بخشی از مقاله
چکیده
ایجاد ترک در بتن یک فرآیند شایع در بتن به دلیل استحکام کششی ضعیف بتن میباشد. پایداری و دوام سازههای بتنی به دلیل این ترکها و
عیوب به دلیل نفوذ آب و گاز به درون سازهها کاهش مییابد. این گازها و آب حاوی عناصر مضر و خطرناک جهت پایداری و دوام سازه هستند. اگر این ترکها توسعه پیدا کرده و به آرماتورهای فولادی برسند نه تنها بتن از بین میرود بلکه این آرماتورها نیز از بین میروند و خورده می-شوند. خورده شدن آرماتورهای فولادی توسط عوامل خورنده باعث کاهش شدید در استحکام سازه میشود . جهت حل این مشکل راه حلهای گوناگونی ابداع شده است. البته این روشها با وجود مزایا دارای معایب و ناکارآمدیهایی نیز مانند وجود اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی بین این مواد، بتن و خطرات زیست محیطی میباشند. به دلایل ذکر شده مبحث استفاده از گزینههای جایگزین مورد توجه قرار گرفته است. یک مکانیسم امکانپذیر جدید که در مقیاس آزمایشگاهی در حال بررسی و توسعه است، فنآوریهای برپایه استفاده از رسوب مواد معدنی حاوی باکتریها میباشد. این فنآوری نوظهور بوده و مورد توجه فراوان مراکز تحقیقاتی بتن و سیمان میباشد. بتن باکتریایی براساس قابلیت رسوب دهی کلسیت بوسیله باکتری ها طراحی و ساخته میشود. این پدیده رسوب کلسیت تحریک شده با باکتری یا به اختصار MICP1 نامیده میشود. رسوبات کربنات کلسیم بعنوان یک درزگیر میکروبی توانمندی بالای خود را در پر کردن ترک ها و شکاف های ریز در گرانیت-ها و سنگها و ماسه اثبات کردهاند بنابراین روش ترمیم ترک در بتن باکتریایی میتواند به عنوان یک جایگزین مناسب و دوستدار محیط زیست ارائه شود. در حال حاضر این فنآوری در حال توسعه و تحقیق به عنوان یک روش هوشمند خود ترمیمشونده در بتن میباشد. در تحقیق حاضر مروری بر تاریخچه شروع و توسعه این فنآوری و جایگاه حال و آینده آن خواهد شد.
کلمات کلیدی: بتنهای کامپوزیتی، بتنهای باکتریایی، سازههای بتنی، آرماتورهای فولادی، ترمیم ترک
1 Microbially induced calcite precipitation
1
-1مقدمه
یکی از مهمترین و متداولترین مصالح ساختمانی، بتن2 است که به علت دارا بودن خواصی از جمله شکل خمیری قبل از گیرش، مقاومت خوب در برابر آتش سوزی، دسترسی آسان به مصالح و مقاومت فشاری خوب آن استفاده از آن را با مقبولیت عمومی روبرو کرده است1]و.[2 بتن از پر مصرف ترین مواد در ساخت سازه ها میباشد علی رغم تنوع سازه ها محدودیت هایی برای بتن، این ماده ارزشمند ساختمانی شناخته شده است.[2] استحکام کششی ضعیفی دارد و مقاومت اندکی در برابر ترک دار شدن دارد. تحقیقات متوالی و زیادی در مراکز تحقیقاتی دنیا انجام شده است که هدف عمده این تحقیقات پیشنهادات اصلاحی برای غلبه بر این کاستی های بتن بوده است.