]
دلیل احتمالی رسوب کربنات کلسیم در نزدیکی لبه ترک این است که غلظت دو واکنش دهنده‌ها کلسیم هیدروکسید و دی‌اکسید کربن در اینجا نسبتاً بالا هستند. کلسیم هیدروکسید از داخل شکاف به سمت آب حجیم بالایی پخش میشود ؛در حالی که کربن دی‌اکسید با غلظت‌های بالای هیدروکسید کلسیم پخش میشود ؛جایی که که در آن غلظت بالای کلسیم هیدروکسید است.مقدار تولید کربنات کلسیم داخل شکاف در نمونه‌های کنترل بتنی، احتمالاً تنها به دلیل مقدار کم کربن دی اکسید موجود در مقدار محدود آب داخل شکاف است. فرآیند التیام خودکار در بتن باکتریایی به دلیل تغییر متابولیک فعال کلسیم لاکتات توسط باکتری‌های موجود بسیار موثرتر است.[۶]
این فرآیند منجر به مقدار زیادی رسوب کربنات کلسیم در داخل ترک میشود زیرا کربنات کلسیم در این مورد نه تنها به طور مستقیم از تبدیل کلسیم لاکتات در مقادیر برابر کربنات کلسیم تولید میشود؛ بلکه به طور غیر مستقیم از طریق واکنش شیمیایی کربن دی اکسید تولید شده ،تولید میشود.کربن دی اکسید تولید شده در سطح داخلی ترک،به طور مستقیم با ذرات پرتلندیت داخل ترک واکنش خواهد داد. در مورد دوم، این ماده از سطح ترک محو و پراکنده نمی‌شود؛ اما به جای آن مستقیماً با نقطه‌ای که کربن دی‌اکسید تولید میکند، واکنش می‌دهد.بنابراین فرآیند تبدیل کلسیم لاکتات باکتریایی به تولید معادل ۶ معادل کربنات کلسیم منجر میشود که منجر به درز گیری موثر میشود که در شکل 4 B دیده میشود.[۶]
منابع[ویرایش]
- ↑ خطای لوآ در پودمان:Citation/CS1/en/Identifiers در خط 47: attempt to index field 'wikibase' (a nil value).
- ↑ Neville, A.M. (1996) Properties of concrete (4th edition). Pearson Higher Education, Prentice Hall, New Jersey.
- ↑ ۳٫۰ ۳٫۱ Li, Victor C.; Yang, E. H. ,Self-Healing in Concrete Material , 2007.صفحه پودمان:Citation/CS1/fa/styles.css محتوایی ندارد.
- ↑ ۴٫۰ ۴٫۱ "Permeability and self-healing of cracked concrete as a function of temperature and crack width". AZoBuild.com (به English). 2004-02-24. Retrieved 2020-12-03.صفحه پودمان:Citation/CS1/en/styles.css محتوایی ندارد.
- ↑ ۵٫۰ ۵٫۱ ۵٫۲ ۵٫۳ ۵٫۴ ۵٫۵ "Self-healing of concrete". Universiteit Gent (به English). Retrieved 2020-12-03.صفحه پودمان:Citation/CS1/en/styles.css محتوایی ندارد.
- ↑ ۶٫۰ ۶٫۱ ۶٫۲ ۶٫۳ ۶٫۴ ۶٫۵ خطای یادکرد: برچسب
<ref>نامعتبر؛ متنی برای ارجاع‌های با نام:2وارد نشده است
This article "بتن‌های خودترمیم" is from Wikipedia. The list of its authors can be seen in its historical and/or the page Edithistory:بتن‌های خودترمیم. Articles copied from Draft Namespace on Wikipedia could be seen on the Draft Namespace of Wikipedia and not main one.
