بتن خود ترمیم شونده | ترک در بتن به دلیل مقاومت در برابر کشش نسبتاً کم ، یک پدیده رایج است. دوام بتن توسط این ترکها مختل می شود زیرا مسیر راحتی برای انتقال مایعات و گازهایی است که به طور بالقوه حاوی مواد مضر هستند. اگر میکرو ترک ها رشد کرده و به آرماتورها برسند ، نه تنها ممکن است خود بتن مورد حمله قرار گیرد ، بلکه آرماتورها نیز خورده می شوند. بنابراین ، مهم است که عرض ترک را کنترل کرد و ترک ها را در اسرع وقت التیام داد. از آنجا که هزینه های نگهداری و تعمیر سازه های بتنی معمولاً زیاد است ، تحقیقات بر توسعه بتن خود ترمیم متمرکز است. خود ترمیمی ترک های بتن به عمر مفید بیشتر سازه های بتنی کمک می کند و باعث می شود مواد از دوام بیشتری برخوردار باشند .
بتن خود ترمیم شونده self-healing concrete نوع جدیدی از بتن است که از ترمیم خودکار زخم های بدن با ترشح نوعی ماده تقلید می کند. برای ایجاد بتن خود ترمیم شونده ، برخی از مواد خاص (مانند الیاف یا کپسول) که حاوی مقداری مایعات چسبنده هستند ، در مخلوط بتن پخش می شوند. وقتی ترک ایجاد می شود ، الیاف یا کپسول ها شکسته می شوند و مایعات موجود در آنها بلافاصله ترک را ترمیم می بخشد. با این حال ، بتن خود ترمیم شونده فقط در مرحله تحقیق استو با کاربرد گسترده آن در صنعت بتن هنوز فاصله داریم.
بتن خود ترمیم شونده بیشتر به عنوان توانایی بتن در ترمیم ترکهای خود به صورت خودکار یا خودمختار تعریف می شودکه به آن بتن خود ترمیمی نیز می گویند.
بتن خود ترمیم شونده در واقع یک پدیده قدیمی و شناخته شده برای بتن است زیرا دارای برخی از خواص طبیعی ترمیم است. به دلیل هیدراتاسیون مداوم مواد معدنی کلینکر یا کربناسیون هیدروکسید کلسیم (Ca (OH) 2 ) ، ترک ها ممکن است پس از مدتی ترمیم یابند. با این حال ، ترمیم خودکار محدود به ترک های کوچک است و فقط در صورت وجود آب موثر است ، بنابراین کنترل آن را دشوار می کند. با این وجود ، ممکن است بتن اصلاح شود تا در ترمیم ترک مستقل شود. بسیاری از رویکردهای خود ترمیمی ارائه می شود. آنها عمدتاً شامل روش خود ترمیمی خودکار ، روش خود ترمیم مبتنی بر کپسول ، روش خود ترمیم عروقی ، روش خود ترمیم الکتریکی رسوب ، روش خود ترمیم میکروبی و روش خود ترمیم از طریق تعبیه آلیاژهای مبتنی بر حافظه به عنوان مثال ، بیشترین پتانسیل برای ترمیم خودکار در بتن در اولین سال وجود دارد .
اولین کاربرد کارگاهی بتن خود ترمیم شونده مبتنی بر سنگدانه های سبک وزن و الیاف طبیعی در جولای 2014 در ارتفاعات آند در اکوادور انجام شد. به منظور ایجاد کانالهای آبیاری بتونی محلی برای خود ترمیم شدن ، ترکیبی شامل سنگدانه های سبک وزن با ماده درمانی و یک الیاف بومی اکوادور ، Abaca ا نتخاب شد. برای آزمایش ، با استفاده از 110 لیتر بتن ، بتونی با باکتری و بدون باکتری ریخته شد . این کانال در حدود 2900 متر بالاتر از سطح دریا واقع شده است و درجه حرارت هنگام ریختن بتن حدود 5 درجه سانتیگراد بود. قالب پس از 3 روز برداشته شد و 2 روز بعد جریان آب از طریق کانال دوباره راه افتاد. یک سال پس از ریختن بتن ، پوششهای بتونی با باکتری هیچ نشانه ای از ترک خوردگی یا خراب شدن نداشتند.
