بتن خود ترمیم شونده چیست؟

بتن خود ترمیم شونده چیست؟

اصطلاح «بتن خود ترمیم شونده» به نوعی از بتن اطلاق می‌شود که پس از ایجاد ترک در ساختار خود قادر است استحکام اولیه را مجددا به دست آورده و ترک های به وجود آمده را ببندد. این قابلیت ترمیم به صورت خودکار به طور قابل توجهی از نیاز به تعویض بتن می‌کاهد؛ چرا که بتن خود ترمیم شونده نیازی به این اقدام ندارد. بنابراین، استفاده از این محصول، نقش بسزایی در به حداقل رساندن انتشار کربن جهانی ایفا می کند.
جالب است بدانید که قابلیت خود ترمیمی بتن خودترمیم شونده، پدیده ای است شناخته شده با پیشینه طولانی؛ زیرا علی رغم آن چه تصور می‌شود، بتن به صورت خودکار خود را ترمیم می‌کند. اما چرا استفاده از بتن خود ترمیم شونده حائز اهمیت است؟
ریز ترک‌های ایجاد شده در سطح بتن طی گذر زمان و در صورت تکرار شدن فشار وارده، به هم اتصال پیدا کرده و سبب پدید آمدن شکاف‌های عمیق می‌گردند. با گسترده تر شدن این شکاف‌ها در سازه بتنی، احتمال از هم گسیختن دیگر عناصر ساختمانی بالا می‌رود. در گذشته به منظور رخ دادن چنین مشکلاتی از میلگرد بهره گرفته می‌شد؛ اما با توجه به بالا رفتن هزینه میلگرد طی سال‌های اخیر و معایبی که این محصول دارد، افراد به استفاده از محصولات دیگری چون بتن خودترمیم شونده روی آورده اند.
بتن خودترمیم شونده ترک‌های ایجاد شده در سازه به دلیل ورود فشار را به وسیله واکنش باکتریایی در بتن بعد از سخت شدگی پر می‌نماید. ساختمان سازی معاصر با بهره گیری از تکنولوژی روز، استانداردهای این صنعت را بالاتر برده است و بتن خودترمیم شونده را می‌توان یک محصول پر کاربرد در ساختمان سازی خصوصا فنداسیون های از پیش ساخته به شمار آورد. این فرآورده نوین به دلیل بهره مندی از انعطاف پذیری مناسب و مقاوم نمودن سازه ها توانسته به یکی از گزینه‌های مطلوب جایگزین بتن معمولی شود. ساختار اصلی بتن خود ترمیم شونده شامل سیمان پرتلند، سنگدانه و آب است. بتن خودترمیم شونده به واسطه نانوتیوب های ترکیبی و باکتری‌ها به محض شکل گرفتن ترک در ساختارش، به سرعت خود را مورد بازسازی قرار می‌دهد.

بتن خود ترمیم شونده در ویکی پدیا

طبق تعریف دانشنامه ویکی پدیا، بتن خود ترمیم شونده بتنی است با توانایی برطرف سازی ترک ها به شکل خودکار. این یعنی ترمیم ترک‌ها بدون نیاز به نیروی انسانی است. عملکرد بتن خود ترمیم شونده نه تنها سبب آب بندی ترک‌ها می‌شود؛ بلکه بازیابی خواص مکانیکی عناصر سازه‌ای را نیز به همراه دارد. حال چرا استفاده از بتن خودترمیم شونده اهمیت دارد؟
بتن معمولا دچار ترک خوردگی می‌شود. این ترک‌ها از دوام بتن کاسته و با منبسط شدن ممکن است به میلگرد برسند. از این رو، محدودسازی عرض ترک و ترمیم آن در اسرع وقت ضرورت دارد. با کمک بتن خود ترمیم شونده، پایداری و عمر سازه بتنی افزایش پیدا می‌کند. علاوه بر این، در نتیجه جایگزین کردن بتن معمولی با بتن خودترمیم شونده، محیط زیست نیز با آثار مخرب کم تری روبرو می‌شود.

