بخشی از مقاله
خلاصه
خود ترمیمی بتن، نوعی الگوبرداری از سیستم دفاعی بدن موجودات زنده در ترمیم قسمتهای آسیب دیده میباشد، به طوری که سازههای بتنی نیز با کمک مصالحی بتوانند همچون نمونههای زیستی پس از بروز آسیب به شناسایی و ترمیم خویش بپردازند. تولید و توسعه بتنهای خود ترمیم برای ساخت سازههای حساس شهری که هزینههای گزاف ترمیم و تقویت را در دراز مدت در پی خواهد داشت، بسیار حائز اهمیت میباشد. فناوری نانو با چشم انداز جدیدی از تولید مواد در مقیاس نانو با چیدمان اتمی خاص و متفاوت، دستیابی به این نوع سازههای بتنی هوشمند را فراهم کرده است. این مقاله با بیان روشهای نوین فناوری نانو در عرصه تولید سازههای بتنی هوشمند خود ترمیم، به تشریح چگونگی عملکرد هر یک از آنها خواهد پرداخت.
1. مقدمه
تکنولوژی نانو به عنوان یک تکنیک و رویکرد جدید به مواد با خواص قابل کنترل در مقیاس نانو، کاربرد وسیعی در زمینه های مختلف پزشکی، الکترونیک تا صنعت ساختمان پیدا کرده است. این علم با ورود به حیطه ابعادی که اتمها با یکدیگر ترکیب شده و ملکولها بر هم اثر متقابل دارند، سعی دارد ملکولها را آن گونه که خود میخواهد مرتب کند تا رفتار مورد تقاضا را از ترکیب حاصله داشته باشد. متخصصان علم نانو بر این باورند که بعد از تولید ماشینهای بخار و توسعه IT، تکنولوژی نانو افق تازهای را به دنیای انسان امروزی خواهد گشود. اهمیت کاربرد تکنولوژی نانو در صنعت، با مطرح شدن توسعه پایدار به عنوان یک ضرورت حفظ محیط زیست و منافع نسلهای آتی، روند تحقق اهداف توسعه پایدار را شدت بیشتری میبخشد.
نانوتکنولوژی در صنعت ساختمان در حوزههای مختلف فلزات، بتن، خاک، شیشه، انرژی و تهویه مطلوب، تصفیه آب، حسگرها، پوششها، رنگها و عایقها وارد شده است. در دهه اخیر تحقیقات گستردهای برای کاربرد فناوری نانو در تکنولوژی بتن انجام شده است. بتن به عنوان یک ماده ماکرو به شدت تحت تأثیر خصوصیات نانویش میباشد. فهم رفتار بتن و عملکرد سازه در مقیاس میکرو و نانو سبب بهبود و ارتقا ویژگیهای بتن و در نتیجه ساخت و تولید بتنهایی با عملکرد متناسب با نیاز امروزی میگردد. تاکنون تکنولوژی نانو در صنعت بتن امکان بهبود مشخصات بنیادی بتن نظیر مقاومت، دوام، سبکی، انعطاف پذیری، نفوذ ناپذیری، نیز ساخت سنگدانههای هوشمند و سیمانهای بهبود یافته، هم چنین تولید بتنهایی با قدرت عایق صوتی و حرارتی بالا، خود پاک شوندگی و خود ترمیمی را به اثبات رسانده است و تحقیقات مستمر هم چنان رازهایی را فرا روی این صنعت میگشاید.
2. فناوری نانو و روشهای ساخت بتنهای خود ترمیم شونده
یکی از دغدغههای اصلی در هر سازه بتنی، کنترل و جلوگیری از بروز ترک خوردگی مقطع میباشد. ترک خوردگی در بتن ممکن است به صورت داخلی تحت تأثیر مصالح تشکیل دهنده خود بتن صورت گرفته و یا تحت اثر عوامل و محیط خارجی نظیر محیطهای شیمیایی خورنده که دارای سولفات و کلرید بوده، نفوذ نمکها و اسیدها، اثرات جوی و محیطی، تغییرات شدید دمایی و ضربات و بارهای وارد بر بتن ایجاد گردد.
نهتنها این گونه ترکها بلکه حتی ترکهای ریز میکروسکوپی در ناحیه کششی بتن که امری بدیهی تلقی میشود در شرایطی ممکن است عملکرد سازه بتنی را مختل نماید. چرا که ترکها مسیرهایی ساده برای نفوذ مواد خورنده نظیر یون کلر، نفوذ نمکها و اسیدهای مضر و یا پدیده کربناسیون در اثر نفوذ CO2 به همراه آب در بتن بوده و سبب خوردگی میلگردها و در نتیجه زوال عضو بتن آرمه میگردند. تاکنون تحقیقات زیادی برای کنترل و ترمیم ترکها و محافظت در برابر خوردگی اعضای بتن آرمه صورت گرفته است. در حال حاضر روشهایی نظیر بازسازی عضو آسیب دیده، پوششهای مختلف شیمیایی و استفاده از مواد پرکننده ترک، روشهای سنتی و متداول برای ترمیم ترکهای قابل شهود در یک سازه بتنی مورد استفاده قرار میگیرد.