[3] از میان این زمینهها مبحث افزایش عمر سازههای بتنی از اهمیت و جایگاه خاصی برخوردار میباشد که افزایش دوام میتواند از دو جنبه جلوگیری از ایجاد ترک و ترمیم ترک در صورت ایجاد آن بررسی شود که در این تحقیق مبحث دوم از اهمیت بیشتری برخوردار میباشد3]و.[4 مواد ساختمانی نظیر بتن در معرض عمل هوازدگی، عوامل بیولوژیکی و شیمیایی و سایر شرایط مخرب میباشد.[4] از مهمترین این عوامل که موجب تخریب و انهدام سازهها و یا به عبارتی کاهش دوام و استحکام آنها با ایجاد ترک میشوند عبارتند از: نفوذ نمکها[5]، حملات کلریدی6]تا[8، حملات سولفاتی 9]تا[ 11، عمل یخ زدگی12]تا[14 ، نمکهای ذوب یخ[4]، عکس العمل قلیایی سنگدانه ها15]و [16 و کربناسیون17]تا[19، که همه این حملات باعث ایجاد ترک در سازهها و کاهش عمر مفید آنها میشوند. تشکیل ترک در بتن فرآیندیست که به سختی می توان از آن اجتناب کرد. برای مثال وجود تنشهای کششی پسماند در بتن باعث ایجاد ترک می شود. تنشهای بزرگ بالقوه، باعث کاهش پایداری و دوام سازه ها شده و بنابراین باید تعمیر شوند. ترک های با پهنای کمتر از 0/2 میلی متر و کوچکتر از آن معمولا غیر مهم در نظر گرفته می شوند اگر چه این ترک ها روی خواص استحکامی سازه تاثیر گذار نیستند اما می توانند منجر به افزایش تخلخل و نفوذ پذیری کلرید ها، سولفات ها،اسید ها و عوامل خورنده شده که در طولانی مدت باعث فساد و تخریب زمینه بتنی و خوردگی زودرس آرماتور های بتنی میشوند. بنابراین دوام وپایداری طولانی مدت سازه کاهش مییابد3] ، 4 و .[20 در تعدادی از تحقیقات انجام شده گزارش شده است که سازه های بتنی یک ظرفیت مشخص برای ترمیم این نوع از ترک ها دارند.[25-21] ظرفیت واقعی ترمیم ریز ترک ها وابسته به ترکیب شیمیایی بتن می باشد. بویژه مخلوط های با سیمان بالا خواص خود ترمیم ترک قابل ملاحظهای دارند که ناشی از باقی ماندن مقداری از سیمان اولیه به صورت واکنش نکرده(هیدراته نشده) در بتن می-باشد که با نفوذ آب این سیمان هیدراته نشده واکنش داده و ترک ها را پر می کند. این فرآیند در مورد همه بتنهای سنتی اتفاق افتاده ولی توان خودترمیمی آن محدود به ترک های با عرض کمتر از 0/2 میلی متر می باشد. برای رخداد این فرایند شرایطی میبایست در بتن ایجاد شود که ایجاد این شرایط در بتن در اثنای ایجاد ترک دشوار است به عنوان مثال ذرات ریز سیمان باید در معرض سطح ترک در مواجهه با آب قرار بگیرند که احتمال رخداد آن اندک است یا مخلوط بتن باید حاوی مقادیر بالای سیمان باشد که این موضوع به دلیل قیمت بالای سیمان و کاهش استحکام بتن کمتر از آن استفاده میشود. به دلایل ذکر شده مبحث استفاده از گزینههای جایگزین از جمله بتن باکتریایی مورد توجه قرار گرفته است.