انواع بتن خودترمیم شونده کدام است؟

بتن خودترمیم شونده بر اساس ذرات تشکیل دهنده آن که خاصیت خود ترمیم شوندگی را به وجود می‌آورند، انواع متفاوتی دارد. نانوتیوب‌های کربنی مورد استفاده برای تولید بتن خود ترمیم شونده شامل موارد زیر هستند:

فیبر توخالی (Hollow Fiber)

اولین نانوتیوب کربنی مورد استفاده جهت ساخت بتن خود ترمیم شونده فیبر توخالی است. اکتشاف فیبر توخالی نخستین بار توسط دو دانشمند به نام های درای و سوتوس در سال 1992 صورت گرفت. بر اساس مشاهدات این دو فرد، اضافه نمودن این ماده به سیمان منجر به بهبود نفوذپذیری، انعطاف پذیری، پیشگیری از خوردگی و مهم تر از همه، قابلیت ترمیم شوندگی می‌گردد. در بتن خودترمیم شونده، شبیه سازی پدیده کبود شدن در بدن موجودات زنده صورت می‌گیرد. به این منظور، رنگ‌های فلورسنت در میان الیاف بتن جاری می‌شوند. به کمک این رنگ‌ها می‌توان محل آسیب دیده در ساختار بتن خودترمیم شونده را شناسایی نمود. پس از پیدا کردن محل آسیب دیده، عامل ترمیم بتن خودترمیم شونده از فیبر توخالی آزاد گشته و ترک‌های شکل گرفته را پر می‌کند. بدین شکل، ترمیم بتن انجام می‌پذیرد. به بیان دیگر، مکانیزم ترمیم ترک‌های ایجاد شده در بتن خودترمیم شونده به کمک فیبر توخالی طی مراحل زیر رخ می‌دهد:

•  آغاز ترک‌ خوردگی مقطع در بتن خود ترمیم شونده
•  آزاد شدن عامل ترمیم‌ از فیبر توخالی
•  پر شدن ترک به کمک عامل و ترمیم آن

کامپوزیت سیمانی مهندسی (Engineered Cementitious Composite)

کامپوزیت سیمانی مهندسی مورد بعدی از انواع بتن خودترمیم شونده است. اکتشاف کامپوزیت سیمانی مهندسی که با نام بتن سیمانی مهندسی یا اختصارا بتن ECC نیز شناخته می‌شود، ساختاری است برگرفته از مکانیزم انعقاد خون و ترمیم جراحت در بدن موجودات زنده؛ بدین صورت که بتن خود ترمیم شونده قادر است به شکل دائمی، ترک‌های ایجاد شده در ساختار خود را ترمیم نموده و از ایجاد شکاف‌های عمیق در اثر گسترش آن‌ها جلوگیری کند. این قابلیت در صورت آسیب دیدن بتن خودترمیم شونده به دلیل ورود بارهای شدید نیز وجود دارد. مزیت ویژه‌ای که سیمان مهندسی ساخته شده از نانوتیوب دارد، این است که ترک‌های ایجاد شده در آن به طور کلی عمیق نبوده و مویی هستند. بنابراین، میزان انعطاف پذیری بتن ترمیم شونده از این نوع در مقایسه با بتن معمولی بسیار مطلوب تر است.
بررسی عملکرد کامپوزیت سیمانی مهندسی به شکل دقیق تر نشان می دهد که این محصول در نقش حسگر عمل کرده و در صورت ایجاد کرنش جزئی در ترک‌های ایجاد شده، آن‌ها را تشخیص می‌دهد. پس از شناسایی شدن محل مورد نظر، دستور ترمیم در بتن خودترمیم شونده ارسال می‌شود. چنین مکانیزمی دقیقا مشابه عملکرد نورون‌ها طی ایجاد جرحت در بدن موجودات زنده است. با ارسال پیام مذکور، مقاومت الکتریکی و در نتیجه، دما بالا رفته و با ذوب شدن پوسته‌ای که حاوی عامل ترمیم است، ترک‌های بتن خودترمیم شونده برطرف می‌شوند. با توجه به این که طراحی سیستم مذکور بر مبنای آزاد شدن انرژی گرمایی محبوس در حین شکل گرفتن ترک صورت می‌گیرد، از حساسیت زیادی برخوردار است. فراهم نمودن شرایط لازم به منظور جلوگیری از تبخیر آب درونی و از هم پاشیدگی ساختمان در اثر بالا رفتن دما ضرورت دارد. با پژوهش‌های صورت گرفته جهت بهبود بخشیدن عملکرد این عامل ترمیم در بتن خودترمیم شونده، اضافه نمودن مقدار معینی از پوزولان خاکستر بادی به ساختار کامپوزیت می‌تواند مشکل را تا حد زیادی برطرف نماید. خاکستر بادی طی واکنش با هیدورکسید کلسیم تولید شده در حین فرایند هیدراتاسیون سیمان، یک ماده سفید رنگ ژل مانند به وجود می‌آورد که قابلیت متصل کردن ترک‌های مویی به یکدیگر را دارد و به عنوان عامل ترمیم در بتن خودترمیم شونده به کار گرفته می‌شود. از این رو، استفاده از این نوع بتن خود ترمیم شونده به منظور محافظت، خصوصا در محیط‌های کلریده که احتمال خوردگی بتن بالاست، توصیه می‌شود. این امر از نفوذ مواد مضر به ساختار بتن توسط ترک‌های مویی و نهایتا خوردگی میلگردهای کار گذاشته شده پیشگیری می‌نماید. نکته جالب توجه این که بتن خودترمیم شونده برخلاف بتن معمولی، حتی پس از ایجاد ترک نیز مقاومت خود را از دست نمی‌دهد و همچنان قادر است تغییر شکل و کرنش کششی را متحمل گردد.

