بتن خود ترمیم شونده و بررسی مکانیسم های مختلف خود ترمیم شوندگی

برای ایجاد بتن خود ترمیم شونده ، برخی از مواد خاص (مانند الیاف یا کپسول) ، که حاوی مقداری مایعات چسبنده هستند ، در مخلوط بتن پخش می شوند. هنگامی که ترک ایجاد می شود ، الیاف یا کپسول ها شکسته می شوند و مایع موجود در آنها ترک را به یکباره بهبود می بخشد.

ترک خوردگی در بتن به دلیل مقاومت کششی نسبتاً کم ، یک پدیده شایع است.این ترک ها مسیر آسانی را برای انتقال مایعات و گازهایی که به صورت بالقوه حاوی مواد مضر هستند فراهم کرده و دوام بتن را مختل می کنند. اگر این ترک های ریز رشد کرده و به آرماتور برسند ، نه تنها بتن مورد حمله قرار می گیرد ، بلکه آرماتور نیز دچار خوردگی می شود.بنابراین بسیا مهم است که کنترل عرض ترک ها و ترمیم شان در اسرع وقت صورت گیرد. از آنجا که هزینه های تعمیر و نگهداری سازه های بتنی معمولاً زیاد است ، این تحقیق بر توسعه بتن خود ترمیم شونده تمرکز دارد. خود ترمیم شوندگی ترک های بتن به عمر مفید بیشتر سازه های بتنی کمک می کند و مواد را نه تنها با دوام تر بلکه پایدارتر می کند.

بررسی مکانیسم های مختلف خود ترمیم شوندگی:

۱- بتن دارای توانایی ترمیم ذاتی است زیرا سیمان بدون آب در ماتریس بتن وجود داشته و هنگامی که آب با سیمان خالص و بدون آب تماس پیدا می کند ، هیدراته شدن بیشتری رخ می دهد. علاوه بر آن ، CO2 محلول با یون کلسیم واکنش داده و کریستالهای(کربنات کلسیم) CaCO3 را تشکیل می دهد. این دو مکانیزم ، ممکن است فقط ترک های کوچک را التیام بخشد. (شکل۱ – شکل زیر)

برای بهبود مکانیسم ترمیم ، ریز الیافهایی به مخلوط اضافه می شوند. با مخلوط کردن ریز الیاف در بتن ، ترک خوردگی های متعددی رخ می دهد. البته نه یک ترک گسترده ، بلکه چند ترک کوچک ایجاد می شود ، که به دلیل امکان ترمیم شوندگی خودکار این ترک ها به راحتی بسته می شوند. (شکل ۲ – شکل زیر)

۲- پلیمرهای فوق جاذب یا هیدروژل ها قادرند مقدار زیادی مایع (تا ۵۰۰ برابر وزن خود) را تصاحب کرده و بدون حل شدن، در ساختار خود حفظ کنند. هنگام ایجاد ترک ، این پلیمرها در معرض محیط مرطوب قرار می گیرند و متورم می شوند. این واکنش تورمی تا حدی ترک را از نفوذ موادی که بالقوه مضرند محافظت می کند. پس از تورم ، ذرات پلیمر، مایعات را دفع کرده و آنها را برای ترمیم داخلی ، هیدراتاسیون بیشتر و رسوب CaCO3  به ماتریس اطراف هدایت می کنند. به این ترتیب ، ترک ها ممکن است به طور کامل بسته شوند.

با توجه به این حقیقت که pH بتن هنگام ایجاد ترک از ۸/۱۲ به ۱۰-۹ کاهش می یابد ، بررسی هیدروژل های حساس به pH مفید است. این مواد تنها زمانی متورم می شوند که ترک ایجاد شود و آب شیرین نفوذ کند.(شکل۳)

۳- ترک ها را می توان با استفاده از میکروارگانیسم های رسوب دهنده کربنات کلسیم نیز ترمیم کرد. این موجودات پس از سکون بر روی خاک دیاتومه در ریزکپسول ها یا درپلیمرهای فوق جاذب در ماتریس بتن جاسازی شده و پس از ایجاد ترک ، رسوب دهی CaCO3 را آغاز می کنند. از طریق این فرایند ، سلول باکتریایی با یک لایه کربنات کلسیم پوشانده می شود و در نتیجه ترک ها پر می شوند. (شکل ۴)