-2 بدنه اصلی
تا کنون در عمده تحقیقات جهت رسیدن به استحکام از مواردی نظیر خاکستر، سرباره کوره بلند، دوده سیلیس، متاکالوئن و مواد مشابه به عنوان افزودنی به بتن استفاده شده است. اخیراً فنآوری جدیدی با عنوان رسوب معدنی باکتریایی ابداع شده است که این رسوب از فعالیت های متابولیکی میکروارگانیسمهای خاص در بتن منشاء شده و باعث بهبود دوام و پایداری و خواص بتن در طولانی مدت میشود. این فرایند می تواند در داخل یا خارج سلول میکروبی یا حتی با فاصله از آن در داخل زمینه بتنی اتفاق بیافتد. اغلب فعالیت این نوع از باکتری ها مبتنی بر تغییر در شیمی محلول موجود در محیط فعالیت باکتری جهت ایجاد فوق اشباع و رسوب مواد معدنی میباشد. استفاده از این فنآوری(زیست معدنی) در بتن منجر به ایجاد پتانسیل جدیدی برای انجام ابداعات در زمینهی تولید نوع جدیدی از بتن به عنوان بتن باکتریایی شده است. بتن باکتریایی براساس قابلیت رسوب دهی کلسیت بوسیله باکتری ها طراحی و ساخته میشود. این پدیده رسوب کلسیت تحریک شده با باکتری یا به اختصار MICP نامیده میشود.[26] رسوبات کربنات کلسیم بعنوان یک درزگیر میکروبی توانمندی بالای خود را در پر کردن ترک ها و شکاف
2 Concrete
2
های ریز در گرانیتها و سنگها و ماسه اثبات کردهاند.[20] فنآوری رسوب کلسیت با استفاده از باکتری یک فرایند جذاب و ارزشمند محسوب میشود. عمده این جذابیت ناشی از عدم ایجاد آلودگی زیست محیطی و طبیعی بودن این فناوری میباشد. این فنآوری میتواند برای بهبود استحکام فشاری و سختی نمونه های بتنی ترک دار یا سازه های بتنی تحت تنش ترک دار استفاده شود.[27] نخستین تحقیق در زمینه تعمیر بتن با MICP به وسیله گروه راما کریشنان در دانشکده صنعت و معدن داکوتای جنوبی امریکا انجام شده است. MICP تکنیکی است که از یک شاخه بزرگتر از علم بنام بیو مینزالیزیشن یا زیست معدنی می-آید.[28] فرایندی که در آن یک موجود زنده یا باکتری جامدات معدنی تولید می کند. باکتریها میتوانند به صورت مداوم تولید یک لایه کلسیت فوق العاده غیر قابل نفوذ روی سطح بتن ایجاد کند رسوب ایجاد شده ساختار کریستالی درشتی دارد که به آسانی به شکل پوسته هایی به سطح بتن می چسبد علاوه بر توانایی تولید و رشد مداوم، این لایهها فوق العاده غیر قابل نفوذ در مقابل آب هستند. آنها در مقابل نفوذ عوامل مضر( کلریدها، سولفاتها، دی اکسیدکربن) به داخل بتن مقاومت کرده و بنابراین مقدار تاثیر این عوامل زیان بار بر بتن کاهش می یابد. به دلیل توانایی ذاتی ایجادرسوب مداوم کلسیت به وسیله باکتری، این نوع بتن باکتریایی می تواند بعنوان یک زیست ماده هوشمند برای ترمیم بتن در نظر گرفته شودMICP .[4] شامل یک سری واکنش های پیچیده بیو شیمی بوده و کارایی آن می تواند به مقدار زیادی بوسیله عواملی نظیرتخلخل محیط و تعداد سلول های موجود و حجم مواد مغذی اضافه شده تحت تاثیر قرار بگیرد.[4] بافر فسفات یا اوره و ماده حاوی کلسیم مانند کلرید کلسیم )CaCl2( می تواند به عنوان مواد مغذی خیلی خوب و مناسب استفاده شوند. باکتری در حضور این مواد مغذی رسوب کلسیت را ایجاد می کند. اسیدیته یا pH عامل مهمی در فعالیت یا عدم فعالیت باکتریها در محیط بتن میباشد به عنوان مثال، مقدار بهینه pH یا اسیدیته محیط برای رشد باسیلوس پاستوری در حدود نه است. قلیای بالای محیط بتن با pH حدود 12 بزرگترین عامل تأخیر انداز در رشد باکتری است اما به هر حال پاستوری این توانایی را دارد که یک اندوسپور ایجاد کند که در مقابل شرایط سخت مقاومت کند 3]و.