میکروکپسول های پر شده (Microencapsulated Healing Agent)

به عنوان سومین نوع، ایجاد بتن خودترمیم شونده با بهره گیری از میکروکپسول‌های پر شده، راهکاری است الهام گرفته از نقش گلبول‌های قرمز در فرایند لخته شدن خون و ترمیم جراحت. طی این روش، کپسول‌های محتوی مواد نانوتیوب به بتن تزریق می‌شوند. این کپسول‌ها که شکل کروی و نازک دارند، از مایع ترمیم کننده پر شده و در زمان برخورد با ترک‌های شکل گرفته در ساختار بتن خودترمیم شونده، می‌شکنند. با شکستن کپسول‌ها، عامل ترمیم کار گذاشته شده در بتن خود ترمیم شونده آزاد شده، به داخل ترک‌ها راه پیدا نموده و با کاتالیزگر روبرو می‌شود. در اثر این عمل، فرایند پلیمریزاسیون انجام می‌شود که با حاصل نمودن ماده‌ای بسیار سخت، عمل ترمیم ترک‌ها را در بتن خود ترمیم شونده صورت می‌دهد. یکی دیگر از انواع بتن ها، بتن خودتراکم شونده می باشد که به علت ویزگی هایی از جمله سهولت در  اختلاط، توانایی پر کردن تمام فضاها و  همچنین حفظ پایداری بتن کاربردی می باشد. برای آشنایی بیشتر با این بتن مطالعه مقاله “بتن خود متراکم (SCC) چیست؟” را پیشنهاد می کنیم.

کاربردهای بتن خود ترمیم شونده چیست؟

بتن خودترمیم شونده به عنوان یک محصول کاربردی در مناطق مواجه با خطر وقوع سیل، طوفان، تگرگ، آتش سوزی و ترک خوردگی شناخته می‌شود. این بتن برای اجرای موارد زیر مورد استفاده قرار می‌گیرد:

•  ساختمان دارای مقاومت و ظرفیت باربری بالا
•  جاده های بادوام
•  دیواره زیرزمین
•  تونل
•  بزرگ راه
•  پل
•  کف بتنی

مزایا استفاده از بتن خودترمیم شونده چیست؟

با کمک خصوصیات منحصر به فرد بتن خودترمیم شونده می‌توان به مزایای زیر دست یافت:

