بخشی از مقاله
اثر خود ترميم شوندگي در بتن به وسيله ي باکتري
چکيده :
يکي از عوامل اجتناب ناپذير در بسياري از سازه هاي بتني که مربوط به بحث دوام و پايداري سازه ها مي باشد،به وجود آمدن ترکها در اين سازه ها ست .علاوه بر اين که ترک هاي بزرگ سبب از بين بردن انسجام سازه ها مي شود،ترک هاي بسيار ريز(کوچک تر از ١ ميلي متر) مي توانند سبب افزايش نفوذپذيري در ريز ساختار بتن شوند.
ورود آب و مواد شيميايي مي تواند سبب افت نابهنگام ريزساختار و خوردگي آرماتورهاي تقويتي مي شود.از آن جايي که نگهداري و تعميرات دستي سازه هاي بتني پرهزينه است و در پاره اي از مواقع غير ممکن ،استفاده از يک مکانيزم خودکار جهت کاهش هزينه تعميرات و افزايش پايداري مصالح مي تواند بسيار مفيد باشد.از اين رو،در بخش مرکزي دانشگاه دلف هلند در قسمت مواد کارايي انواع مختلف مواد افزودني ترميم کننده به منظور توسعه ي نسل جديدي از بتن هاي خودترميم شونده مورد بررسي قرار مي گيرد.
در اين پژوهش ظرفيت يا توانايي بهبود ترک ها در نوع خاصي از مواد افزودني زيست شيمي شامل مخلوطي از باکتري هاي زيست پذير اما غير فعال و ترکيبات ارگانيک موجود در ذرات رس منبسط (ليکا) مورد بررسي قرار مي گيرد.روش هاي ميکروسکوپيک توام با آزمايش هاي نفوذپذيري حاکي از آن است که ترميم کامل ترک ها در بتن هاي حاوي باکتري صورت مي گيرد و در بتن هاي کنترلي تنها قسمتي از ترکها بهبود پيدا مي کند.مکانيزم بهبود يا ترميم ترکها در بتن هاي حاوي باکتري احتمالا از طريق تبديل کلسيم لاکتات به کلسيم کربنات صورت مي گيرد، که اين تبديل ، منجر به بسته شدن ترکها مي شود.
اين فرآيند زيست شيمي (تبديل کلسيم لاکتات به کلسيم کربنات ) سبب بسته شدن ترک هايي به پهناي در حدود ٠.١٥ ميلي متر(١٥٠ ميکرو متر) مي شود.
واژه هاي کليدي:خودترميم شوندگي بتن ،باکتري اسپور،کلسيم لاکتات ،باکتري بسيلوس ، ترک خوردگي دربتن
١- مقدمه :
به وجود آمدن ترک ها در بتن يک پديده اجتناب ناپذير مي باشد که به عنوان مثال به دليل انقباض در بتن و تنش هاي کششي در سازه ها به وجود مي آيد.در حالي که ترک هاي بزرگ مي توانند سبب از بين رفتن انسجام در سازه ها شـوند،وبه تبـع آن نيازمنـد تعميرات مي باشيم ،ترک هاي بسيار ريز (به پهناي ٠.٢ ميلي متر) عمدتا غير مساله ساز در نظر گرفته مي شـوند [١-٢] .علـي رغـم اين که چنين ترکهاي بسيار ريزي بر روي ويژگي هاي مقاومتي يک سازه تاثير نمـي گـذارد ،امـا از طرفـي مـي تواننـد سـهمي در نفوذپذيري و تخلخل مصالح داشته باشند.
ورود مواد شيميايي مزاحم از قبيل :کلرايدها،سولفاتها و اسيدها مـي توانـد در طـولاني مـدت منجـر بـه افـت ريزسـاختار بـتن و خوردگي زود هنگام آرماتورهاي تقويتي شود،وبه تبع آن سبب پايين آمـدن دوام در سـازه هـا در طـولاني مـدت شود.بسـياري از مطالعات حاکي از آن است که سازه هاي بتني توانايي يا ظرفيت ويژه اي براي ترميم چنين ترک هاي بسيار ريزي را دارند.ظرفيت حقيقي ترميم شوندگي اين ترک هاي بسيار ريز ابتدا با توجه به ترکيبات طرح اختلاط مشخص مي شود [٢-٥].