[4 سیمان یا بتن اصلاح شده میکروبی به یک زمینه جدید تحقیقاتی مهم در مورد مواد سازه های پر مصرف تبدیل شده است. بستن ترکها در سطح بتن بوسیله رسوب مواد معدنی در حالتی که این باکتری ها اسپری شوند یا به صورت دستی به سطوح ترک اعمال شدهاند مشاهده شده است در واقع در مطالعاتی که در آن این باکتریها به صورت دستی و یا خارجی به سازه های ترک دار اعمال میشوند را نمی توان فرآیند خود ترمیمی دانست.[4]در پارهای از تحقیقات از باکتری ها به صورت افزودنی به بتن استفاده شدهاست. در یک مطالعه اسپورهای یک باکتری مقاوم با قلیا از گونه باسیلوس به یک مخلوط بتن به عنوان عامل خود ترمیمی اضافه شده است (شکل.(1 این اسپورها باورود آب از طریق ترک فعال شده و مقدار فراوانی از ماده معدنی بر پایه کربنات کلسیم تولید و ترک را پر می کنند. این ماده معدنی از تبدیل مواد آلی اولیهای که به عنوان غذای باکتری به بتن اضافه شده است توسط باکتری ایجاد میشود. در مطالعه مذکور گزارش شده که این فرآیند خود ترمیمی صرفا بصورت محدود برای بتن های تازه 7) روز هیدراته شده) قابل استفاده است باکتری ها حداکثر می توانند به مدت 2 ماه در بتن قابلیت زیست داشته و فعال باشند. دراین تحقیق اسپور های باکتری و مواد آلی اولیه قبل از اختلاط به ذرات رس اضافه شده و این مخلوط به بتن اضافه میشود. اینگونه فرض می شود که حفاظت اسپورهای باکتریها در دانههای سبک وزن متخلخل انجام می-شود و دوره دوام و قابلیت خود ترمیمی آنها هنگامیکه در بتن وارد می شوند افزایش مییابد.[20] باکتری که به عنوان عامل خود ترمیم کننده در بتن قرار است استفاده شود باید دارای خصوصیاتی باشد. این باکتری باید قادر باشد تا در زمان طولانی ترجیحا در کل زمان عمر یک سازه قابلیت درزگیری ترکها را داشته باشد.[28] مکانیسم اساسی ترمیم ترک باکتری بر این پایه است که باکتریها بعنوان یک کاتالیزور عمل میکنند. مواد اولیه آغازگر را به یک پرکننده مناسب تبدیل میکنند. مواد تولید شده جدید نظیر مواد معدنی بر پایه کربنات کلسیم که رسوب می کنند. باید به عنوان یک نوع سیمان زیستی عمل کرده و به طور مؤثری ترکهای ایجاد شده را ببندند. بنابراین برای یک قابلیت خود ترمیم کننده مناسب هم باکتریها و هم ماده آغازگر بایستی در زمینه بتن موجود باشند وجود این مواد اضافه شده به بتن نباید خواص مورد نظر بتن را عوض کند باکتریهایی که بتوانند شرایط محیط بتن را تحمل کنند در طبیعت موجود و مربوط به یک دسته ویژه از باکتریهای تشکیل دهنده اسپور مقاوم به قلیا می-باشند. مشخصه جالب این باکتری تولید سلولهایی با دیوارههای ضخیم کروی مشابه بذر گیاهان است. این اسپورها به صورت سلول های نهفته در بتن قابلیت زیست داشته و میتوانند تنش های شیمیایی و و مکانیکی محیط بتن را تحمل کنند. در محیط خشک این باکترها میتوانند برای بیش از 50 سال زنده بمانند .[29] متاسفانه زمانی که این باکتریها مستقیم به بتن اضافه می-شوند عمرشان محدود به یک یا دو ماه میباشد. کاهش در عمر اسپورهای باکتریها از چند دهه(محیط خشک) به چند ماه (در بتن) میتواند ناشی از هیدراتاسیون مداوم سیمان بتن باشد که نتیجه این هیدراتاسیون تشکیل حفرات با اندازه کمتر از یک میکرومتر در زمینه بتن و کوچکتر از اندازه اسپور باکتریهاست. نکته مهم دیگر این است که افزودن مواد آغاز گر زیست آلی-معدنی به بتن موجب کاهش خواص بتن نگردد در تحقیقات گذشته مشخص شده است که این مواد نظیر عصاره مخمر ها، پپتون و استات کلسیم موجب کاهش شدید استحکام فشاری بتن میشوند تنها نکته استثناء مربوط به لاکتات کلسیم است که موجب 10 درصد افزایش استحکام نسبت به نمونه اولیه میشود.[29]
3
