بتن خود ترمیم شونده

بتن ماده ای است که به دلیل در دسترس بودن و قیمت تمام شده در بازار ساخت و ساز بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، اگرچه مستعد شکستگی است. بنابراین، علاقه به مواد خود ترمیم شونده، به ویژه قابلیت های خود ترمیمی در مواد بتن سبز و پایدار، با تمرکز بر تکنیک های مختلف ارائه شده توسط ده ها محقق در سراسر جهان در دو دهه اخیر، افزایش یافته است.

با این حال، انتخاب موثرترین رویکرد دشوار است زیرا هر موسسه تحقیقاتی از تکنیک‌های آزمایشی خود برای ارزیابی کارایی درمان استفاده می‌کند. بتن خود ترمیم شونده (SHC) ظرفیت ترمیم را دارد و نیاز به مکان یابی و ترمیم آسیب های داخلی (مثلاً ترک ها) را بدون نیاز به مداخله خارجی کاهش می دهد.

این امر خوردگی آرماتور و زوال بتن و همچنین کاهش هزینه ها و افزایش دوام را محدود می کند. با توجه به شایستگی SHC ها، این مقاله مروری کامل بر این موضوع با در نظر گرفتن استراتژی ها، عوامل تاثیرگذار، مکانیسم ها و کارایی خوددرمانی ارائه می کند.

این بررسی ادبیات همچنین خلاصه‌های مهمی را در مورد خواص، عملکرد و ارزیابی کارایی خود ترمیمی کامپوزیت‌های SHC ارائه می‌کند. علاوه بر این، می توان تصور کرد که SHC سازندگان را قادر می سازد تا ساختمان ها را بدون ترس از آسیب یا تعمیر و نگهداری گسترده بسازند.

۱٫ معرفی

خود ترمیمی یک خاصیت شناخته شده و شناخته شده بتن است که به دلیل خواص شفابخش ذاتی آن است . پس از مدتی، شقاق ممکن است به دلیل هیدراتاسیون مداوم مواد معدنی کلینکر یا کربناته شدن هیدروکسید کلسیم (Ca(OH) 2 ) بهبود یابد.

از سوی دیگر، ترمیم خودکار محدود به ترک‌های جزئی است و تنها زمانی مؤثر است که آب در دسترس باشد، که کنترل کامل یا پیش‌بینی دقت آن را دشوار می‌کند. با این حال، بتن را می توان برای گنجاندن یک سیستم محرک باکتریایی برای آب بندی ترک ها تطبیق داد.از دهه نود قرن گذشته، تلاش هایی برای توسعه SHC خودمختار آغاز شد.

در سال ۲۰۰۶، بتن خود ترمیم شونده (SHC) به عنوان نوع جدیدی از بتن توسط پروفسور میکروبیولوژیست هنک جونکرز، در دانشگاه صنعتی دلفت، هلند اختراع شد. پس از ۳۶ ماه آزمایش، او یک عامل شفابخش کامل را کشف کرد که به اصطلاح باسیلوس نامیده می شود.

SHC یک سیستم متمایز دارد و معمولاً به عنوان توانایی بتن برای ترمیم ترک ها به صورت خودزا یا خودمختار تعریف می شود. همچنین به عنوان بتن خود ترمیم شونده شناخته می شود SHC از ترمیم خودکار زخم های بدن با ترشح نوعی ماده تقلید می کند.

SHC با پراکندگی مواد خاصی (به عنوان مثال، کپسول ها یا الیاف) حاوی محلول های ترمیم کننده در مخلوط بتن ایجاد می شود ، جایی که، هنگامی که ترک ها ظاهر می شوند، الیاف یا کپسول ها خرد می شوند و مایع موجود در آنها بلافاصله پخش می شود تا ترک را درمان کند. ترک های بتنی به دلیل مقاومت کششی کم سیستم های بتنی یک اتفاق رایج است.

این ترک‌های توسعه‌یافته دوام طولانی‌مدت بتن را کاهش می‌دهند زیرا به مایعات و گازهای خطرناک اجازه نشت می‌دهند . در حالی که بتن ممکن است توسط ریز ترک ها فرسایش یابد، میلگردهای تقویت کننده فولادی نیز ممکن است تحت تأثیر حملات ناشی از نفوذ گازها و مایعات مضر به سیستم بتنی قرار گیرند .

