بخشی از مقاله
بتن خود ترمیمی توسط باکتری
چکیده
در سالهای اخیر از باکتریها به نحو موثری برای حفاظت سازههای بتنی و یا ترمیم مجدد آنها استفاده شده است در این تحقیقات تعداد زیادی باکتریهای مفید و مقاوم به محیط قلیایی بتن شناسایی و مورد ارزیابی قرار گرفتهاند که از این میان دو گونه پاستئوری و باسیلوس اسفریکوس از ارزش و اهمیت بالاتری برخوردار هستند. هدف از پژوهش حاضر بررسی بتن خود ترمیمی با روشهای مختلف بخصوص روش ترمیم باکتریایی میباشد که در انتها به نمونههایی از تحقیقات انجام شده پرداختهایم. روش پژوهش حاضر توصیفی- تحلیلی و کتابخانهای میباشد ، نتایج به دست آمده نشان میدهد فعال سازی باکتریها در بتن زمینه تشکیل لایههای رسوبات کربناتی راکه منجر به افزایش پایایی و کاهش نفوذپذیری بتن می شود؛ فراهم میسازد.
واژگان کلیدی: بتن، ترمیم بتن، ترمیم باکتریایی.
1
-1 مقدمه
یکی از مهمترین و متداولترین مصالح ساختمانی، بتن1 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 است. بتن از پر مصرفترین مواد در ساخت سازهها میباشد علی رغم تنوع سازهها محدودیتهایی برای بتن، این ماده ارزشمند ساختمانی شناخته شده است(.(Sunil Pratapreddy,2010 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 کاستیهای بتن بوده است(نویل، .(1386 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 میباشد(.(Sunil Pratapreddy,2010, Song,2007 مواد ساختمانی نظیر بتن در
معرض عمل هوازدگی، عوامل بیولوژیکی و شیمیایی و سایر شرایط مخرب میباشد((Song,2007 از مهم-
ترین 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((Kawadkar, 1981، حملات کلریدی((Zhang et at,2013،
حملات سولفاتیا (Bassouni,et at) عمل یخزدگی((Shang et at, 2008، نمکهای ذوبیخ((Song,2007،
عکسالعمل قلیایی سنگدانهها((Wang et at, 2008 و کربناسیون (Talukdar et at, 2012)، که همه این حملات باعث ایجاد ترک در سازهها و کاهش عمر مفید آنها میشوند. تشکیل ترک در بتن فرآیندیست که به سختی میتوان از آن اجتناب کرد. برای مثال وجود تنشهای کششی پسماند در بتن باعث ایجاد ترک
میشود. تنشهای بزرگ بالقوه، باعث کاهش پایداری و دوام سازهها شده و بنابراین باید تعمیر شوند. ترک-
های با پهنای کمتر از0/2 میلی متر و کوچکتر از آن معمولا غیر مهم در نظر گرفته میشوند اگر چه این ترکها روی خواص استحکامی سازه تاثیر گذار نیستند اما میتوانند منجر به افزایش تخلخل و نفوذپذیری کلریدها، سولفاتها، اسیدها و عوامل خورنده شده که در طولانی مدت باعث فساد و تخریب زمینه بتنی و خوردگی زودرس آرماتورهای بتنی میشوند. بنابراین دوام وپایداری طولانی مدت سازه کاهش مییابد (Song,2007) در تعدادی از تحقیقات انجام شده گزارش شده است که سازههای بتنی یک ظرفیت مشخص
برای ترمیم این نوع از ترکها دارند(.(Aggilis et at,2011 ظرفیت واقعی ترمیم ریز ترکها وابسته به ترکیب شیمیایی بتن میباشد. بویژه مخلوطهای 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 میباشد که با نفوذ آب این سیمان هیدراته نشده واکنش داده و ترکها را پر میکند. این فرآیند در مورد همه بتنهای سنتی اتفاق افتاده ولی توان خودترمیمی آن محدود به ترکهای با عرض کمتر از 0/2 میلی متر میباشد. 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.
