بتن خود ترمیم شونده

طرح تولید بتن خود ترمیم شونده – بتن خود ترمیم شونده نمونه ای از بتن هایی با ویژگی های منحصر بفرد می باشد. به طور کلی بتن از جمله مصالح ساختمانی است که همواره در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد.
این متریال ترکیبی ساده از سیمان، آب و سنگدانه است و برای ساخت سازه های مختلف کاربرد دارد. بتن خود ترمیم شونده که در انگلیسی به آن self-healing concrete می گویند، جزء پرمصرف ترین و مقاوم ترین مصالحی است که به دلیل انعطاف پذیری بالا می توان آن را به هر شکلی درآورد، از این رو نه تنها برای مقاوم سازی سازه بلکه برای فرم دهی به آن نیز گزینه ای بسیار مناسب به شمار می آید.
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.بتن خود ترمیم شونده بتنی است که با تکنولوژی به کارگرفته شده در آن، خودش میتواند اقدام به ترمیم ترک های ایجاد شده تا عرض مشخصی نماید، حال اینکه ترمیم ترک ها با عرض ها و عمق ها متفاوت تماما بستگی به موادی دارد که در ساخت آن بتن به همین منظور به کار رفته است.

تاریخچه بتن خود ترمیم شونده

در سال ۲۰۰۶ میلادی، دکتر جانکرز به همراه یک استاد تکنولوژی بتن، پروژه ی تحقیقاتی را آغاز می کند که در آن از باکتری ها برای تعمیر و ترمیم ترک های بتن استفاده می شود. این پروژه ی تحقیقاتی حدوداً سه سال به طول می انجامد و نتیجه ی آن شگفت انگیز است. ساخت بتنی با قابلیت خود ترمیم شوندگی که نام آن را بیوکانکریت (Bioconcrete) یا بتن زیستی نهاده است. طریقه ی ساخت این بتن تفاوتی با بتن های معمولی ندارد و فقط یک جزء مهم به آن اضافه می شود که به این جزء جدید، عامل ترمیم گر گفته می شود. این عامل ترمیم گر یا همان باکتری ها زمانی فعال می شوند که بتن ترک خورده و آب وارد آن شود. دکتر جانکرز معتقد است که باید به دنبال نوعی از باکتری بود که بتواند به خوبی در محیط خشن و ناملایم بتن دوام آورند. محیط بتن بسیار قلیایی است و احتمالاً باکتری ها نیز باید سال های طولانی غیر فعال بمانند تا زمانیکه آب به محیط وارد شود. او از باکتری های باسیل (bacillus bacteria) و نوع دیگری از باکتری موسوم به sporosarcina pasteurii به عنوان عامل ترمیم گر در بتن استفاده کرد. دلیل آن نیز رشد فوق العاده ی این نوع باکتری ها در محیط های قلیایی همچون بتن بود که با تولید برخی هاگ ها در این محیط می توانستند تا ده ها سال بدون غذا یا اکسیژن زنده بمانند. اما این پایان ماجرا نبود و چالش بزرگ دیگری در مقابل جانکرز و تیم تحقیقاتی اش قرار داشت. او می گوید “علاوه بر زنده ماندن باکتری ها در محیط قلیایی بتن، آنها باید بتوانند مواد ترمیم کننده در بتن تولید کنند که در واقع همان تولید سنگ آهک است.” برای تولید سنگ آهک در بتن، باکتری باسیل نیاز به منبع غذایی دارد. شکر یک منبع غذایی خوب برای این نوع از باکتری ها به شمار می رود اما نمی توان از شکر در تولید بتن استفاده کرد. زیرا شکر موجب کاهش مقاومت بتن و همچنین افزایش مدت زمان گیرش آن می شود. پس از انجام تحقیقات فراوان، جانکرز موفق به ساخت کپسولی جادویی شد. او از کلسیم لاکتات استفاده کرد. در واقع، او باکتری و کلسیم لاکتات را درون کپسولی پلاستیکی و قابل تجزیه قرار داد و کپسول را درون مخلوط بتن تازه انداخت. وقتی بتن سخت شد و بعد از مدتی ترک میخورد، آب وارد محیط شده و کپسول ها باز می شدند. در اثر باز شدن کپسول ها، باکتری های آزاد شده فعال می شوند و تکثیر پیدا می کنند. آنها از لاکتات ها تغذیه کرده و به سرعت رشد می کنند. در نهایت، باکتری ها موجب می شوند کربنات ها و کلسیم با یکدیگر ترکیب شده و کلسیت یا سنگ آهک را تولید کنند. رشد بلورهای کلسیت در بتن نیز موجب انسداد ترک ها و در نهایت ترمیم ترک در بتن می شوند. این فرآیند شبیه به رشد سلول های استئوبلاست (osteoblast) در بدن انسان است مکه منجر به تولید استخوان