اختلاط بر اساس محتواي اليافي با مقاومت بالا [٥] ،ويژگـي هـاي قابـل تـوجهي را نشـان مـي دهد؛کـه ايـن ويژگـي بـه دليـل هيدراسيون ديرهنگام (ثانويه )ريزساختار سيمان غير هيدراته و ذرات الياف در واکنش با آب ورودي به ترک ها مي باشـد.بهبود يـا ترميم مستقل تر ک ها چه در طرح اختلاط به روش سنتي و چه در طرح اختلاط با محتواي اليـافي مقـاوم محـدود بـه ترکهـايي بـا پهناي کم تر از ٠.٢ ميلي متر است [٢-٥].
بهبود يا ترميم ترک هايي با پهناي ذکر شده (کم تر از ٠.٢ ميلي متر) عمـدتا بـه دليـل محـدوده ي وسـيعي از ذرات کوچـک سيمان غيرهيدراته قرار گرفته در سطح ترکها مي باشد.يکي ديگر از محدوديت هاي به کار بردن اختلاط با محتـواي اليـافي مقـاوم منحصرا براي افزايش ظرفيت ترميم شوندگي ،سياست هاي رايج و متداولي است که به صورت پراکنده سيمان را در بتن به منظور دوام پذيري استفاده مي کند؛چرا که توليد سيمان در حدود ٧ درصد در انتشار گـاز دي اکسـيد کـربن موجـود در طبيعـت سـهيم است .به همين دليل ما نيازمند مکانيزم هاي جانبي و مکانيزم هاي خودترميم شوندگي با دوام بالا هستيم .
يک مکانيزم ممکن در حال حاضر در چندين آزمايشگاه مورد بررسي و توسعه قرار گرفته است ،به عنوان مثال :روشي بر اساس کاربرد توليد باکتري هاي معدني . بستن ترکها به صورت موثر از طريق ته نشين شدن مواد معدني در حالي صـورت مـي گيـرد کـه باکتري موجود در اختلاط بر روي سطح آسيب ديده پاشيده شود و يا به طور دستي درون ترک ها تزريق شود [٧-١٣].
از آن جايي که در اين مطالعات باکتري به طور دستي و خارجي بر روي سازه هاي موجود به کار برده مي شوند،اين نوع روش تعمير نمي تواند به عنوان روشي براي خودترميم شوندگي تلقي شود.به همين خاطرات در بسياري از مطالعات بعدي ،امکان استفاده از باکتري هاي زيست پذير به عنوان يک عامل خودترميم شونده درون بتن کشف شد [١٤-١٦].
در يکي از مطالعات صورت گرفته ،تخم هاي نوع خاصي از باکتري مقاوم در برابر قلياييت بـه نـام بسـيلوس جنـوس بـه عنـوان عامل ترميم کننده به طرح اختلاط بتن اضافه مي شوند [١٦].اين تخم هاي باکتري بعد از فعال سازي با ورود آب بـه داخـل تـرک هاشروع به رشد مي کنند و مقادير بسيار زيادي کلسيم کربنات توليد مي کنند ،که منجر به پر کردن ترکها مـي شـود.در واقـع ايـن عمل از طريق تبديل ترکيبات ارگانيک پيشرو که به صورت هدفمند به طرح اختلاط بتن اضافه مي شوند صورت مي پذيرد.
با اين وجود در اين نوع پژوهش باکتري ها با ظرفيت ترميم شوندگي ،محدود به بتن هـاي نسـبتا جـوان (٧ روزه ) هسـتندو هـم چنين زيست پذيري و فعال بودن اين تخم هـاي بـاکتري کـه بـه طـور مسـتقيم (غيـر محافظـت شـده ) درون ريزسـاختار بـتن قـرار گرفتندتقريبا محدود به ٢ ماه مي باشد.
در اين جـا تخـم هـاي بـاکتري و ترکيبـات ارگانيـک پيشـرو قبـل از اضـافه شـدن بـه طـرح اخـتلاط وارد ذرات رس منبسـط متخلخل (ليکا) مي شوند.اين فرضيه وجود دارد که حفاظت و نگهداري تخم هاي باکتري درون سبک دانـه هـاي متخلخـل باعـث افزايش دوره ي زيست پذيري آن ها و هم چنين افزايش کارايي بتن خود ترميم شونده در هنگام جا گرفتن در ريز ساختارشود.