3
-2 بتن متداول و معایب آن
بتن به عنوان مصالحی محکم ونسبتاً ارزان در دنیا شناخته شده است که کاربرد آن در صنعت ساخت و ساز روز به روز در حال افزایش است ولی اثرات منفی ناشی از تولید مصالح مورد نیاز آن بر روی محیط زیست قابل ملاحظه است. سیمان و مصالح سنگی ریز و درشت دانه، اجزای اصلی تولید بتن هستند که با توجه به ابعاد وسیع پروژههای عمرانی به منظور تأمین مصالح مورد نیاز آن، لزوم تولید فراوان سیمان و برداشت وسیع از معادن شن و ماسه ضروری است. این موضوع نه تنها مستلزم سرمایه گذاریهای کلان جهت ساخت کارخانههای متعدد تولید سیمان است، بلکه موجب افزایش مصرف انرژی برای تولید و حمل مصالح مذکور
به نقاط مختلف میگردد .پیامد این روند سبب افزایش تولید گازهای گلخانه ای، گرم شدن کره زمین و اثرات منفی زیست محیطی آن بر روی طبیعت میشود. تخمین زده میشود تولید سیمان پرتلند (کلینکر سیمان) به تنهایی %7 از کل دی اکسید کربن تولید شده ناشی از فرآیند توسعه فناوری بشر را به خود اختصاص میدهد که این امر به دلیل ساخت کلوخه کلینکر که با مخلوط کردن سنگ آهک و خاک رس در درجه حرارت حدود 1500 درجه سانتیگراد حاصل می شود (با حرارت دادن، کربنات کلسیم((CaCO3 از
خود گاز دی اکسید کربن آزاد کرده و به اکسید کلسیم((CaO تبدیل میشود)(. ( Worrell et at,2001 بنابراین با توجه به زیانهای وارده به محیط زیست ناشی از تولید و حمل سیمان، بر اساس مبانی توسعه پایدار از نقطه نظر محیط زیستی، نمیتوان بتن را جزء مصالح پایدار تلقی کرد(.(Gerilla et at, 2007
از منظری دیگر، با توجه به ماهیت و استعداد بتن در ترک خوردگی، این ماده از قرارگیری در محدوده مصالح سازهای بدون نقص، ایده آلوکاملاً بادوام فاصله میگیرد. از جمله مهمترین پیامدهای نامطلوبی که کاهش دوام بتن میتواند داشته باشد، تأثیر بر اقتصاد ملی کشورهاست که در واقع مجموع هزینههایی است که صرف نگهداری و تعمیر سازههای بتنی میشود. تنها در آمریکا تخمین زده میشود که هزینه مستقیم سالیانه برای نگهداری و ترمیم پلهای بتنی بزرگراهها که در نتیجهی خوردگی میلگرد حاصل میشود، در
4
حدود 4 میلیارد دلار است((FHWA-RD, 2001 به خصوص ترک خوردگی در سطح بتن موجب کاهش دوام مصالح میگردد به گونهای که با نفوذ آب و مواد شیمیایی زیان آور از طریق این ترکها به داخل بتن،
خوردگی میلگرد و تخریب بتن را موجب میشود(.(Neville, 1996
-3 مفهوم خود ترمیمی
بتن را از این رو که از بدو تولید تا پایان عمر نیاز به نگهداری دارد، میتوان به عنوان یک موجود زنده تلقی کرد. این نگهداری در سنین اولیه بسیار حائز اهمیت است و نقش اساسی در مقاومت دراز مدت و عملکرد آتی آن دارد. ما به دنبال روشی هستیم که از داخل بتن و بدون دخالت نیروی انسانی ترک خوردگی آن رفع گردد. پس می توان گفت خود ترمیمی در بتن، به مفهوم تولید بتنی جاندار و هوشمند است که قابلیت ترمیم ترکهایش را به وسیله یک سری فعل و انفعالات شیمیایی داخلی در مقیاس نانو و بدون دخالت نیروی انسانی داشته باشد. عملکرد بتنهای خود ترمیم با الهام از جراحت وارد بر موجودات زنده است که قادرند جراحات وارده را ترمیم نمایند، بدین معنی که با ترمیم مداوم ترکهای ریز، به هیچ وجه اجازه گسترش ترک و شکاف عمیق داده نمیشود. بنابراین کاربرد تکنولوژی نانو در تولید بتن جاندار خود ترمیم به منظور ایجاد سازههای مقاوم و بادوام و همچنین کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری پس از ساخت، ضروری به نظر می رسد. علم نانو در زمینه بتن نیز مانند سایر علوم روز به روز در حال توسعه و پیشرفت است و دائماً راهکارهای جدیدی را برای نیل به اهداف ذکر شده پیش روی صنعت بتن قرار می دهد. در این قسمت به برخی از آنوع روشهای خود ترمیمی براساس آخرین تحقیقات انجام شده در این زمینه می پردازیم.