• ترمیم خودکار ترک‌های ایجاد شده با کمک بتن خودترمیم شونده بدون اقدام خارجی
•  بالا بردن مقاومت فشاری و خمشی به شکل قابل توجه
• کاهش میزان نفوذپذیری بتن
•  به حداقل رسیدن خوردگی فولاد در اثر ترک خوردگی و افزایش دوام بتن مسلح
•  بی ضرر بودن باکتری به کار رفته در ساختار بتن خودترمیم شونده (باسیلوس)

معایب استفاده از بتن خود ترمیم شونده چیست؟

استفاده از بتن خودترمیم شونده مسلما دارای معایبی نیز هستند که به شرح زیرند:

•  بالا بودن هزینه تامین نسبت به بتن معمولی
•  ایجاد منقطه گسیختگی در بتن خود ترمیم شونده به دلیل کاهش حجم آن توسط گلوله های رسی محتوی عامل ترمیم
•  در دسترس نبودن آیین نامه مشخص جهت طرح اختلاط بتن خودترمیم شونده
•  پر هزینه بودن بررسی رسوب کلسیت

بتن خودترمیم شونده چگونه خود را ترمیم می کند؟

با کمک بتن خود ترمیم شونده، فرایند ترمیم ترک‌ها که شامل پر شدن آن‌ها به شکل خودبخودی است، از طریق واکنش باکتریایی در بتن خودترمیم شونده بعد از سخت شدن صورت می‌گیرد. طبق مشاهدات، ترک ها ریز ایجاد شده در محدوده 0.05 تا 0.1 میلی متری در چرخه‌های خشک و مرطوب تکراری به طول کامل پر می‌گردند. نحوه این اتفاق بدین شکل است که عرض محدود مذکور در نقش مویرگ وارد عمل شده و باعث نفوذ ذرات آب می‌شود. ذرات آب سبب هیدراتاسیون سیمان شده و انبساط آن را به همراه می‌آورند. نتیجه این فرایند، پر شدن ترک در بتن خود ترمیم شونده است. البته در صورتی که شکاف‌ها عرض بیش‌تری داشته باشند، اقدامات اصلاحی دیگری نیز باید صورت داد. از جمله تکنیک‌های موجود امروزی که تحت ارزیابی و توسعه قرار داد، تکنیکی است که بر مبنای کاربرد باکتری‌های مولد مواد معدنی شکل گرفته است. باکتری‌های مورد استفاده جهت ترمیم ترک‌های موجود در بتن خودترمیم شونده، باکتری‌های مولد اسید هستند و قادرند در سلول ها به صورت خفته تا چیزی بیش تر از 200 سال طی شرایط خشک دوام بیاورند. باکتری‌های مذکور، نقش کاتالیزگر را در فرایند ترمیم ترک بر عهده دارند و بسیار متنوعند. یکی از انواع این باکتری‌ها که در ساختار بتن خودترمیم شونده وجود دارد، باسیلوس نام دارد.
در واقع، ابتکاری که در پدید آوردن بتن خودترمیم شونده به کار گرفته شده، الهام گرفته از عملکرد گلبول‌های قرمز در زمان آسیب دیدن پوست بدن است. کپسول‌های محتوی باکتری ترمیم کننده با قرار گرفتن در ساختار بتن، مواد داخل خود را حین ترک خوردن آزاد می‌نمایند. دقیقا به همین صورت است که بتن خود ترمیم شونده عملیات ترمیم بتن را انجام می‌دهد. از جمله مواد نانوی به کار رفته در بتن خودترمیم شونده می‌توان به کربن سیاه، پلی اتیلن، سیلیکا، متاکریلات بوتیل، کامفور سولفونات، اپوکسی پلی آنیلیت، اپوکسی و نانو رس اشاره نمود.