مزایا استفاده از بتن خود ترمیم شونده

– مقاومت بسیار بالا در برابر شرایط مختلف جوی
– قابلیت شکل پذیری
– مقاومت بالا در برابر سرما و گرما
– طول عمر زیاد
– نفوذ پذیری بسیار کم در برابر آب و دیگر مواد شیمیایی

نقطه ضعف بتن خود ترمیم شونده

– هزینه بالا بتن خود ترمیم در ساخت و ساز، از نقاط منفی این محصول محسوب می شود.
– رشد باکتری ها در هیچ جو و محیطی خوب نیست.
– گلوله های رسی حاوی عامل خود ترمیم کننده ۲۰ درصد حجم بتن را تشکیل می دهند. این ممکن است به یک منطقه برشی یا منطقه گسیختگی در بتن تبدیل شود.
– برای طرح اختلاط بتن با باکتری هیچ آیین نامه IS یا آیین نامه دیگری در دسترس نیست.
– بررسی رسوب کلسیت پرهزینه است.

کاربرد بتن خود ترمیم شونده

به طور کلی از بتن های خود ترمیم در مناطقی که امکان وقوع سیل، آتش، باد، باران و تگرگ وجود دارد و یا مناطق بسیار خشکی که احتمال دارد بتن ترک بخورد، استفاده می شود. محصول در ساختمان ها، برج ها، جاده ها و پل ها بکار برده می شود.

کد آیسیک مرتبط با طرح توجیهی تولید بتن خود ترمیم شونده

با توجه به بررسی های انجام شده کد آیسیک مرتبط به محصول اختصاص نیافته است

کد تعرفه گمرکی مرتبط با طرح توجیهی تولید بتن خود ترمیم شونده

با جستجو در اطلاعات گمرک تا امروز تعرفه گمرکی اختصاصی به این محصول اختصاص نیافته لذا میزان واردات و صادرات آن نا مشخص میباشد.

ساخت بتن خود ترمیم شونده

در ساخت بتن خود ترمیم مکانیزمی بکار رفته که باعث ایجاد یک مخلوط بتنی می شود که شامل یک پیش ماده لاکتات کلسیم (Ca(C۳H۵O۲)۲ و یا کپسول های کوچک حاوی باکتری می باشد.نحوه کار این باکتری ها به گونه ایست که پس از مخلوط شدن با بتن، شروع به رشد کردن می کنند. پس از آن سنگ آهکی (CaCo۳) تولید می شود که نشان از تکثیر باکتری ها دارد.دکتر ریچارد کوپر از گروه زیست شناسی و بیوشیمی دانشگاه BATH می گوید که ترکیب باکتری ها با بتن سبب ایجاد لایه ای محافظ می شود که از خوردگی فولاد جلوگیری به عمل می آورد.باکتری هایی که در بتن خود ترمیم مورد استفاده قرار می گیرند به دلیل شکل میکروبی و طول عمر بالای ۲۰۰ سالی که دارند و همچنین مقاومت در برابر قارچ و اسپور، مناسب ترین نوع باکتری محسوب می شوند.