پیشنهادی : خرید ضد یخ بتن شیمی کلیک نمایید.

بنابراین، برای جلوگیری از گشاد شدن ترک ها، بسیار مهم است که به سرعت درمان شوند. خود ترمیم ترک های بتنی می تواند طول عمر سازه های بتنی را افزایش دهد و سازه را با محیط زیست سازگارتر کند و به طور همزمان پایداری آن را افزایش دهد.

چندین استراتژی خوددرمانی اخیرا ارائه شده است .آنها عمدتاً شامل روش‌های خودترمیمی مانند خودترمیمی مبتنی بر کپسول، خودترمیمی عروقی، خودترمیمی با رسوب الکترونی، خودترمیمی میکروبیولوژیکی و خودترمیمی از طریق ادغام آلیاژ نامبرده می‌شوند.

شایان ذکر است که ادعا شده است که بتن اولیه بهترین ظرفیت را برای خود ترمیمی نشان می دهد.برای تولید خود ترمیم بتن تحت فشار و شکاف، از میکروکپسول‌های اوره فرمالدئید (قطر ۲۰ تا ۷۰ میکرومتر) پر شده با رزین اپوکسی و میکروکپسول‌های ژلاتینی (قطر ۱۲۵ تا ۲۹۷ میکرومتر) پر شده با رزین اکریلیک استفاده می‌شود. این از یک عامل خنک کننده هوا ساخته شده است که از طریق لوله های شیشه ای تحویل داده می شود.

لوله ها در انتها در معرض جو قرار می گیرند و در انتهای دیگر خم می شوند تا فاکتور شفا را تحویل دهند. هنگامی که محتوای لوله ها در نتیجه ترک خوردگی بتن تمام می شود، ممکن است یک ماده شیمیایی اضافی از طریق انتهای باز وارد شود تا برای ترمیم ترک های بزرگتر امکان پذیر شود.

رویکرد موقعیت الکترود به عنوان راهی برای تعمیر سازه های بتنی شکسته ارائه شده است و تأثیرات این روش بر خواص مختلف بتن مورد بررسی قرار گرفته است.

همچنین میتوانید بخوانید مقاله شیرالات ساختمانی چه رنگی بخریم؟

عوامل مؤثر در خوددرمانی

فرآیند خود ترمیم تحت تأثیر یک سری متغیرها از جمله عامل ترمیم کننده مورد استفاده، مواد محافظ، دوز کپسول ها، قطر کپسول، عرض و عمق ترک، علل ترک، دما و رطوبت، طراحی مخلوط بتن یا ملات و در نهایت زمان بهبود.

می توانید برای مطالعه ی مقاله ی بتن ریزی در هوای سرد کلیک نمایید.

مشاهده مستقیم استریومیکروسکوپی ترک های نمونه های مبتنی بر باکتری را قبل و بعد از بهبودی کامل نشان می دهد. مدت زمانی که برای ترمیم ترک های ۱ میلی متری در نظر گرفته شده بود، ۲۸ روز پخت در آب لوله کشی بود.

ظاهر نمونه ها با افزودن هاگ و مواد مغذی بسیار متفاوت بود. نه تنها ترک ها به طور کامل پر شدند، بلکه سطح نمونه ها پس از ۲۸ روز بهبود تا حدودی توسط رسوبات سفید پوشیده شد. برخی از منافذ نیز توسط رسوبات پر شده است.

مکانیسم های ترمیم ترک تولید کربنات کلسیم است که ممکن است متعاقباً برای پر کردن ترک ها استفاده شود.