5
-1-3 انواع روشهای خود ترمیمی
پنج نمونه از انواع روشهای خود ترمیمی را میتوان به صورت زیر تقسیم بندی نمود: (Victor, 2012)
- کپسوله کردن شیمیایی2
- ترکیبات معدنی3
- مواد شیمیایی درون لولهایی4
- کپسوله کردن باکتریایی5
- ترمیمذاتی با خود کنترلی عرض ترک6
در ادامه به تشریح نحوه عملکرد این روشها پرداخته و مکانیزم این روشها به صورت شماتیک نمایش داده شده است و در انتها به روش کپسوله کردن باکتریایی بیشتر خواهیم پرداخت و طبق تحقیقات انجام شده نحوه عملکرد این باکتریها و تأثیر آنها بر روی مقاومت و خود ترمیمی بتن را مورد ارزیابی قرار میدهیم.
-1-1-3 روش کپسوله کردن شیمیایی
روش کپسوله کردن شیمیایی شامل تمام روشهایی است که مواد شیمیایی خود ترمیم را درون میکروکپسولها، مورد استفاده قرار می دهند. این میکرو کپسولها به صورت یکنواخت در سرتاسر بتن پخش می شوند و حاوی مواد شیمیایی ترمیمی هستند. موضوع مهم این است که جنس میکرو کپسولها به گونهایی است که میتوانند تا زمانی که بتن ترک بر میدارد، مواد شیمیایی درون خود را در محفظه به صورت کاملاً ایزوله از بتن نگه دارند و بلافاصله در حین برخورد با ترک باز شده و این مواد شیمیایی ترمیمی را درون محیط آزاد کنند. این روش به
6
دلیل اینکه میتواند انواع متنوعی از مواد شیمیایی ترمیمی را در اندازههای کمتر از میکرون کپسوله نماید جذاب و قابل توجه است. مکانیزم این روش به صورت شماتیک در( شکل (1 نشان داده شده است.
شکل -1 عملکرد کپسوله کردن شیمیایی برای خود ترمیمی
برای مثال هانگ و (یِ (Huang and Ye در سال 2011 محلول سیلیکات سدیم را در کپسولهایی به اندازه 5mmبرای خود ترمیمی در یک ترکیب سیمانی کپسوله کردند که بهبود در خواص مکانیکی مانند سختی خمشی و مقاومت بتن را به همراه داشت((Huang and Ye, 2011
7
-2-1-3 روش ترکیبات معدنی
روش ترکیبات معدنی به عنوان رویکردی برای آب بندی ترکهای بتن براساس کاهش نفوذپذیری آب، بعد از ترک خوردگی توسعه یافته است. در این روش ترکیبی از مواد متورم شونده، مواد قابل انبساط و انواع مختلفی از کربناتها به کار برده میشود. زمانی که ترک پدید میآید و آب به درون آن نفوذ میکند، مواد قابل انبساط و متورم شونده ترک را پر میکنند و کربناتها نیز رسوب میکنند وسرانجام ترک کاملاً پر میشود. مراحل عملکرد این روش به صورت شماتیک در( شکل 2 )نشان داده شده است.
شکل -2 عملکرد ترکیبات معدنی برای خود ترمیمی
کیشی و همکارانش7 در سال 2007 تو انستند یک ترکیب مناسب از عناصر قابل انبساط شامل C4A3S و
CaSO4 و CaO و مواد متورم شونده شامل دی اکسید سیلیکن و هیدروکسید سیلیکات آلومینیوم سدیم و