اصول اجرایی در تولید بتن خود ترمیم شونده

نانو لوله های کربنی (Carbon Nano Tubes)

یک نوع از ذرات نانو که خواص قابل اشاره ای دارد نانوتیوب کربن (CNT) است و در حال حاضر تحقیقاتی روی تاثیرات مثبت اضافه کردن CNT به بتن برای ایجاد بتن خود ترمیم شونده در دنیا در دست انجام است.
اضافه کردن مقادیر کم CNT به سیمان ، می تواند خواص مکانیکی نمونه هایی را که از دو فاز اصلی سیمان پرتلند و آب تشکیل شده، بهبود بخشد که یکی از این مهمترین خواص آن خود ترمیمی می باشد.
نانو لوله های کربنی (CNT) نوعی از کربن است که اولین بار در سال ۱۹۵۲ در روسیه کشف ، ولی به دست فراموشی سپرده شد. این ماده مجدداً در سال ۱۹۹۰ در حلقه ی تکنولوژی نانو جایگاه ویژه ای پیدا کرد. نانوتیوب ها به فرم استوانه ای و به صورت تک جداره SWNT (Single Walled Nano Tubes) و چند جداره ( Multy Walled Nano Tubes ) Tubes تا طول چند میلیمتر تولید می شوند.
دسته شدن تیوب ها با هم و دیگری فقدان جاذبه مولکولی بین آنها و تنه اصلی از جمله مشکلات اضافه کردن ناتیوب های کربن به هرماده است. به عبارتی اتصال نانو لوله ها به یکدیگر به صورت رشته ای است و این عدم چسبندگی کافی بین آنها و بتن است که از جمله مشکلات این روش به شمار می رود.

فیبر توخالی Hollow Fiber

درای و سوتوس در سال ۱۹۹۲ روی روش آزادسازی شیمیایی ذخیره شده در فیبرهای میان تهی تحقیق کردند که در ابتدا در مواد سیمانی برای تغییر و بهبود ویژگی هایی مثل نفوذ پذیری ، تعمیر ترک ها و جلوگیری از خوردگی و انعطاف پذیری استفاده می شد. در این روش با به کارگیری رنگ های فلورسنت در عامل ترمیم کننده ی جاری در این الیاف ها ، پدیده ی کبودشدگی در موجودات زنده شبیه سازی می شود که خود نقش مهمی در تشخیص محل آسیب دیده دارد. به اینصورت که عامل ترمیم از فیبر نازک تو خالی آزاد میشود تا ترک های ایجاد شده را پرکند و ترک ترمیم گردد.

کامپوزیت سیمانی مهندسی (Engineered Cementitious Composite ECC)

بتن سیمانی مهندسی (ECC) ساخته می شود ، الهام گرفته از بهبود جراحت وارده بر موجود زنده است. بدین ترتیب که با ترمیم مداوم ترکهای ریز حاصله ، اجازه ی گسترش ترک و ایجاد شکاف عمیق را نمی دهد ، حتی اگر قطعه ی بتنی آسیب دیده بارها تحت بارگذاری قرار گیرد. در واقع مهم ترین مشخصه سیمان مهندسی که با به کارگیری نانو مواد ساخته می شود این است که فقط امکان بروز ترک های مویی با عرض حداکثر ۶۰ میکرومتر نزدیک به هم ، به جای ترک های عمیق در بتن حاصله را خواهد داشت. به عبارتی بتن های جدید (ECC) در مقایسه با بتن معمولی انعطاف پذیری بسیار قابل توجهی دارند.
عملکرد بتن هایی که با استفاده از کامپوزیت های به صورت حسگر ، کرنش جزئی در محل ترک را شناسایی می کند و با فرستادن پیام به بخش ترمیم کننده) مانند عملکرد نرون ها در بدن جانوران (عامل ترمیم کننده ی آزاد می شود و ترک را ترمیم می کند. مکانیزم فرستادن پیام به صورت قطع قسمتی از جریان در محدوده ی آسیب دیده ، افزایش مقاومت الکتریکی و درنتیجه افزایش دما و ذوب پوسته ی محتوی عامل ترمیم است.
البته طراحی این سیستم که برای ترمیم از انرژی گرمایی جهت آزادشدن عامل ترمیم محبوس شده در روکش استفاده می شود با حساسیت های زیادی همراه است. به طوریکه افزایش دما در بتن نباید منجر به تبخیر آب درونی و از هم پاشیدن ساختمان آن شود. تحقیقات نشان می دهد استفاده از پوزولان خاکستر بادی در کنار ECC عملکرد آن را بسیار بهبود می بخشد.
خاکستر بادی با هیدروکسید کلسیم Ca(OH)۲ اصل از فرآیند هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و ژل سفید رنگی تولید می کند که قادر به دوختن ترک های مویی و خود ترمیمی است. این نوع بتن خود متراکم برای حفاظت بتن های مسلح در محیط های خورنده ، نظیر محیط های کلریده که امکان نفوذ یون کلر محلول موجود در آب از طریق ریزترک ها و خوردگی آرماتورها و کاهش مقاومت کلی بتن مسلح وجود دارد ، بسیار حائز اهمیت است.
این بتن به گونه ای عمل می کند که به هنگام ایجاد ترک در آن ، مقداری از مواد سیمانی هیدراته نشده که در درز ترک ها موجود است در مجاورت دی اکسید کربن و آب واکنش داده و لایه بسیار نازک سفید رنگی از کربنات کلسیم در امتداد ترک ها تشکیل شده و مانع از گسترش ترک می گردد و در واقع ترک ها را ترمیم می کند و در نتیجه دوام ، نفوذپذیری و خواص مکانیکی بالقوه بهبود میابد.

