بخشی از مقاله
چکیده
یکی از نگرانیهای اساسی در عملکرد سازههای بتنی بالاخص برای سازههایی که در محیطهای شیمیایی و خورنده قرار دارند، ترکهای سازهای و غیرسازهای ایجاد شده در بتن میباشد. این ترکها مسیرهایی مستقیم برای نفوذ مواد شیمیایی خورنده در بتن در سازههایی که در صنایعی نظیر نفت، گاز و پتروشیمی یا سازههای دریایی مورد بهره برداری قرار دارند، میباشد.
تاکنون روشهای زیادی جهت جلوگیری، کنترل و ترمیم ترک خوردگی بتن در سازههای حساس صورت گرفته است. جدیدترین دستاوردهای فناوریهای نانو در صنعت ساختمان، بیانگر تولید بتنهای هوشمند با قابلیت خود ترمیم شوندگی است که عملکرد سیستم دفاعی بدن موجودات زنده را در سازه های بتنی شبیه سازی میکند. در این مقاله به بیان جدیدترین دستاوردهای نانو تکنولوژی در فرآیند خودترمیمیِ ترکهای ایجاد شده در بتن بر اساس شبیه سازی سیستمهای بیولوژیکی پرداخته میشود. این روشها توسط محققین همچنان در حال توسعه و تکامل جهت عرضه به صنعت ساخت و ساز به ویژه به کارگیری در ساخت سازههای بتنی موجود در صنایع خاص میباشد.
-1 مقدمه
یکی از خرابیهای متداول در سازههای بتنی، ترک خوردگی بتن میباشد که برای سازههای حساس و یا در معرض شرایط محیطی خورنده، حتی میتواند به تخریب کلی سازه نیز منجر شود. تاکنون تحقیقات زیادی جهت کنترل، ترمیم و جلوگیری از بروز ترک در بتن صورت گرفته است. از طرف دیگر در دهه اخیر تحقیقات گستردهای برای کاربرد فناوری نانو در تکنولوژی بتن انجام شده است.
بتن به عنوان یک ماده ماکرو به شدت تحت تاثیر 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. به عنوان نمونه اکسیدهای مختلف نظیر نانو سیلیس - nano-SiO2 - ، نانو اکسید آهن - nano-Fe2O3 - ، نانو اکسید آلومینیوم - nano-Al2O3 - و نانواکسیدتیتانیوم - nano-TiO2 - سبب بهبود خواص فیزیکی، مکانیکی و دوام بتن میشوند و در حال حاضر به طور گستردهای در تولید بتنهای خاص مورد استفاده قرار میگیرند.
ورود تکنولوژی نانو به صنعت بتن با تولید کامپوزیتهای خود ترمیم، بیانگر ساخت سازههای هوشمند با شناسایی خرابی و ترمیم اتوماتیک است. گسترش تولید بتن با قابلیت خود ترمیم شوندگی در محیطهای مهاجم و خورنده، بالاخص برای سازههای حساس نظیر مخازن و سازههای صنعتی بسیار لازم و ضروری به نظر میرسد. این مقاله سعی بر این دارد تا با معرفی جدیدترین روشهای تولید بتنهای هوشمندِ خود ترمیم، نحوه تولید و عملکرد هر یک را بیان نماید.
-2 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 معمولا 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.
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.
شکل-1 مکانیزم عملکرد میکروکپسولها در ترمیم ترک
- کاتالیزور آغاز ترک خوردگی مقطع
- میکروکپسول حاوی عامل ترمیم با پوشش کاتالیزور
- شکسته شدن پوسته میکروکپسول و آزادسازی عامل ترمیم
-پلیمرزاسیون در مجاورت کاتالیزور سخت شدن و ترمیم ترک
-3 استفاده از مواد نانو در ساخت شبکه مویرگی حاوی عامل خود ترمیم در بتن
تحقیقات اخیر بیانگر امکان تعبیه شبکه مویرگیبه 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.
تحقیقات آتی درصدد توسعه شبکه مویرگی در بتن حاوی عاملهای ترمیم کننده، به صورت کاملاً هوشمند همانند سیستم بیولوژیکی خواهد بود.
شکل-2 شبکه مویرگی جهت توسعه و تعبیه میکروکپسولها با الهام از سیستم بیولوژیکی
-4 استفاده از باکتریها برای ساخت بتنهای خود ترمیم
در کنار روشهای قبلی، 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 - Bacillus - 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 4] و.[3 شکل3 چگونگی انجام مکانیزم خود ترمیمی با استفاده از باکتریها را نشان میدهد.
شکل -3 ساز و کار ترمیم خرابی با استفاده از باکتریها
- توسعه ترک در مقطع بتنی
- نفوذ آب و فعال سازی باکتریها
- تشکیل رسوب کربنات کلسیم و مسدود کردن ترک