۱. زمان هیدراتاسیون

۲٫فشار بارگذاری شده روی ترک ها

۳٫ نسبت آب به سیمان

۴٫ کارایی خوددرمانی

۵٫ مکانیسم خوددرمانی

مکانیسم های خود درمانی بتن :

۱٫ خود درمانی اتوژنیک

خود ترمیم خودکار (ASH) توانایی بتن برای ترمیم یا ترمیم ترک ها در حضور رطوبت و عدم وجود تنش کششی است. استفاده از ویژگی خود ترمیم شوندگی بتن، به ویژه برای ساختمان های نگهدارنده آب، حیاتی است، زیرا این ماده شکننده ای است که بر اساس مقدار رطوبت موجود در داخل، ابعاد را تغییر می دهد .

در بخش بتن، فرآیندهای بهبودی معمولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: درمان خودکار و خودزا عملکرد اصلی فرآیند خود ترمیمی، آب بندی ترک ها در سازه بتنی است و در نتیجه عمر مفید سازه های بتنی را افزایش می دهد.

این همچنین سازه ها را بادوام تر و همچنین پایدارتر می کند. فرآیند خودترمیمی اتوژنیک تنها از اجزای ماده اصلی استفاده می‌کند که به دلیل ماهیت شیمیایی متمایز و فعال خود در شرایط محیطی مطلوب، بهبودی را تقویت می‌کنند تا این فرآیند رخ دهد.

در آغاز قرن نوزدهم، پدیده خودترمیمی اتوژنیک توجه محققان را به خود جلب کرد، زیرا اولین سازه‌های نگهدارنده آب، کولورها و لوله‌ها برای بهبود خود مشاهده شدند. مطالعات بعدی بر تعیین پیشینه فیزیکوشیمیایی این فرآیند متمرکز شد. به طور کلی، دلایل خودترمیمی خودزا را می توان به سه دسته طبقه بندی کرد: فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی.

عوامل فیزیکی شامل انبساط ماتریس سیمانی در اطراف دهانه ترک در نتیجه جذب آب توسط ماتریس سیمان هیدراته است که منجر به باریک شدن ترک می شود.

محیط دریایی بر خودترمیمی خودکار نیز تأثیر دارد. نمونه های ملات سیمان پرتلند معمولی (OPC) در یک شبیه سازی آزمایش آزمایشگاهی با غوطه وری در آب شور، عملکرد بهتری از نمونه های ملات سرباره کوره بلند (BFS) داشتند.

اما در آب شیرین، وضعیت برعکس بود. پس از ۵۶ روز، ۱۰۰٪ OPC و یک نمونه OPC مخلوط BFS در شکاف های آب بندی شده با آب دریا به ترتیب تا ۵۹۲ میکرومتر و ۱۰۴ میکرومتر، اما در آب شیرین، وضعیت به ۱۶۸ میکرومتر و ۴۰۸ میکرومتر تغییر کرد.

بارش بروسیت، به عنوان مثال، Mg(OH) 2 و آراگونیت، نیز مشاهده شد که تاثیر قابل توجهی بر روند بهبود دارد. در مطالعه دیگری و برای ایجاد دانش بیشتر در مورد کارایی خودترمیمی خودزا در شرایط دریایی، اثربخشی ترمیم خودکار نمونه‌های ملات OPC و BFS در کلرید و مخلوطی از کلرید و محلول سولفات برای شبیه‌سازی یک محیط دریایی. مورد مطالعه قرار گرفت.

این یافته نشان داد که در حالی که محلول کلرید تأثیری بر روند بهبودی ندارد، محلول‌های حاوی سولفات منیزیم اضافی با ایجاد لایه‌های بروسیت در سطوح ترک، آب‌بندی ترک را افزایش می‌دهند. در نتیجه، می توان نتیجه گرفت که ترکیبات ماتریس سیمان، مانند برخی از مواد سیمانی تکمیلی و محیط شفابخش، تأثیر قابل توجهی بر روند ترمیم خودزا دارند.

بر اساس گزارش‌ها، استفاده از کانی‌های پوزولانی برای بهبود ظرفیت خودترمیمی بتن OPC هنگامی که به‌عنوان مواد سیمانی مکمل استفاده می‌شود، به دلیل فعالیت پوزولانی آن‌ها ثابت شده است. واکنش پوزولانی بهینه مواد تکمیلی باعث تشکیل محصولات هیدراتاسیون مؤثر می شود که نه تنها قادر به آب بندی، بلکه ترمیم ترک ها هستند.

