مقاله بررسی روشهای فرآیند خودترمیمی در بتن

بخشی از مقاله

بررسی روشهای فرآیند خودترمیمی در بتن

چکیده

ساخت و سازها طیف وسیعی از مصالح مختلف را پوشش میدهند. نیاز جامعه استفاده از مصالحی را ضـروری مـیکنـد کـه عـلاوه بـر داشـتن دوام و پایداری بالا، آسیبی به جامعه وارد نکنند. ظهور مصالح خودترمیم راه حلی برای مقابله با کاهش عمر سازهها میباشد. اخیـرا پژوهشـگران متعـددی بـه بررسی عوامل مختلف به وجود آورنده این خاصیت پرداختهاند. این مقاله به جمع بندی و خلاصهای از این عوامل و نحوهی انجـام و نتـایج آنهـا اشـاره دارد و عموما بر سازههای مهندسی عمران، بتن و آسفالت تمرکز دارد. اولین روش که به آن اشاره شده، تاثیر طرح اختلاط و نوع مصالح اصلی اسـتفاده شده در بتن از قبیل نوع سیمان و نسبت آب به سیمان میباشد. این بررسی نشان داده است که کاهش نسبت آب بـه سـیمان باعـث کـاهش درجـهی خودترمیمی میشود. در حالی که استفاده سیمان پرتلند نوع 5 باعث افزایش فرآیند خودترمیمی در مقایسه با سیمان پرتلند نـوع 1 مـیشـود. حجـم سیمان نیز تاثیر ناچیزی بر فرآیند ترمیمی بتن دارد. در ادامه تاثیر اختلاط باکتریها با بتن بررسی شده است که این روش با وارد کـردن کلسـیت بـه داخل ترک و نفوذناپذیر کردن بتن در مقابل آب، پایداری بتن را افزایش میدهد. در مورد بعدی مصالح سیمانی مسلح شـده بـا فیبرهـای هیبریـدی و بتن اصلاح شده با پلیمر مورد بررسی قرار گرفتهاند. فیبرها میتوانند به صورت مکانیکی ترکها را پس از وقوع تعمیر کنند. افزایش مقدار پلیمر افـزوده شده به بتن نیز میتواند درجه ترمیم را نسبت به بتن فاقد پلیمر در زمانی مشخص افزایش دهد. این افـزایش بـه نـوع پلیمـر بسـتگی دارد. در نهایـت، جداشدگی اجزای بتن آسفالتی و نحوهی تعمیر این آسیب از طریق میکروکپسولها یا فیبر فولادی توضیح داده شده است. نتایج این بررسـیهـا نشـان میدهد که خودترمیمی نه تنها یک معجزه نیست، بلکه میتوان مصالح را برای آن طراحی کرد. طراحی مصالح با توان خودترمیمی نـه تنهـا مـیتوانـد فواید اقتصادی و اجتماعی بسیاری به همراه داشته باشد بلکه مانع از هدر رفت منابع و انرژی و آسیب به محیط زیست خواهد شد. چرا که این امر نیـاز به تجدید بنای سازه و در نتیجه آن تولید زبالههای ساختمانی و استفاده از معادن و منابع جدید برای تهیه مصالح را کاهش میدهد.

واژههای کلیدی: آسفالت، باکتری، بتن، خودترمیم، مصالح

مقدمه

جامعه انتظار عمر سرویسدهی طولانی از سازه را دارد. با این حال، سازههای بسیاری ماننـد سـازههـای بتنـی، سـاختمانهـا و امکانات حمل و نقل به سرعت به دوره بحرانی مربوط به کاهش کاربری در اثـر زوال مصـالح مـیرسـند. در مقابـل، رشـد جمعیـت شهری، باعث افزایش تقاضا برای سازههایی که پاسخگوی این نیاز در سطوح خدماتی بالاست، شده اسـت. دانشـمندان و مهندسـان بسیاری به دنبال صحیحترین گزینه برای طراحی سازهها هستند که پایداری بالاتری از خود نشان میدهد و هزینهی تعمیر کمتری دارد. در اروپا تخمین زده شده که نیمی از بودجه سالانه مربوط به ساخت و ساز برای نوسازی سازههای موجود صـرف شـده اسـت. در آمریکا هزینهی متوسط نگهداری و تعمیر 5/2 میلیارد دلار است. هزینههای مسدود کردن ترافیک 10 برابر هزینههای مسـتقیم برای نوسازی و تعمیر است .(Erik Schlangen and Senot Sangadji, 2013)