٢- باکتري هاي زيست پذير به عنوان عاملي جهت خودترميم شوندگي :
باکتري مورد استفاده در بتن به عنوان عامل ترميم کننده بايد مناسب کار باشد.براي مثال ،اين باکتري ها بايد قادر به بستن موثر ترک ها ترجيحا در طول عمر مفيد سازه باشند.مکانيزم اصلي بستن ترک ها ايـن اسـت کـه بـاکتري هـا خودشـان بـه انـدازه يـک کاتاليست عمل کنند و ترکيبات ارگانيک پيشرو را به يک فيلر مناسب تبديل کنند.
ترکيبات توليد شده تازه مثل کلسيم کربنات مبتني بر رسوب مواد معدني بايـد بـه عنـوان يـک bio-cement کـه مـي توانـد ترکهاي تازه شکل گرفته را ببندد عمل کنند.بنابراين براي خودترميم شوندگي موثر ،هم باکتري و هم ترکيبات پيشرويي همچون
bio-cement بايد درون ريزساختار مخلوط شوند.با اين حال وجود باکتري و ترکيبات ارگانيک درون ريزساختار نبايد يه طور منفي بر روي ديگر ويژگي هاي بتن تاثير بگذارد.نوعي از باکتري که باعث پايداري اتصال و پيوستگي ريزساختار بتن مي شود در طبيعت وجود دارد و اين نوع باکتري ها مربوط به گروه خاصي از تخـم هـاي بـاکتري شـکل گرفتـه مقـاوم در برابـر قلياييـت مـي باشند.ويژگي جالب اين نوع باکتريها اين است که آن ها قادر به تشکيل تخم هايي هستند که اين نوع تخم ها سلول هاي کروي بـا ديواره ضخيم مشابه با دانه هاي گياه هستند.اين نوع تخم ها زيست پذيرنـد امـا غيرفعـال وقـادر بـه تحمـل تـنش هـاي مکـانيکي و شيميايي مي باشند و مي توانند در حالت خشک براي بيش از ٥٠ سال زنده بمانند(شکل ١).
شکل شماره (١)عکس ميکروسکوپ الکتروني،ازاسپور قليايي مقاوم در برابر تشکيل باکتري
(باسيلوس 1-E2-B2).
درشکل فوق ،باکتري ها فعال رويشي (ميله ) و اسپور (کره )قابل مشاهده است . همان طورکه ديده مي شود ،اندازه قطـر اسـپور يـک ميکرومتر مي باشد.
اما زماني که تخم هاي باکتري به طور مستقيم (غيرمحافظت شده ) به طرح اختلاط بتن اضافه مي شوند طول عمر آن ها محدود به يک يا دو ماه است [١٦].اين کاهش طول عمر تخم هاي باکتري از چندين دهه در حالت خشک به يک يا دو ماه در حالت غير محافظت شده در زمان جا گرفتن در ريزساختار مي تواند به دليل هيدراسيون پي در پي سيمان باشد که منجر به سوراخ هايي با قطر کوچکتر از تخم هاي باکتري با قطر ١ ميکرومتردر ريز ساختار مي شود [١٦].
مساله ديگر اين است که آيا اضافه کردن مستقيم ترکيبات ارگانيک زيست معدني پيشـرو مـي توانـد منجـر بـه از دسـت رفـتن ناخواسته ي ديگر ويژگي هاي بتن شود يا خير.در مطالعات بعدي به اين نتيجه رسيدند که ترکيبات زيست معـدني پيشـرو همچـون شيره مخمر،پپتون و کلسيم استات باعث کاهش چشم گيري در مقاومت فشاري مي شود . تنها استثنا در اين مورد کلسـيم لاکتـات است که باعث افزايش ١٠ درصدي مقاومت فشاري در مقايسه با ديگر نمونه هاي کنترلي مي شود [١٦].
به منظور افزايش اساسي طول عمر و کارايي بتن هاي حاوي باکتري ،تاثير تخم هاي باکتري و بـه طـور همزمـان عـدم تحـرک ترکيبات ارگانيک زيست معدني پيشرو ( کلسيم لاکتات ) در ذرات رس با تخلخل بالا در اين پژوهش مورد آزمايش قرار گرفته و به اين نتيجه رسـيدند کـه حفاظـت و نگهـداري تخـم هـاي بـاکتري بـه وسـيله ي بـي حرکـت کـردن يـا عـدم تحـرک ترکيبـات ارگانيک (کلسيم لاکتات ) درون ذرات رس با تخلخل بالا قبل از اضافه کردن به اخـتلاط بتن (شـکل ٢) در حقيقـت بـه طـرز قابـل چشم گيري سبب افزايش طول عمر مي شود.