۲٫خود درمانی مبتنی بر باکتری های اتونومیک

مکانیسم خودترمیمی خودکار متکی به مواد افزودنی مانند میکروکپسول‌های حاوی کپسول‌های شفابخش پر از اسپور باکتری است که مسئول رسوب مواد شفابخش هستند. خودترمیمی مبتنی بر باکتری‌های خودمختار یک رویکرد جایگزین است که اغلب از باکتری‌ها به شکل سلول‌های کروی با دیواره ضخیم مانند باکتری‌های سازنده آندوسپور قلیایی استفاده می‌کند.

Jonkers اولین کسی بود که یک عامل SHC مبتنی بر باکتری متشکل از هاگ های باکتری و یک ماده شیمیایی پیش ساز معدنی آلی را معرفی کرد. در این سیستم ها، مکانیسم خود ترمیمی وابسته به سنتز کربنات کلسیم توسط تبدیل متابولیک باکتریایی اسیدهای آلی یا اورولیز آنزیمی است.

با این حال، در این مکانیسم، فرآیند خود ترمیمی تنها در حضور یک بستر آلی که مواد مغذی و آب را برای باکتری‌ها برای تحریک فعالیت باکتری‌ها فراهم می‌کند، رخ می‌دهد. ورود آب ناشی از ترک، هاگ های باکتریایی را فعال می کند که به سلول های آلی فعال تبدیل می شوند که قادر به تبدیل مواد شیمیایی پیش ساز معدنی به کربنات کلسیم هستند.

کربنات کلسیم رسوب شده در ترک های بتن مسلح شده با فولاد می تواند از نفوذ آب از طریق ترک ها جلوگیری کرده و حساسیت به نفوذ کلرید را به حداقل برساند و در نتیجه احتمال خوردگی آرماتور فولادی را کاهش دهد. علیرغم این واقعیت که اکثر زیرساخت های دریایی جهان در مناطق آب و هوایی معتدل قرار دارند (متوسط ​​دمای سالانه ۱۰ درجه سانتیگراد و میانگین دمای تابستان ۲۰ درجه سانتیگراد) است.

۳٫ خود درمانی مبتنی بر کپسول اتونومیک

فرآیند خود درمانی خودمختار مبتنی بر عمل افزودنی هایی مانند میکروکپسولهای پر از شفابخشی است.یکی از برجسته ترین استراتژی های مورد بررسی در سالهای اخیر ، محصور سازی یک ماده درمانی است.

عمل آب بندی زمانی انجام می شود که یک ترک در داخل ماتریس بایندر شروع شده و در یک کپسول منتشر می شود، آن را می شکند و عامل التیام دهنده را آزاد می کند. ماده درمانی که پس از آن آزاد شده است ، شکستگی را مهر و موم می کند و از گسترش بیشتر آن جلوگیری می کند.

نفوذپذیری ماتریس بتونی معمولاً در نتیجه کاهش عرض ترک و نسبت ترک کاهش می یابد و به طور معمول بازیابی جزئی از خصوصیات مکانیکی وجود دارد. به طور معمول ، کپسول ها شامل اوره -فورتالدئید ، شیشه و سیلیس و نیترات کلسیم ، رزین اپوکسی ، پلی اورتان و پلیمرهای فوق العاده (SAP) هستند که متداول ترین اشکال داروهای درمانی محسوب می شوند.

چرخه طراحی برای مواد خودکشی مبتنی بر کپسول شامل مراحل زیر است:

(۱) محاصره کپسول

(۲) ادغام کپسول در ماتریس

(۳) خصوصیات مکانیکی

(۴) عامل شفابخش باعث ایجاد و آزاد شدن به منطقه آسیب دیده می شود.

سیستم های خود ترمیم کننده مبتنی بر کپسول: ( الف ) کپسول های تک، ( B ) کپسول (سبز)/کاتالیزور پراکنده (نارنجی)، ( C ) قطرات/کپسول های فاز جدا شده (سبز)، ( D ) کپسول مکانیسم ترمیم کپسول/کاتالیزور پراکنده مبتنی بر محصور کردن یک عامل خود ترمیم شونده در داخل کپسول‌های شکننده و پراکندگی کاتالیزور/سخت‌کننده درون ماتریس است. آسیب انتشار به شکل ترک منجر به شکستن کپسول ها و آزاد شدن مونومر می شود که سپس با کاتالیزور تماس پیدا می کند و منجر به پلیمریزاسیون می شود.

