مواد خود ترمیم شونده موادی مصنوعی یا سنتز شده‌ای هستند که بدون دخالت انسان و یا تشخیص آسیب توسط انسان، قادر به ترمیم صدمات وارد شده به خود هستند. به طور کلی مواد به مرور زمان به دلایل مختلف اعم از مستهلک شدن، شرایط محیطی و یا آسیب‌های وارد شده در حین اجرای کار دچار صدماتی شده یا به نوعی تخریب می شوند. بتن خود ترمیم شونده یکی از انواع بتن می‌باشد.
طی بررسی‌های به عمل آمده، مشخص شده است که ترک ها و شکستگی های بسیار کوچک و میکروسکوپی باعث تغییر در خصوصیات حرارتی، الکتریکی و صوتی مواد می‌شود. همچنین انتشار آسیب‌ها و شکستگی‌ها در نهایت منجر به خرابی و از بین رفتن مواد می‌شود.
تاریخچه بتن خودترمیم شونده و ویژگی های آن
شناخت مواد و درک خواص آنها بیشتر به اواخر دهه ۱۹۹۰ میلادی بر می گردد. ایده مواد خود ترمیم شونده از سیستم های بیولوژیکی الهام گرفته شده است. سیستم هایی که می توانند آسیب های وارده به خود را ترمیم کنند. این رویکردی است که به عنوان بیومتریک از آن یاد می شود.
متداول‌ترین مواد خود ترمیم شونده پلیمر و یا الاستومرها هستند. اما تمام گروه‌های مواد از جمله فلزات، سرامیک ها و مواد سیمانی را شامل مواد خود ترمیم شونده می‌شوند. مکانیسم ترمیم مواد از مقیاس‌های میکروسکوپی با افزودن عامل ترمیم کننده تا مقیاس های بزرگ و تعمیرات اساسی متغیر است.
برای اینکه یک ماده کاملا به عنوان یک ماده خود ترمیم شونده خودکار معرفی شود، لازم است که فرآیند ترمیم بدون دخالت انسان اتفاق بیفتد. پلیمرهای خود ترمیم شونده ممکن است در پاسخ به یک محرک خارجی مانند نور و یا تغییرات دمایی فعال شده و روند ترمیمی را شروع کنند. با طراحی های انیمیشنی، می توان چگونگی ترمیم توپوگرافی یک سطح خراش خورده را توسط یک ابزار فلزی نشان داد.
به طور قطع ماده‌ای که می‌تواند به طور ذاتی صدمات و خسارات ناشی از استفاده‌های معمولی را اصلاح کند؛ می تواند هزینه های ناشی از خرابی مواد را نیز کاهش داده و با طول عمر بیشتر و کارآیی بیشتر باعث کاهش هزینه های فرایندهای صنعتی شود.
بتن ضمن اینکه تاثیرات زیست محیطی مخرب چندانی ندارد؛ به عنوان مخلوطی از سنگدانه ها و آب و مواد پودری هیدرولیکی معروف به سیمان، فوق العاده مفید و قابل استفاده می باشد. بتن با توجه به دوام بالا، مقاومت حرارتی بسیار بالا و مواد اولیه ای آن که به راحتی قابل دسترسی است بعید به نظر می رسد که در آینده ای نزدیک و در مقیاس بزرگ با مواد ساختمانی جدید جایگزین شود.
بتن ماده ای است که از زمان روم باستان استفاده می شده است، اما در هیچ زمانی به اندازه حال حاضر محبوبیت نداشته است؛ به طوری که کشور چین در سه سال گذشته بیشتر از یک قرن گذشته ایلات متحده آمریکا از آن استفاده کرده است. بتن یکی از پرکاربردترین مواد در جهان است اما بدون توجه به چگونگی مخلوط شدن آن بیشترین میزان ترک خوردگی و خرابی را نیز دارد.
برای رفع این مشکل یک زیست شناس مولکولی به نام هنریک جانکر شروع به بررسی و تحقیق کرد که آیا بتن نیز می تواند مانند استخوان که قابلیت ترمیم خود را در شکستگی ها دارد، به شکلی مشابه عمل کرده و خود را ترمیم کند یا نه. او دریافت که با اضافه کردن باکتری‌های سازنده سنگ آهک به بتن، تمامی ترک‌ها و شکستگی‌های ایجاد شده در بتن برطرف می‌شوند. او برای این اختراع نامزد جایزه مخترع اروپا در سال ۲۰۱۵ گردید.
برخی باکتری‌ها مثل باسیل پزودوفیرموس و یا اسپوراسارسینا در دریاچه های بسیار قلیایی نزدیک آتشفشانها یافت می‌شوند. این باکتری‌ها قادرند تا حدود ۲۰۰ سال بدون غذا و اکسیژن زنده بمانند. این باکتری‌ها در صورت تماس با آب فعال می‌شوند. با تغذیه از لاکتات کلسیم می‌توانند سنگ آهک تولید کنند که در نتیجه باعث بسته شدن و ترمیم ترک‌ها می‌شوند.