اصول طراحی در تولید بتن خود ترمیم شونده

میکرو کپسول های پر شده Microencapsulated Healing Agent

این روش با الهام گرفتن از نقش گلبول های قرمز در لخته شدن خون و ترمیم ، کپسول های حاوی نانو مواد ترمیم کننده به بتن تزریق می شود. این میکروکپسول های کروی نازک که از مایع ترمیم کننده Agent Healing پر شده اند اصولا از نوع Dicyclopentadiene می باشد.
این میکروکپسول ها حین برخورد با ترک شکسته شده ، عامل ترمیم داخل ترک رها شده و با کاتالیزور برخورد می کند. به این ترتیب عمل پلیمرزاسیون صورت گرفته و با تشکیل ماده ای سخت ، ترک ترمیم می شود. عکس العمل شیمیایی بین عامل ترمیمی و کاتالیزور ماده را ترمیم و از رشد ترک جلوگیری می کند.

انتخابگر ناحیه ی گرمایی (Selective Heating)

یکی از هوشمند ترین سیستم های خود ترمیم که در نمونه های بتنی مورد توجه قرار گرفته است سیستم انتخابگر ناحیه گرمایی است. این روش به عنوان کاراترین سیستم که در اکثر اوقات ۱۰۰ درصد را برای ترمیم به خود اختصاص می دهد شناخته می شود. این سیستم از دو بخش اصلی تشکیل شده است.
۱ – کامپوزیت های خود عیب شناس Composite Diagnosis-Self که از فایبرها و مواد هادی جریان الکتریسیته ساخته شده اند که هم قابلیت های یک کرنش سنج را دارا هستند و هم به عنوان یک ماده ی عملکردی ، توانایی ثبت تاریخچه ی زمانی خرابی در سازه را دارند. در حقیقت بخش اول به عنوان حسگر یا چشم نمونه ، هرجا ترکی اتفاق بیفتد آن را شناسایی می کند و با فرستادن پیام به جز ترمیم کننده (همانند عملکرد نورن ها در بدن جانوران) این بخش را فعال کرده ، سیستم ترمیم کننده درصدد رفع خرابی برمی آید.
۲ – بخش ترمیم کننده pipe Film Organic Plasticity-Heat که محتوی نانو مواد عامل ترمیم و به صورت لوله هایی از جنس مصالحی با خاصیت پلا ستیک شوندگی در برابر گرما است. به گونه ای که تا قبل از گسترش هرگونه ترکی از خروج عامل ترمیم جلوگیری می کند.
زمانی که ترکی در قطعه رخ می دهد ، بخش اول به صورت حسگر ، کرنش جزئی در محل ترک را شناسایی می کند و با فرستادن پیام به بخش ترمیم کننده عامل ترمیم کننده ای آزاد می شود و ترک را ترمیم می کند. مکانیزم فرستادن پیام به صورت قطع قسمتی از جریان در محدوده ی آسیب دیده ، افزایش مقاومت الکتریکی و در نتیجه افزایش دما و ذوب پوسته ی محتوی عامل ترمیم است.
این سیستم به صورت تکمیل شده می تواند با مانیتور کردن اطلاعات عیب شناس ، نمایش و کنترل فرآیند تخریب را در خارج از سازه در اختیار عوامل بیرونی انسانی قرار دهد که خود تحول عظیمی را در صنعت بهسازی و ترمیم بتن در سازه های حساس در پی خواهد داشت.