ترهاید (2005) خلاصهی مفیدی از دلایل ترمیم خودبخودی (شکل (1 ارائه میکند که در آن مصالح به طور طبیعـی قـادر بـه ترمیم خود است. از طرف دیگر، میتوان مصالح را طوری طراحی کرد که ظرفیت خودترمیمی داشته باشند ( Schalangen and .(Joseph, 2008 ما این مصالح را با عنوان مستقل شناسایی میکنیم که میتوان آنها را به دو دسـته فعـال و غیرفعـال تقسـیم کرد. یک مصالح غیرفعال هوشمند این توانایی را دارد که به محرکهای خارجی بدون نیاز به دخالت انسان پاسخ دهد. در حالی کـه مصالح فعال هوشمند یا سازه نیازمند مداخله برای تکمیل فرآیند ترمیم است.

شکل -1 دلایل محتمل خودترمیمی: (a) شکلگیری کلسیم کربنات یا کلسیم هیدروکساید، (b) سیمانی شدن سنگدانهها، (c) ادامهی هیدراسیون و (d) تورم ماتریکس سیمان (Ter Hide, 2005)

امروزه، طراحی مصالح با توانایی ترمیم در گسترهی وسیعی از مصالح، روز به روز پر طرفدارتر شده است .(Gosh, 2008) برای ترمیم مصالح تهیه شده از سیمان، روشهای مختلفی وجود دارند. در نوع اول، مواد درزگیر چسبندهی کپسولی استفاده مـیشـوند .(Dry, 2000) مواد چسبنده درفیبرهای کوتاه (Van Tittelboom et al., 2011) و یا در تیوبهای بلندتر ذخیره مـیشـوند .(Josefet al., 2008) روش دیگر جا دادن یک جزء قادر به رشد، داخل بتن است که هنگام رها شدن با کربناسیون یـا ورود آب، شروع به گسترش و پر کردن فضای خالی و ترک میکند .(sisomphon, 2009) استفاده از باکتریهـا بـرای تحریـک مکانیسـم خود ترمیمی یک شیوهی دیگر است. ولی نیازمند فنآوریهای مطالعه شده در گروههای مختلف است ( Wiktor and Jonkers, .(2011

بتن در حال استفاده در اثر تنشهای مستقیم و غیر مستقیم به این دلایل میشکند: تغییر درجه حرارت و رطوبـت، اسـتهلاک همگن و بارهای خارجی (دینامیکی و استاتیکی). ترکها تنها تحت تاثیر دوام سازهی بتنی نیستند اما بـرای ایمنـی سـازه مضـرند. خود ترمیمی پدیدهای است که در مصالح سیمانی مشاهده میشود. این پدیده در اغلب سازههای بتنی مانند سازههای بتنـی مقـاوم در برابر نفوذ آب و لولههای بتنی مشاهده میشود. سازههای بتنی مقاوم در برابر نفوذ آب در سنین پایین به آرامی تـرک خـورده و ضعیف میشوند، با این حال به نظر میآید که در سنین بالاتر، ترکها به طور کامل پوشانده میشوند و ضعیف شـدن متوقـف مـی-شود. در مورد لولههای بتنی نیز، ترکهایی که به دلیل انقباض به عرض 1.5mm رسیده بودند و مورد استفاده قرار گرفتنـد، پـس از پنج سال، بررسی شدند و مشاهده شد که به دلیل ترمیم ترکها کاملا پوشانده شدهاند .(W.Zhong, W. Yao, 2008)