هنریک جانکر این ماده را “بیو بتن” یا بتن زنده نامید که می تواند خود را ترمیم کند. او به منظور غیرفعال نگه داشتن باکتری‌ها تا زمان مورد نیاز آنها را در کپسول‌های کوچک و قابل تجزیه بیولوژیکی حاوی مواد مغذی قرار داد. وقتی که بتن ترک می خورد و آب وارد شکاف می شود این آب با باکتری ها و منبع غذایی آنها تماس یافته و با از بین بردن منابع غذایی آنها باعث می شود که باکتری ها از لاکتات کلسیم تغذیه کنند و به این ترتیب باعث تشکیل سنگ آهک شده و ترک موجود در بتن را ترمیم کنند.
در این فرآیند می توان باکتری ها را به مایعی اضافه کرد و بر روی ساختمان های موجود پاشید. اما مثل همیشه مشکل اصلی هزینه ها هستند که در حال حاضر دو برابر هزینه بتن معمولی است. اما جانکر می گوید این تفاوت قیمت به دلیل قیمت بالای لاکتات کلسیم است و اگر بتوان باکتری ها را به جای استفاده از لاکتات کلسیم از مواد مغذی پایه قند تغذیه کرد، هزینه ها به شکل چشم گیری کاهش خواهد یافت.
اگر بتوان مشکل هزینه‌ها را مدیریت کرد، دیگر مانع زیادی بر سر راه مواد خود ترمیم شونده وجود نخواهد داشت. باکتری‌ها می توانند پس از مدت ها که در حالت غیرفعال هستند، در زمان مورد نیاز فعال شده و عملیات ترمیم پل ها، تونل‌ها، جاده‌ها و دیگر ساختمان‌ها را انجام دهند.
به چند طریق می توان از بتن زنده ( بتن خود ترمیم شونده ) استفاده کرد؟
این اختراع به سه صورت قابل استفاده می باشد:
- به صورت اسپری و افشانه های قابل استفاده برای ساختمان ها، به منظور ترمیم ترک خوردگی های کوچک
- به صورت ملات های ترمیم کننده برای سازه هایی که دارای آسیب های بزرگ هستند
- و به صورت مخلوط با بتن در حجم های کم تر
در حال حاضر اسپری ترمیم کننده به صورت تجاری موجود است اما تحقیقات و آزمایش‌های میدانی برای دو مورد دیگر در دست اجراست. جانکر معتقد است یکی از بزرگترین کاربردهای این گونه بتن ها در برنامه ریزی های شهری و برای ترمیم زیرساخت های بزرگراه هاست که در اثر استفاده از نمک به منظور یخ زدایی دچار آسیب های فراوانی شده اند.
در ادامه برخی از نظرات افراد مهم و تاثیرگذار را در رابطه با بتن‌های خود ترمیم شونده مرور می‌کنیم.
- جان الکر، مدیر سیاست گذاری شورای ساختمان های سبز انگلستان، می گوید موفقیت یک فناوری جدید درگرو صرفه اقتصادی و اهداف زیست محیطی آن می باشد؛ همانگونه که جانکر در مورد این تکنولوژی اقدام کرده است.
- الکر می گوید: در مورد بتن نوآوری های زیادی دیده ایم. زیرا این محصول از لحاظ مصرف انرژی بسیار بالا بوده و به طور همزمان یک محصول ساختاری بسیار مهم در سطح جهانی می‌باشد. وی می‌گوید متقاعد کردن صنعت ساخت و ساز برای استفاده از تکنولوژی های جدید و تغییر رفتار بسیار سخت است. این کار بیشتر به دست افراد نوآور و توسعه دهندگانی قابل اجراست که مایل هستند ساختمان خود را در بوته آزمایش قرار داده و مواد جدید را امتحان کنند و با این کار توانایی خود و کیفیت محصول را ثابت کنند.
- اگرچه جانکر از چالش‌های دستیابی گسترده به مواد آگاه است، اما معتقد است در محیط‌های بسیار آسیب‌پذیر مانند مناطق ساحلی یا گرمسیری با تجزیه و تحلیل میزان سود و هزینه، قطعا بتن های خود ترمیم شونده مقرون به صرفه خواهند بود.
منابع:
https://brickandlime.com/blog/2019/04/10/history-of-lime-mortar/
https://www.iflscience.com/chemistry/self-healing-concrete-repairs-its-own-cracks/
https://www.wikizero.com/en/Lime_mortar
http://oer2go.org:81/wikipedia_en_all_novid_2017-08/A/Lime_mortar.html