۴- یکی از برنامه های تحقیقاتی، استفاده از پلیمرهای محصور شده را برای به دست آوردن خاصیت خود ترمیم  شوندگی ترک های بتنی مورد توجه قرار می دهد. هنگامی که ترک ظاهر می گردد ، کپسول ها شکسته شده و محتویاتش آزاد می شود. به دلیل عمل مویرگی ، این محتویات به داخل شکاف جریان می یابند. پس از واکنش ، صفحات ترک خورده به هم چسبیده و ترک بهبود می یابد. برای دستیابی به خواص مورد نیاز ، عوامل ترمیم مختلفی درون کپسولها قرار می گیرند. به منظور کاهش نفوذپذیری آب در بتن ترک خورده ، پلی اورتان در داخل کپسول ها جای میگیرد. هنگامی که بازیابی توان و قدرت مسئله مهمی است ، متیل متاکریلات درون کپسولها محصور می شود و برای سازه هایی که جنبه زیبایی آن مهم است ، عوامل دافع آب را می توان فراهم نمود.به عنوان ماده کپسوله نیز از شیشه های شکننده یا لوله های سرامیکی استفاده شده است. با این حال ، از آنجا که کپسول ها باید در فرایند اختلاط در بتن باقی بمانند ، تحقیقات حال حاضر بر توسعه کپسول هایی با خواص مناسب برای دوام در فرآیند اختلاط و آزادسازی عامل بهبودی هنگام ایجاد ترک در ماتریس سخت شده متمرکز است.(شکل ۵ )

در مورد ترک های پویا در سازه های تحت بارهای دوره ای (به عنوان مثال به دلیل ترافیک یا تغییرات دما) ، می توان از پلیمرهای الاستیک محصور استفاده کرد. در حالی که ترک های بهبود یافته با CaCO3 با بارگیری مجدد باز می شوند و در مورد پلیمرهای سفت و سخت ترک های جدیدی ایجاد می شود ، پلیمرهای الاستیک باید بتوانند ترک هایی با عرض بیشتر را به یکدیگر متصل کنند. بنابراین ، برای این کاربرد خاص ، بازیابی قدرت به اندازه آب بندی موثر ترک ها مهم نیست، لذا خواص چسبندگی و ظرفیت کرنش عوامل ترمیم پلیمری الاستیک در کار است که ارزیابی می شود.

۵- در حالی که به نظر می رسد بتن خاکستر بادی و سرباره کوره بلند با توجه به ریز ساختار سن اولیه آن و پیشرفت نکردن استحکامش نامرغوب است، دقیقاً به دلیل میزان هیدراتاسیون پایین ذرات سرباره و خاکستر بادی توانایی خود ترمیم شوندگی آنها می تواند بسیار بالا باشد. در صورت ترک خوردن بتن، ذراتی که واکنشی نشان ندادند می توانند مجدداً فعال شده تا ترک ها را بسته و دوباره نفوذ ناپذیری نسبت به آب و استحکام لازم را به دست آورند.(شکل ۶)

مناسب بودن انواع مختلف فعال کننده های قلیایی (به عنوان مثال NaOH ،KOH یا محلول سیلیکات) مورد بررسی قرار گرفته است.علاوه بر این، پیش بینی عمر مفیدی برای بتن خود ترمیم شونده بر اساس دوام در محیط های تهاجمی با غلظت بالای سولفات ، کلراید وکربنات ها شده است.

روش های آزمایش کارآیی خود ترمیم شوندگی:

روشهایی استاندارد به منظور مقایسه اثربخشی رویکردهای مختلف خود ترمیم شوندگی در برابر یکدیگر در حال توسعه است. هدف از این روش ها تجزیه و تحلیل بازیابی سختی سیال و خواص مکانیکی است. روش دیگر بر دوام بتن خود ترمیم شونده در محیط های شامل کربنات و نفوذ کلراید تمرکز می کند. همچنین مطالعاتی در مورد تأثیر افزودن عوامل ترمیم کننده  بر رفتار خزش در بتن انجام شده است.

نتیجه گیری:

بتن به عنوان یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است ،که آسیب دیدگی اولیه و خرابی آن در طول عمر سازه طراحی شده تهدیدی جدی برای صنایع زیرساختی است. بتن خود ترمیم شونده پتانسیل بالایی در کاهش این چالش خواهد داشت. فناوری بتن خود ترمیم شونده را می توان در توسعه زیرساخت های هوشمند و مقاوم به کار گرفت و بسته به کاربردهای مختلف ، می توان از فناوری های متفاوت ذکر شده ی بتن خود ترمیم شونده استفاده کرد.

بزرگترین چالش های تمام فن آوری های خود ترمیم شونده در صنعت بتن ، مشکلات جذب گسترده ، هزینه های اضافی ایجاد شده و تایید پایداری در عملکرد طولانی مدت است. آزمایشات میدانی مانند آنچه که توسط دانشگاه کمبریج ، دانشگاه کاردیف و دانشگاه باث تحت عنوان مواد برای زندگی (M4L)و مواد مقاوم برای زندگی (RM4L)آغاز شد ،پروژه های تحقیقاتی بسیار سختگیرانه ای در راستای تأیید بتن خود ترمیم شونده در مقیاس بزرگ است.