تفاوت بتن خود ترمیم شونده و بتن معمولی چیست؟

از لحاظ ساختار، تفاوتی بین بتن خودترمیم شونده و بتن معمولی وجود ندارد؛ اما بتن خودترمیم شونده از بابت فناوری به کار رفته، مقاومت و قابلیت اجرا نسبت به بتن معمولی برتر است. بتن معمولی هر چند از مصالح مقاوم محسوب می‌شود و دارای مقاومت فشاری بالاست؛ اما از نظر مقاومت کششی ضعیف عمل می‌نماید. این نوع بتن وقتی ترک می‌خورد، به شکل دستی قابلیت ترمیم دارد. این در حالی است که بتن خود ترمیم شونده جهت مرمت به هیچ گونه اقدام بیرونی احتیاج نداشته و از این رو در شرایطی که به هر دلیل، امکان دسترسی به بتن وجود ندارد، کاربرد پیدا می‌کند.

نحوه ساخت بتن خودترمیم شونده چگونه است؟

بتن خودترمیم شونده یا باکتریایی به دو صورت آماده می‌شود:

ساخت بتن خودترمیم شونده با کاربرد مستقیم

در این روش، حین مخلوط کردن بتن، هاگ‌های باکتریایی و لاکتات کلسیم مستقیما به ساختار آن اضافه می‌شوند. به کار بردن این دو مورد به بتن، سبب تغییری در خواص طبیعی آن نمی گردد. هر زمان که عاملی ترک خوردن بتن خودترمیم شونده را در پی داشته باشد، باکتری‌ها در مواجهه با تغییرات آب و هوایی قرار می‌گیرند. با ایجاد تماس بین باکتری و آب، باکتری شروع به رشد نموده و با تغذیه نمودن از لاکتات سدیم سبب تولید سنگ آهک می‌شود. بدین شکل، ترک‌های بتن خود ترمیم شونده آب بندی می‌شوند.

ساخت بتن خودترمیم شونده با کپسوله شدن در بتن سبک

در روش بعدی تولید بتن خود ترمیم شونده که کپسوله سازی است، باکتری‌ها به همراه ماده مغذی که همان لاکتات سدیم است، داخل گلوله‌های خاک رس جای گرفته و عملیات آماده سازی بتن انجام می‌شود. تقریبا 6 درصد از گلوله‌های رس جهت تولید بتن خود ترمیم شونده مورد استفاده قرار می‌گیرند. به هنگام ایجاد ترک در سازه‌های بتنی و ساختمان های از پیش ساخته اجرا شده با بتن خودترمیم شونده از این نوع، گلوله ها شکسته شده و باکتری‌ها رشد را آغاز می‌نمایند. با تغذیه شدن باکتری توسط لاکتات سدیم، سنگ آهک تولید شده و ترک‌ها ترمیم می‌شوند.

قیمت بتن خود ترمیم شونده چقدر است؟

به طور کلی، تامین بتن خودترمیم شونده نسبت به بتن معمولی گران‌تر تمام می‌شود؛ اما با توجه به خصوصیات کاربردی آن، به صرفه است. این قیمت تحت تاثیر عوامل زیر قرار داد:

•  مواد مصرفی
•  کیفیت تولید
•  مقدار مورد نیاز

یکی دیگر از انواع بتن های مورد استفاده در صنعت ساختمان سازی بتن هوادهی شده می باشد که برای آشنایی بیشتر با این بتن و تفاوت آن با دیگر بتن های مورد استفاده و همچنین قیمت خرید بتن اتوکلاو شده مطالعه مقاله “بتن هوادهی اتوکلاو شده (AAC)” را پیشنهاد می کنیم.

نکات پایانی در مورد بتن خودترمیم شونده

همان طور که در این مطلب ذکر شد، بتن خودترمیم شونده معجزه‌ای است در صنعت ساخت و ساز که نگرانی بابت ایجاد ترک در سازه و رخ دادن آسیب‌های شدیدتر را برطرف می‌سازد. علاوه بر این، بتن خود ترمیم شونده به دلیل هوشمند بودن، خطای انسانی را به حداقل رسانده و سبب اطمینان از تشخیص و ترمیم کلیه ترک‌های موجود می‌شود. از این رو، بتن خود ترمیم شونده امروزه جایگاه ویژه‌ای در ساختمان سازی پیدا کرده و به منظور تامین مقاومت و پایداری سازه کاربرد دارد. امید است که مطلب تهیه شده برای شما مفید واقع شده باشد.