استراتژی بعدی، فازی است که سیستم‌های قطره/کپسول را جدا می‌کند و شامل جداسازی فاز حداقل یکی از اجزای شفابخش و کپسوله‌سازی اجزای باقی‌مانده است. هنگامی که این دو ماده آزاد می شوند، با یکدیگر واکنش نشان می دهند. در حالی که سیستم کپسول دوگانه دارای یک یا چند عامل شفادهنده مایع واکنشی یا پلیمریزر است، سیستم میکروکپسول یکپارچه کاملاً مستقل است.

با این حال، معمولاً از کپسول های شیشه ای، عمدتاً برای حفظ عامل شفابخش استفاده می شود این کپسول ها پس از ظاهر ترک به طور رضایت بخشی شکسته می شوند، اما چالش از این واقعیت ناشی می شود که آنها قادر به مقاومت در برابر فرآیند اختلاط بتن بدون حفاظت خاص نیستند.

بنابراین، محققان پیشنهاد کرده‌اند که کپسول‌ها را با یک محلول در آب بسته‌بندی کنند، که می‌تواند از آنها در طول فرآیند اختلاط کامیون محافظت کند.

چشم انداز آینده

در دو دهه اخیر، افزایش علاقه به مواد خود ترمیم شونده، به ویژه ویژگی های خود ترمیم شونده در مواد سیمانی، با ده ها محقق روش های مختلف را پیشنهاد کرده اند همچنین هنوز نمی توان پیش بینی کرد که کدام رویکرد با جزئیات بهتر از رقبا عمل می کند.

اخیراً، بسیاری از مطالعات عمدتاً به درمان خودزا اختصاص داده شده است. در نتیجه، مطالعات کمی در مورد استفاده از شفای خودمختار (رویکردهای خودترمیمی مبتنی بر کپسول و عروق) وجود دارد علت این امر عوامل متعددی است که به شرح زیر است:

– ترمیم خودزا هنوز به ترک‌های کوچک محدود می‌شود و قابلیت اطمینان آن همچنان پایین‌تر است زیرا به ترکیب ماتریکس در زمان ایجاد ترک وابسته است که مکانیسم‌های واکنش احتمالی را تعیین می‌کند.

– همچنین باید شانس رسیدن شکستگی به کپسول، راندمان آزادسازی و حجم ترک قابل التیام را در نظر گرفت.

– از آنجا که کپسول های لوله ای باید به صورت دستی وارد شوند، این روش فقط برای عناصر بتنی پیش ساخته مناسب است.

یک ارزیابی جامع از تحقیقات SHC که توسط Tittelboom و Belie گزارش شد، نشان داد که این یک زمینه بسیار فرا رشته ای است که شامل میکروبیولوژی، شیمی، علوم مواد، مهندسی عمران و سایر رشته ها می شود. برای اینکه یک استراتژی خوددرمانی مؤثر باشد، محققان از رشته های مختلف باید با یکدیگر همکاری کرده و با یکدیگر ارتباط برقرار کنند .

اگرچه می توان از هر رویکرد خوددرمانی در محل استفاده کرد، اما عامل کلیدی موثر بر پذیرش و محبوبیت آن هزینه های مرتبط خواهد بود. در نتیجه، بسیار مهم است که هزینه های مکانیسم را تا حد امکان پایین نگه دارید.

در حالت ایده آل، آنها باید کمتر از مجموع هزینه های تعمیر مستقیم و غیرمستقیم باشند که در طول عمر سازه رخ می دهد. این ممکن است به متقاعد کردن طراحان و تولیدکنندگان برای ترکیب SHC در طراحی و ساخت سیستم‌های ساختمانی سازگار با محیط زیست و پایدار کمک کند.