از سال 2013 این ملات در مناطق مختلف هلند ، تحت شرایط آب و هوایی بسیار متنوع ، به عنوان تعمیر ی استفاده می شود. اولین کاربرد در ماه مه 2013 در یک گاراژ که در آن خوردگی فولاد اتفاق افتاده بود ، انجام شد که منجر به جوش خوردن بتن شد. بعد از 1.5 سال بتن تعمیر در شرایط خوبی بود و نشانه هایی از خرابی آن نبود. ملات تعمیراتی نیز در شرایط بسیار مرطوب در یک گاراژ پارکینگ زیرزمینی که دیواره های نگهدارنده دارای مشکلات نشت آب هستند استفاده شد.یک ماه پس از ترمیم ، کمی نشت مشاهده شد . یکی دیگر از کاربردهای داخلی در تونلی بود که در اواخر دهه 1930 ساخته شد. ترمیم وصله ای اعمال شد و هیچ لایه لایه شدنی رخ نداد و تنها ترکهای جمع شدگی بسیار کمی مشاهده شد.
راه حل اول حاوی سدیم سیلیکات (بافر قلیایی) ، سدیم گلوکونات (منبع کربن برای رشد باکتری ها) و اسپورهای باکتریایی قلیایی و دیگری که شامل اسپورهای باکتری های کلسیم – نیترات و قلیایی است. سیلیکات سدیم منجر به تشکیل ژلی می شود که به سرعت ترک را مهر و موم می کند. همچنین محیط بهینه ای را فراهم می کند تا باکتری ها بتوانندکربنات کلسیم CaCO 3 را رسوب دهند .
عامل ترمیمی متشکل از اسپورهای لاکتات کلسیم و عصاره مخمر در سنگدانه های سبک وزن با سیمان ، خاکستر بادی ، پودر سنگ آهک ، الیاف PVA ، آب و فوق روان کننده در یک ملات ترمیم ترکیب شد.
در چند وقت اخیر ، تولید بتن پایدار توسط فناوری خود ترمیم در صنایع ساختمانی در سراسر جهان رایج شده است. افزایش نمایی استفاده از OPC باعث آسیب های شدید زیست محیطی شده است. منافع و سودمندی بی نظیر فناوری بتن خود ترمیم شونده از نظر پایداری ، صفات صرفه جویی در انرژی و قابلیت زیست محیطی نشان داده شد.ه است مهمترین چالشها ، پیشرفتهای فعلی و روندهای آینده بتن های خود ترمیم شونده تقویت شده توسط فناوری نانو مورد تأکید قرار گرفته است.
1. بتن های خود ترمیم شونده با بسیاری از صفات قابل توجه مانند آلودگی کمتر ، سازگار با محیط زیست و عملکرد دوام بالا در محیط های سخت مشخص می شوند . این خواص آنها را به مواد پایدار موثرثری در صنایع ساختمانی تبدیل می کند.
2.طراحی بتن های خود ترمیم شونده مبتنی بر نانومواد با عملکرد بهتر و استقامت که برای چندین کاربرد مفید هستند ، راهی جدید در علوم نانو و فناوری نانو است.
3. با اجرای کامپوزیت های سیمانی با مقاومت بالا و با دوام که با استفاده از نانو ذرات متنوع ، نانولوله های کربنی و الیاف نانو ساخته شده اند ، می توان آلودگی محیط را به میزان قابل توجهی کاهش داد.
4. در حوزه ساختمان و ساخت و ساز ، تولید مواد از طریق مسیر فناوری نانو نقش مهمی در توسعه پایدار در آینده نزدیک دارد.
5. استفاده از نانومواد در بتن از نظر خصوصیات مهندسی ترمیم یافته مواد سیمانی ، به ویژه برای تولید بتن خود ترمیم و پایدار ، سودمند است.
بررسی عملکرد قطعات بتنی با دوام در شرایط شدید محیطی و یا عملیاتی است. این مفهوم مبتنی بر ترکیبی از دو فناوری نوآورانه HPC و بتن های خود ترمیم کننده است تا بتواند سازه های بتنی با ماندگاری بالا را ایجاد کند. انتظار می رود که بتن تولید شده در آینده تحت شرایط سخت عملیاتی و محیطی با دوام بالا ، مانند خستگی مکانیکی بالا و درجه حرارت شدید دوام بیاورد.
در حقیقت ، چندین پروژه زیربنایی جدید به طول عمر طولانی نیاز دارند که اغلب از موارد تدوین شده در استاندارد فراتر می روند ، به عنوان مثال بتن هایی که در سازه های دریایی یا سازه های زیرزمینی استفاده می شوند.( جایی که تغییرات دمای زیاد و فشار زیاد انتظار می رود) ، یا سازه های بتنی برای نصب در امتداد خطوط ساحلی (محتوای کلرید زیاد) ، در مناطق قطب جنوب یا قطب شمال (درجه حرارت پایین و یخ زدگی) ، مناطق کویری (درجه حرارت بالا و تغییرات شدید دما بین شب و روز) و غیره.