ساخت شبکه مویرگی

در ترمیم به روش میکروکپسول ، میکروکپسول ها حین برخورد با ترک شکسته می شوند ، در مجاورت کاتالیزور عمل پلیمرزاسیون صورت می گیرد و با تشکیل ماده ای سخت ، ترک ترمیم می گردد.
در این روش ممکن است با افزایش میزان میکروکپسول ها ، همگنی و یکنواختی بتن تحت تأثیر قرار گیرد و کاهش مقاومت و طاقت قطعه ی بتنی را موجب شود. بنابراین جهت بهبود عملکرد ، نیاز به تزریق مایع ترمیم کننده از طریق یک سیستم هوشمند احساس می شود. تحقیقات اخیر بیانگر امکان تعبیه ی شبکه ی مویرگی Micro Vascular Network به صورت انتقال نانو مواد عامل ترمیم با تکیه بر خاصیت مویینگی از منبع به محل خرابی و پلیمرزاسیون در مجاورت کاتالیزور و نتیجتاً تشکیل مادهی سخت و ترمیم ترک می باشد. تحقیقات آتی درصدد توسعه ی شبکه ی مویرگی در بتن حاوی عامل های ترمیم کننده ، به صورت کاملا هوشمند همانند سیستم بیولوژیکی است.

بتن خود ترمیم شونده با باکتری Bacteria

روش دیگری به صورت تلفیقی از مواد طبیعی و نانو مواد جهت ترمیم هوشمند بتن ، توسعه یافته است. این روش با کمک نوع خاصی از باکتری های موجود در طبیعت که قادر به زیست در محیط قلیایی بالای بتن هستند ، برای ساخت بتن خود ترمیم استفاده می شود.دسته هایی از هاگ های پرطاقت باکتری متعلق به گروه باسیل ها هستند.
نمونه این باکتری موسوم به باسیلوس است که در دریاچه های دارای خاصیت قلیایی در کشورهای روسیه و مصر به مدت طولانی قادر به زیست بوده اند. این باکتری ها به همراه منبع تغذیه شان در گلوله های کوچک از جنس سرامیک تعبیه شده و به صورت سوسپانسیون در آب بتن قرار داده می شوند تا از فعالسازی نا بهنگام در مخلوط بتن خیس جلوگیری شود.
این بتن با کمک باکتری موجود در میکروکپسول و در صورت تزریق آب قابلیت خود ترمیمی پیدا می کند. میکروکپسول با در میان گرفتن و محافظت از باکتری مواد مغذی و لاکتات کلسیم را برای رشد آن تامین می کند.
باکتری ها تا زمان شکل گیری ترک ، به صورت پیش فعال یا به اصطلاح خواب در بتن باقی می مانند و سپس در اثر گسترش ترک و نفوذ آب به مقطع ، فعال شده و در اثر واکنش با ترکیبات بتن ، رسوب سخت کربنات کلسیم تولید و به وسیله آن منافذ ترک بسته خواهد شد.زمانی که آنها شروع به تغذیه می کنند آب را حریصانه می بلعند و به مقدار فراوانی سنگ آهک بلورین تولید می کنند که به سرعت باعث پرشدن منافذ و سوراخها می شود. این بتن جدید عمر سازه را تا ۵۰ درصد افزایش داده و نیاز به تعمیرات دوره ای را کاهش می دهد ، همچنین می تواند از زنگ زدگی فولاد داخل بتن جلوگیری بعمل آورد.

نحوه عملکرد بتن خود ترمیم شونده

در بتن های خود ترمیم با الهام از نحوه عملکرد گلبول های قرمز در هنگام آسیب دیدگی پوست، این محصول را تولید کرده اند. کپسول های حاوی باکتری های ترمیم کننده یا مواد نانو در بتن قرار می گیرند و هنگام ترک خوردگی، مواد داخل این کپسول ها آزاد شده و سبب ترمیم بتن می شوند.برخی از مواد نانویی که در بتن خود ترمیم مورد استفاده قرار می گیرند شامل پلی اتیلن، کربن سیاه، سیلیکا، متاکریلات بوتیل، اپوکسی پلی آنیلین، کامفور سولفونات، اپوکسی، نانو رس می باشند.