ساختمان های بتنی به لطف SHC دیگر در معرض فرسایش و پارگی نخواهند بود. دانشمندان با وجود این واقعیت که هنوز در حال توسعه است، به روش های مختلفی به SHC نزدیک می شوند. سیلیکات سدیم، قارچ ها و باکتری ها همگی برای تولید برخی از این مواد شفابخش استفاده شده اند.

همانطور که گزارش شده است، مشخص شده است که نیاز به ارائه سازه های بتنی بادوام تحت شرایط محیطی و/یا عملیاتی شدید باعث توسعه بتن با کارایی بالا خود ترمیم شونده (HPC) یا حتی UHPC شده است.

به منظور تولید سازه های بتنی با ماندگاری طولانی، این مفهوم بر اساس ادغام دو فناوری پیشرفته، HPC و بتن های خود ترمیم شونده ساخته شده است. با توجه به شرایط شدیدی که انتظار می رود بتن در آینده در آن دوام داشته باشد، مانند خستگی مکانیکی بالا و دماهای شدید، بتن ساخته شده در آینده برای مدت طولانی تری زنده خواهد ماند.

در واقع، چندین پروژه زیرساختی جدید به طول عمر طولانی نیاز خواهند داشت که اغلب بیشتر از آنچه در استانداردها مشخص شده است، مانند بتن های مورد استفاده در سازه های دریایی یا زیرزمینی (جایی که گرادیان دما و فشار بالا مورد انتظار است)، یا سازه های بتنی نصب شده در امتداد خطوط ساحلی (میزان کلرید بالا). در مناطق زیر قطبی یا قطب شمال، مانند دماهای پایین و ساییدگی یخ، یا در مناطق بیابانی، مانند دماهای بالا و در شرایط آتش سوزی.

در اکثر این سناریوها، عمر مفید بیش از ۱۰۰ سال ضروری است، اگرچه این دوره‌ها بسیار بیشتر از طراحی عمر سرویس استاندارد موجود خواهد بود. از آنجایی که عمر سرویس را می توان با یک طراحی اولیه بادوام نسبت به توانبخشی آینده به طور مقرون به صرفه تر افزایش داد، HPC خود ترمیم شونده به طور قابل توجهی هزینه های نگهداری را در این شرایط منحصر به فرد کاهش می دهد، علیرغم اینکه پیش بینی می شود هزینه اولیه زیرساخت را افزایش دهد.

بر اساس این بررسی، اشاره شد که برای توصیف بهتر مواد مبتنی بر سیمان خود ترمیم شونده به طور کلی، نه فقط مواد با کارایی بالا، مجموعه واحدی از معیارهای ارزیابی کاربردی، قابل اعتماد و دقیق برای توصیف بهتر مورد نیاز است.

تکنیک های خود درمانی ایجاد شده با این وجود، با توجه به دستاوردهای فوق العاده ای که قبلاً مستند شده است، HPC خود ترمیم شونده احتمالاً در بسیاری از سازه های بتنی در آینده نزدیک استفاده خواهد شد.

پس از چند سال، به راحتی می توان فهمید که چرا SHC چنین تغییر دهنده بازی است. این به سازندگان این امکان را می دهد که بدون نگرانی در مورد آسیب یا نگهداری گسترده، سازه ها را بسازند.

SHC نه تنها برای سازه‌ها، بلکه پیاده‌روها نیز مفید خواهد بود، زیرا راه‌حلی فوق‌العاده برای هر دوی این مشکلات است. در شهرها و حومه‌ها، می‌توان پیاده‌روهای صاف را بدون نگرانی از ساییدگی ساخت.

از سوی دیگر، SHC هنوز در حال تکمیل شدن است. در حالی که تشویق یک طراح به استفاده از یک SHC خاص ممکن است در حال حاضر دشوار باشد، انتظار می رود در چند سال آینده بر بازار تسلط یابد. در همین حال، دستور العمل هایی برای ساخت SHC خودمان وجود دارد. یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی، تغییر نحوه ساخت و طراحی زیرساخت های خود است.

برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با شرکت بتن شیمی زرین در سایت و وبلاگ بتن شیمی عضو شوید.