در بیشتر این موارد ذکر شده ، طول عمر بیش از 100 سال مورد نیاز است اما این دوره ها به طور قابل توجهی از طراحی معمول و عمر معمول بیشتر است . از آنجا که با استفاده از یک طرح اولیه با دوام می توان عمر مفید بیشتری نسبت به توان بخشی در آینده ایجاد کرد ، HPC خود ترمیم شده هزینه های نگهداری را در این شرایط خاص به شدت کاهش می دهد اگرچه انتظار می رود هزینه اولیه زیرساخت ها افزایش یابد.
با توجه به مطالعات قبلاً منتشر شده ، تولید بتن های با عملکرد بالا با قابلیت ترمیم خود یک واقعیت است.
پس از ترک خوردگی ، ترمیم عرض ترک بالای 300 میکرومتر ممکن است و این ترمیم ترک به طور موثرتری از فشردگی ساختار بتن می آید و بنابراین نفوذ عوامل تهاجمی را محدود یا حتی از آن جلوگیری می کند. با این حال ، بازیابی خصوصیات مکانیکی اولیه هنوز بدست نیامده است.
از آنجا که در بتن های معمولی فقط ترمیم نسبی خواص مکانیکی پس از ترمیم ترک ها بدست آمده است ، به دلیل خصوصیات مکانیکی اولیه بالاتر ، این جنبه در HPC دشوارتر خواهد بود. علاوه بر این ، باید ترمیم ترکهای وسیع تری را نیز امتحان کرد و این امر هنگامی ضروری خواهد بود که محیط های بسیار تهاجمی یا شرایط عملکردی تهاجمی سازه های بتنی در نظر گرفته شود.
به منظور دستیابی به هر دو نقطه عطف ، سیستم های خود ترمیمی که با ماتریس بتن بسیار سازگار هستند ، باید استفاده شود. در حقیقت ، انتظار می رود که استفاده از سیستم های خود ترمیمی مبتنی بر نانوذرات تأثیر منفی کمتری بر خصوصیات مکانیکی حاصل از آنچه بر پایه ریز ذرات (مانند میکروکپسول) است ، بگذارد .
مقیاس گذاری فناوری پیشرفته خود ترمیمی در HPC ، از شرایط آزمایشگاهی تا واقعی هنوز انجام نشده است. بدیهی است که این مقیاس بندی به شرایط خاص محیطی و عملیاتی مورد انتظار در هر سازه بستگی خواهد داشت. در بسیاری از موارد ، ترکیبی از سیستم های مختلف خود ترمیم و به طور کلی ترمیم عملکرد مشترک رویکردهای خودکار و خودمختار مورد نیاز خواهد بود.
این آخرین مسئله در هنگام در نظر گرفتن HPC یک مزیت آشکار است زیرا ترمیم خودکار ذاتی این نوع بتن است. اما نه تنها مقیاس گذاری ارزیابی HPC خود ترمیم در شرایط واقعی بلکه مقیاس بندی تولید سیستم خود ترمیم نیز به منظور اطمینان از تجاری سازی آن لازم است .
سرانجام ، و با در نظر گرفتن مواد مبتنی بر سیمان خود ترمیم شونده ، به طور کلی ، نه فقط موارد با کارایی بالا ، به یکسان سازی معیارهای ارزیابی قابل اجرا ، قابل اعتماد و دقیق تر برای توصیف بهتر استراتژی های خود ترمیم شده نیاز است. با این وجود ، با توجه به پیشرفت های قابل توجهی که قبلاً گزارش شده است ، بدون شک HPC خود ترمیم شونده در آینده نزدیک در بسیاری از سازه های بتونی اجرا خواهد شد.
محققان قبلی بسیاری از عواملی را که ممکن است بر توانایی های خود ترمیم تأثیر بگذارد ، به دست آوردند. پنج عامل اصلی به شرح زیر وجود دارد:
1 .محتوای رطوبت : نمونه های آزمایشی ذخیره شده در آب می توانند به خودی خود به طور موثرتری ترمیم یابند.