عملیات خود ترمیمی

بتن زیستی

باکتریها به طور طبیعی همه جا یافت میشوند. نه تنها بر روی سطوح، بلکه در اعماق زمین نیز وجود دارنـد، حتـی در اعمـاق بیش از یک کیلومتر. باکتریهایی وجود دارند که خواهان موقعیتهای سخت هستند مانند بیابانها، درون صخرهها و یا محیطهای فراعادی مانند درون بتن. اخیرا در چند بررسی عملکرد باکتریها برای پاکسازی سطوح بتنی (De Muynck, 2008) و افـزایش مقاومت ملات ماسه سیمان (Bang et al., 2001) گزارش شده است. جانکرز و اسکلانجن (2007)، در تحقیقـات خـود توانـایی باکتریها به عنوان عاملی برای خود ترمیمی بتن را بررسی کردند. در این بررسی عملکرد باکتریهایی که از طریق هاگ تولید مثل میکنند و مقاوم در محیط بازی هستند، برای افزایش ظرفیت خود ترمیمی بتن مورد تحقیق قرار گرفت. مقاومت کششی و فشاری نمونهی شاهد (بدون باکتری) و بتن باکتریدار، مقایسه شدند. علاوه بر این، زیست پذیری باکتریهـای فاقـد تحـرک در بـتن نیـز اندازهگیری شد. در نهایت میزان تسریع در ایجاد کلیست با آنالیز ESEM اندازهگیری شد. نمونـه ای از کریسـتال کلیسـت شـکل گرفته با شتابدهندهی باکتریایی در شکل2 نشان داده شده است .( Erik Schlangen and Senot Sangadji, 2013)

شکل-2 مواد معدنی مشاهده شده با ESEM

نتایج این تحقیق نشان دادند که باکتریهای مقاومی که با هاگ تولید مثل میکنند در محیط بازی وارد شده در طرح اختلاط میتوانند به طور واضحی تشکیل مواد معدنی دارای کلسیم کربنات را تسریع کنند. آب مورد نیاز میتواند از طریق ترکهای تازهی ایجاد شده وارد شود.

در بررسی دیگر اسکلانجن و سانگاجی (2013)، دو جزء بیوشمیایی ترمیمی متشکل از هاگهای باکتریایی و جزء بنیادی متشکل از بیوسیمان استفاده شدهاند. هر دو جزء هاگها و غذا در داخل حفرات مخزن تشکیل شده از ذرات رس بیحرکت قرار داده شدهاند. به این ترتیب هاگها و باکتریها در طول دورهی تولید و سخت شدگی محافظت میشوند و برای مدت طولانیتر تا زمانی که خودترمیمی نیاز است، حفظ میشوند. در نتیجه این کار باعث ایجاد یک عامل ترمیم بسیار مناسب شیمیایی یا سیمانی پیشنهادی قابل استفاده و با پایهی زیستی میشود.

براساس بررسی وانگ و همکاران (2014)، میکروکپسولها برای کپسولی کردن هاگهای باکتریایی برای خودترمیمی بتن استفاده شدند. ابتدا زیستپذیری هاگهای کپسولی شده و تاثیر میکروکپسولها بر نمونه سیمان شناسایی شدند. میکروکپسولها در اثر ترک با استفاده از میکروسکوپ الکترونی تشخیص داده شد. نتایج نشان دادند که ضریب ترمیم در نمونهها با میکروکپسولها (48%-80%) بالاتر از این ضریب در نمونههای بدون باکتری بود .(18%-50%) بیشترین عرض ترک ترمیم شده در نمونههای سری باکتریدار 970μm بود که این مقدار حدود چهار برابر سریهای بدون باکتری است. ( حداکثر (250μm نفوذپذیری متوسط در سریهای باکتریدار حدود 10 برابر کمتر از این پارامتر در سریهای بدون باکتری بود. چرخههای تری و خشکی برای تخمین خودترمیمی در نمونههای ملات با باکتریهای کپسولی شده پایهریزی شدند. هیچ گونه خودترمیمی در نمونههای انبار شده با فاکتور %95 مشاهده نشد که بیان کنندهی اساسی بودن حضور آب مایع به عنوان یک جزء برای خودترمیمی است.