شکل شماره (٢) مواد افزودني بهبود خود متشکل از ذرات رس منبسط (سمت چپ ) پر شده با باکتري
اسپور و ترکيب آلي پيشرو زيستي معدني (لاکتات کلسيم )
در حال حاضر آزمايشات مربوط به زيست پذيري حاکي از آن است که پس از ٦ ماه از گيرش بتن هيچ کمبود زيست پذيري ديده نشده است و توصيه بر اين است که زيست پذيري طولاني مدت که در حالت خشک ديده شده (در هنگام جا نگرفتن در بتن ) مورد توجه قرار گيرد.
در آزمايشات بعدي ذرات رس منبسط (ليکا) حاوي دو نماينده ترميم کننده ي ترکيبات زيست شيمي به عنوان مـواد افزودنـي در ريز ساختار بتن جهت آزمايش ظرفيت ترميم شوندگي بتن هاي حاوي باکتري به کار برده شدند.
٣- تعمير اتوماتيک يا خودکار بتن هاي خود ترميم شونده حاوي باکتري
نمونه هاي آزمايشي بتن در جايي که قسمتي از مصالح دانه بندي براي مثال با اندازه ٢ميلي متر تا ٤ ميلي متـر بـا ذرات رس بـا اندازه ي مشابه جايگزين مي شوندتهيه مي شوند؛که اين ذرات رس شامل نماينده خودترميم شونده ي زيست شيمي مـي باشـد.قبل از انجام کار ؛ذرات رس باربر درون آون (به مدت يک هفته در دماي ٤٠ درجه سانتي گراد)خشـک شـده تـا ديگـر هـيچ کمبـود وزني به دليل تبخير آب مشاهده نشود.نمونه هاي کنترلي ، ترکيب دانه بندي مشابهي دارند اما ذرات رس ديگر حاوي عامل زيست
شيمي نيستند.هر دو نوع ذرات رس چه باربر و چه غيرباربر به عنوان ترکيبي در نمونه هاي بتني وجود دارند.کـه ايـن نمونـه هـا در شکل شماره (٣) نشان داده شده اند.
سبکدانه هاي استفاده شده در اين مورد حدود ٥٠ درصد از حجم کل دانه بندي را تشکيل مي دهند.جايگزيني ماسه و شـن بـا شکستگي بالا با ذرات رس منبسط شده عواقبي در مورد ويژگي هاي مقاومتي بتن مشتق شده در پي خواهد داشـت . در ايـن مـورد خاص کاهش ٥٠درصدي در مقاومت فشاري بعد از ٢٨ روز عمل آوري در مقايسه با نمونه هايي بـا ترکيبـات مشـابه ولـي بـدون جايگزيني ماسه و شن شکسته با ليکا را خواهيم داشت .
با وجود اين که نمونه هاي حاوي رس منبسط کاهش اساسي مقاومت را نشان مي دهند،اما ظرفيت ترميم شوندگي ترک هـاي موجود در نمونه ها در جايي کـه ذرات رس منبسـط شـده حـاوي بـاکتري و ترکيبـات ارگانيـک معـدني پيشرو(کلسـيم لاکتـات ) هستند،به طور چشم گيري افزايش مي يابد.
شکل شماره (٣)ترکيبات نمونه هاي بتني
ظرفيت يا توانايي خود ترميم شوندگي نمونه هاي بتني پيش ترک خورده از روي نمونه هاي استوانه اي که بـه مـدت ٥٦ روز (٢ ماه ) درآب عمل آوري شده اند،با استفاده از عکس هاي ميکروسکوپيک بسيار ريز قبل و بعد از تعيـين نفوذپـذيري تعيـين مـي شود.پس از آن نمونه هاي بتني پيش ترک خورده در يک حلقه ي آلومينيومي چسب کاري مي شوند و آزمـايش نفوذپـذيري بـر روي آن ها صورت مي گيرد.ترک در نمونه هاي بتني (ضخامت ١.٥ سانتي متر و قطر ١٠ سانتي متر) با به کار بردن تنش فشاري - کششي به صورت کنترل شده (شکل ٤-سمت چپ ) شکل مي گيرد که اين نمونه ها به مدت ٢ ماه عمل آوري شده اند.