در فناوری نانو مواد به اندازههایی در مقیاس نانوکوچک شده و با دوباره سازی آن، به موادی با خصوصیات جدید، به صنعت عرضه میشوند. ورود تکنولوژی نانو به صنعت بتن با پیدایش کامپوزیتهای خود ترمیم، تداعی کننده ساخت سازههای هوشمند با شناسایی خرابی و ترمیم اتوماتیک میباشد. این فناوری با الگوبرداری و الهام از مکانیزم ترمیم در بدن موجودات زنده و شبیه سازی آن در بتن، در حال توسعه میباشد. در ادامه از مهمترین و کاراترین تکنولوژی نانو در عرصه خود ترمیمی بتن با بررسی چگونگی پاسخ خود ترمیمی در اثر صدمه ایجاد شده در بتن ارائه میگردد.
3. استفاده از مواد نانو در ساخت میکروکپسولهای خود ترمیم در بتن
در این روش با الهام گرفتن از نقش گلبولهای قرمز در لخته شدن خون و ترمیم، کپسولهای بسیار ریز حاوی نانو مواد ترمیم کننده به بتن تزریق میشود. میکروکپسول حاوی عامل ترمیمی معمولاً از نوع ذرات پلیمر تعبیه شده در داخل کپسول و با پوشش کاتالیزور در بدنه ساخته میشود. میکروکپسولها حین برخورد با ترک شکسته شده و در مجاورت کاتالیزور عمل پلیمرزاسیون صورت گرفته و با تشکیل مادهای سخت، ترک ترمیم میشود. [1] در واقع میکروکپسولهای کروی همانند گلبولهای قرمز و کاتالیزور نقش پلاکت در فرآیند لخته شدن خون به هنگام ترمیم یک بریدگی در پوست را شبیه سازی میکند. شکل1 مکانیزم ترمیم خرابی سیستم میکروکپسول را نشان میدهد.
4. استفاده از باکتریها برای ساخت بتنهای خود ترمیم
روش دیگری به صورت تلفیقی از مواد طبیعی و نانو مواد جهت ترمیم هوشمند بتن توسعه یافته است. این روش با کمک نوع خاصی از باکتریهای موجود در طبیعت که قادر به زیست در محیط قلیایی بالای بتن هستند، برای ساخت بتن خود ترمیم استفاده میشود. نمونه این باکتری موسوم به باسیلوس است که در دریاچههای دارای خاصیت قلیایی در کشورهای روسیه و مصر به مدت طولانی قادر به زیست بودهاند.
این باکتریها به همراه منبع تغذیهشان در گلولههای کوچک از جنس سرامیک تعبیه شده و به صورت سوسپانسیون در آب بتن قرار داده میشوند تا از فعال سازی نابهنگام در مخلوط بتن خیس جلوگیری شود. باکتریها تا زمان شکلگیری ترک، به صورت پیش فعال یا به اصطلاح خواب در بتن باقی میمانند و سپس در اثر گسترش ترک و نفوذ آب به مقطع، فعال شده و در اثر واکنش با ترکیبات بتن، رسوب سخت کربنات کلسیم تولید و به وسیله آن منافذ ترک بسته خواهد شد 2] و.[3 شکل2 چگونگی انجام مکانیزم خود ترمیمی با استفاده از باکتریها را نشان میدهد.
ساز و کار ترمیم خرابی با استفاده از باکتریها
تحقیقات بیشتر در این زمینه به منظور انتخاب باکتری مناسب که قابلیت زنده ماندن و فعال شدن را در محیط بتن و در طول زمان بهرهوری داشته باشد و نیز کمترین اثرات منفی بر خواص رفتاری و مقاومتی بتن اعمال کند، هم چنان ادامه دارد. لازم به ذکر است که تا قبل از کشف باکتری مذکور، از محصولات باکتری معدنی برای ترمیم ترک در بتن استفاده میشد. که به دلیل لزوم تعبیه دستی این باکتریها در محل آسیب دیده توسط نیروی انسانی و تولید ماده سمی آمونیاک در اثر واکنش این باکتریها با ترکیبات بتن، دوام و توسعه چندانی نیافت.
5. استفاده از مواد نانو در ساخت شبکه مویرگی حاوی عامل خود ترمیم در بتن
در روش استفاده از میکروکپسولهای خود ترمیم که در بخش 3 به آن اشاره گردید، ممکن است با افزایش میزان میکروکپسولها، همگنی و یکنواختی بتن تحت تأثیر قرار گیرد و کاهش مقاومت و طاقت قطعه بتنی را موجب گردد. بنابراین جهت بهبود عملکرد، نیاز به تزریق مایع ترمیم کننده از طریق یک سیستم هوشمند احساس میشود. در این راستا تحقیقاتاخیر بیانگر امکان تعبیه شبکه مویرگی به صورت انتقال نانو موادِ عامل ترمیم با تکیه بر خاصیت مویینگی از منبع به محل خرابی و پلیمرزاسیون در مجاورت کاتالیزور و نتیجتاً تشکیل ماده سخت و ترمیم ترک میباشد. [4]