در مطالعهی وانگ و همکاران (2014)، هاگهای باکتریایی در ابتدا داخل هیدروژلها کپسول شدند و سپس داخل ملات جای گرفتند تا کارآیی ترمیمی آنها بررسی شود. تهنشینی CaCO3 از طریق هاگهای کپسولی هیدروژلی از طریق آنالیز ترموگرافی-متری (TGA) نشان داده شد. نمونههای ملات با هاگهای کپسولی هیدروژلی، یک برتری متمایز در خود ترمیمی نشان دادند: بیشترین عرض ترک ترمیم شده حدود 0.5mm بوده و نفوذپذیری آب به طور متوسط تا %68 کاهش یافته بود. نمونههای دیگر در سری فاقد باکتری حداکثر ترک ترمیمی 0 تا 0.3mm را داشتند.

نوع سیمان و نسبت آب به سیمان در بتن

خود ترمیمی ترکها یک پدیده است که در برابر مشکلات دوام بتن به صورت مثبت عمل میکند. این فرایند میتواند تنها در حضور آب ایجاد شود و شامل واکنشهای شیمیایی اجزای موجود در سطح ترک میباشد. این واکنشها کریستالهایی را تولید میکند و یکپارچگی این کریستالها در سطح ترک میتواند پیوستگی اولیهی این مصالح را باز گرداند. بنابراین سیمان به صورت هیدراته شده یا غیر آن، یک جزء اساسی میباشد (عبدالمعطی، .(2011 دو عامل اساسی وجود دارد که از واکنش ترمیمی حفاظت میکند: هیدراته شدن کلینکر هیدراته نشده موجود در لابهلای اجزای بتن سخت شده (برای بتن با نسبت آب به سیمان پایین مهم است) و یا نفوذپذیری کلسیم کربنات .(CaCo3) مورد اول تنها به حضور آب نیاز دارد و مورد دوم به حضور اضافی Co2 حل نشده .(Granger et al., 2007)

عبدالمعطی (2011)، در آزمایشات خود، نمونههایی را به صورت اصلاح شده با پلیمر و فاقد پلیمر بررسی کرد و در هر مرحله تاثیر عوامل مختلف مانند نسبت آب به سیمان، نوع سیمان و حجم سیمان را مورد آزمایش قرار دادند.

براساس این آزمایشات، در زمان ترمیمی یکسان، افزایش نسبت آب به سیمان، باعث کاهش درجهی خودترمیمی میشود. این امر ممکن است به این دلیل باشد که حضور ذرات سیمان هیدراته نشده با کاهش نسبت آب به سیمان افزایش مییابد. این مسأله با بررسیهای بنتز و گاربوسی (1992)، همخوانی دارد.

بررسیهای عبدالمعطی (2011)، نشان میدهد که حجم سیمان تاثیر کمی در فرایند ترمیمی بتن دارد. علاوه بر این، بررسیها نشان میدهد که میزان خودترمیمی بتن با سیمان پرتلند نوع V بالاتر از ترکیب بتن با سیمان پرتلند نوع I است. این نتایج با گذشت 60 روز از زمان ترمیمی در مقایسه با زمان 20 روزه و40 روزه کاملا واضح میشود. این امر ممکن است به این دلیل باشد که هیدراسیون سیمان پرتلند نوع V طولانیتر از سیمان پرتلند I است.