2. عرض ترک : ترکهای کمتر از 0.3 میلی متر از عرض قابل ترمیم کامل هستند . ترکهایی که عرض آنها از 0.3 میلی متر بیشتر باشد ، قابل ترمیم نیستند. ترک های عرض 0.1 میلی متر پس از حدود 200 ساعت کاملاً ترمیم می یابند . علاوه بر این ، ترک های عرض 0.2 و 0.3 میلی متر عمدتا ظرف 30 روز ترمیم می یابند . عرض ترکهای 0.15 تا 0.3 میلی متر به طور قابل توجهی در 7 روز کاهش می یابد و در 33 روز به طور کامل ترمیم می یابد .
3. زمان هیدراتاسیون : هیدراتاسیون برای مدت زمان طولانی تری می تواند عملکرد خود ترمیم بهتری داشته باشد .
4. فشار وارد شده بر روی ترک ها : بارگذاری فشار مناسب بر روی ترک ها می تواند توانایی خود ترمیم بهتر را تحریک کند.
5. نسبت آب به سیمان : نسبت آب به سیمان بالاتر شامل ذرات سیمان غیر واکنش پذیر بیشتری است که می تواند برای هیدراتاسیون بیشتر برای تقویت تولید کربنات کلسیم استفاده شود.
علاوه بر این ، زمان ترک خوردگی نیز مهم است. بتن ترک خورنده دارای ذرات سیمان واکنش ناپذیر بیشتری است ، بنابراین با هیدراتاسیون مداوم می تواند توانایی خود ترمیم بالایی داشته باشد.
پتانسیل باکتری ها برای عملکرد خود ترمیم کننده در بتن ، یعنی توانایی آنها در ترمیم ترک های موجود ، می توان بررسی کرد. ثابت شده است که این کاربرد باکتریایی استاسپورها به عنوان عامل خود ترمیم کننده امیدوار کننده به نظر می رسند.
برای ترمیم جنبه های دوام ملات های ترمیم شونده مبتنی بر الیاف مصنوعی ، محققان توانستند یک ماده بیوتکنولوژی متشکل از باکتری های مقاوم در برابر قلیایی و یک منبع غذایی مناسب ، با الهام از بتن خود ترمیم شونده مبتنی بر باکتری و سیستم ترمیم مایعات بتن ترکیب کنند.
پس از تشکیل ترک و ورود آب ، اسپورهای باکتریایی ترکیب شده جوانه زده و شروع به تبدیل منبع غذایی به مواد معدنی کربنات کلسیم می کنند که باعث جلوگیری از ترک های بعدی آب و ورود شیمیایی می شود و علاوه بر این ، منجر به ترمیم اتصال با لایه زیرین بتن قبلی می شود.
ترمیم ترک ها تا حد زیادی توسط فعالیت باکتری کنترل می شود ، علاوه بر این توسط اندازه گیری مشخصات اکسیژن بر روی نمونه های غوطه ور در آب پشتیبانی می شود.
نمونه های شاهد که حاوی عامل ترمیمی مبتنی بر باکتری نبودند اکسیژن مصرف نمی کردند ، در حالی که نمونه هایی که دارای ماده درمانی گنجانیده شده بودند (مخلوط 2) مقدار قابل توجهی اکسیژن مصرف می کردند.
این ثابت می کند که باکتریهای ترکیب شده از نظر متابولیکی فعال بودند زیرا باکتریهای مورد استفاده در هنگام تبدیل متابولیک لاکتات کلسیم ، منبع غذایی باکتریها و بخشی از ماده درمان کننده ، اکسیژن مصرف میکند.
میانگین مقاومت فشاری 28 روزه نمونه های حاوی ماده کنترل و ماده ترمیم کننده به ترتیب 39.8 و 38.5 مگاپاسکال بود. هر دو نوع ملات رفتار انعطاف پذیر نشان دادند و قبل از خرابی چندین ترک ایجاد کردند.
شماره 1 ، بدون عامل ترمیمی ، ترمیم در آب
شماره 4 ، بدون عامل ترمیمی ، در محیط L-Ca (نمک کلسیم) باکتری ترمیم می یابد
شماره 5 ، بدون عامل ترمیمی ، در محیط G-Ca (نمک کلسیم) باکتری ترمیم می یابد
شماره 8 ، با L-Ca و باکتری ها به عنوان عوامل ترمیمی ، ترمیم در آب
شماره 9 ، با G-Ca و باکتری ها به عنوان عامل ترمیمی ، در آب ترمیم می یابد
در نمونه شاهد هيچ ترمیم آشکاري مشاهده نشد (نمونه شماره 1)