پلیمرها و فیبرها بتن پلیمری

بتن اصلاح شده با پلیمر (PMC) اخیرا بتن پلیمری با سیمان پرتلند (PPCC) نیز نامیده میشود. افزودن پلیمر به سیمان پرتلند در ابتدا باعث بهبود چسبندگی، مقابله با نفوذ آب، افزایش دوام و برخی خصوصیات مقاومتی میشود. انواع مختلفی از پلیمرها برای استفاده در PMC بررسی شدهاند، اما اکثر انواعی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، پلیمر استرین بوتادین، استر اکریلیک چند پلیمری و پلیمر استات وینیل میباشد .(Shaker et al., 1997)
برای مطالعه تاثیر پلیمر یک سطح آسیب ثابت مورد نیاز است. در بررسیهای عبدالمعطی (2011)، آسیب %30 به دلیل این که این مقدار در اغلب طرح اختلاطها مورد استفاده قرار گرفته، انتخاب شده است. نتایج این بررسیها به صورت رابطهی سرعت امواج فراصوت در مخلوطهای %0، 5 %، %10 و %15 استرین بوتادین در آسیب % 30 به دست آمد. بر اساس این نتایج، سرعت امواج فراصوت در طول دورهی ترمیم از مقدار آن برای ترکیب بتن فاقد پلیمر کمتر بوده و با افزایش میزان ترمیم، سرعت امواج فراصوت افزایش مییابد. این افزایش با گذشت 20 روز از آغاز ترمیم قابل توجه میشود. با بررسی نتایج این آزمایش مشخص شد که در زمان ترمیم مشخص، افزایش مقدار پلیمر باعث افزایش درجهی ترمیم در مقایسه با نمونهی کنترلی میشود. این امر به خاطر پوستهی پلیمری است که سطح ذرات سیمان را پوشش میدهد و یا به دلیل افزایش میزان سیمان هیدراته نشده به خاطر وجود پلیمر در بتن است. این نتایج در مورد پلیمر اکریلیک نیز صدق میکند. یعنی افزایش مقدار اکریلیک باعث افزایش درجهی ترمیم میشود. میزان افزایش در ترمیم به نوع پلیمر نیز بستگی دارد.

بتن فیبری

یکی از مهمترین نکات در ترمیم ترکهای بزرگ ترمیم در هواست. آزمایشها نشان دادهاند که ترکهای کوچک با قطر کمتر از15μm مشکلی برای ترمیم ندارند. با این حال، ترکهای با عرض حدود 60μm تا قسمتی میتوانند با محصولات فرایند ترمیم پر شوند. برای کاهش بیشتر عرض ترک، تاثیر افزودن میکروفیبرها به کمپوزیت سیمانی فیبر مسلح PVA بررسی شده است .(Antonopoulou, 2009) میکروفیبرهای استفاده شده برادهی آهن یا فیبرهای rochwool با طول 2mm و قطر متوسط 8 میکرون است. این فیبرهای کوچک باعث توزیع ترک در مخلوط سیمان میشود و نتیجهی این امر ترکهای کوچکتر است که ظرفیت خودترمیمی را افزایش میدهد .(Schalangen and Sangadji, 2013) برای انجام فرایند خودترمیمی در فضای خشک، دو روش بررسی شدهاند. فیبرهای گیاهی میان تهی که انبار بزرگی برای مایعات هستند، میتوانند به عنوان سیستم جدیدی برای خودترمیمی استفاده شوند. هدف اصلی این است که فیبرهای گیاهی به عنوان مخزنی برای فرایند خودترمیمی استفاده شوند که میتوانند تامین کنندهی آب لازم برای هیدراسیون باشد یا به عنوان یک چسب عمل کند. به محض این که ترک رخ میدهد، عامل ترمیمی به سوی ترک روانه شده، باعث ترمیم میشود. براساس نتایج این بررسیها، مشخص شد که خودترمیمی ترک با استفاده از این قیبرها که حاوی عامل خودترمیمیاند ممکن است .(Sierra Beltren and Schlangen, 2010)
روش دوم خودترمیمی در محیط خشک استفاده از پلیمر با قدرت جذب بسیار بالا (SAP) است. این مواد در طول فرایند اختلاط با آب پر میشوند و طوری بستههای آب را در داخل بتن تشکیل میدهند که میتوانند برای هیدراسیون سیمان استفاده شوند. SAP به عنوان یک عامل افزودنی انقباضی در بتن شناخته شده است .(Jensen and Hansen, 2001) توانایی خودترمیمی SHCC با افزودن SAP به نمونه داخل آب افزایش یافته است .(Antonopoulou, 2009)

با این حال، این SAP میتواند برای نمونهی قرار گرفته در معرض هوا نیز بسیار مناسب باشد. محفظههای آب بلافاصله یا مدت کوتاهی پس از هیدراسیون، خالی شده و پس از اولین ترک، آبی برای دفعات بعد باقی نمیماند. اما هنگام باران SAP های موجود در