چکیده

ضعف اصلی بتن، آسیب‌پذیری آن در برابر ترک‌خوردگی است و تعمیر سازه‌های بتنی، به‌ویژه زیرساخت‌هایی که دسترسی به آن‌ها دشوار است، هزینه‌بر و پیچیده است. توانایی بتن‌های خودترمیم‌شونده (Self-Healing Concrete – SHC) در ترمیم ترک‌ها بدون دخالت انسان، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است؛ زیرا این ویژگی می‌تواند عمر بهره‌برداری سازه را افزایش داده و هزینه‌های نگهداری را کاهش دهد.

این مقاله، روش‌ها و فناوری‌های مختلف بتن خودترمیم از دو نوع «خودزا» (Autogenous) و «خودمختار» (Autonomous) را مرور می‌کند. تمرکز ویژه بر بتن خودترمیم خودمختار است؛ از جمله مواد مورداستفاده در کپسوله‌سازی، هندسه کپسول‌ها و انواع عوامل ترمیم‌کننده. دلیل این تمرکز آن است که در این رویکرد، محل ترمیم بادقت بیشتری هدف‌گیری می‌شود و ظرفیت ترمیم نیز در مقایسه با هیدراتاسیون یکنواخت در بتن خودترمیم خودزا، برتر است.

مواد پلیمری هم در نقش پوسته کپسول و هم در نقش عامل ترمیم‌کننده، پتانسیل بالایی نشان داده‌اند؛ زیرا می‌توان ویژگی‌های متضادی را که برای کپسول‌ها لازم است در آن‌ها طراحی کرد: انعطاف‌پذیری در هنگام اختلاط بتن و شکننده شدن در هنگام ایجاد ترک. ویسکوزیته عامل ترمیم‌کننده باید به‌اندازه‌ای پایین باشد که خروج آن از کپسول و پر‌کردن ترک‌های ریز ممکن شود؛ اما اگر ویسکوزیته بیش از حد پایین باشد، یا عامل ترمیم‌کننده از شکستگی نشت می‌کند و خارج می‌شود، یا در منافذ ماتریس سیمانی نفوذ کرده و در خود ترک باقی نمی‌ماند. افزون بر این، برخی پروژه‌های اجرایی نیز برای نشان‌دادن امکان‌پذیری استفاده از بتن خودترمیم در صنعت ساخت‌وساز، معرفی شده‌اند.

کلمات کلیدی

بتن خودترمیم؛ ترمیم خودزا؛ ترمیم خودمختار؛ عامل ترمیم‌کننده؛ کپسوله‌سازی؛ کپسول.

مقدمه

با مصرف سرانه حدود ۲.۵ تن بتن به‌ازای هر نفر در سال، بتن پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی در جهان است و به دلیل قیمت نسبتاً پایین، از جذابیت اقتصادی بالایی برخوردار است. از زمان معرفی سیمان پرتلند در میانه قرن نوزدهم، سازه‌های بتنی به طور گسترده در انواع کاربری‌ها اجرا شده‌اند. بتن ماده‌ای شبه‌ترد (quasi-brittle) است که در فشار مقاوم، اما در کشش ضعیف است؛ ازاین‌رو، در ساخت‌وساز معمولاً همراه با آرماتور فولادی (میل‌گرد) به کار می‌رود.

بااین‌حال، عیب اصلی بتن آن است که در طول زمان مستعد ترک‌خوردگی و فرسودگی است. بازسازی و تعمیر سازه‌های بتنی، به‌ویژه در زیرساخت‌هایی که دسترسی به آن‌ها آسان نیست، فرایندی پرهزینه و دشوار است.

در سال‌های اخیر، سیستم‌های زیستی الهام‌بخش پژوهشگران علم مواد شده‌اند و این تغییر رویکرد در فلسفه طراحی مواد، به توسعه «مواد هوشمند» و در میان آن‌ها، مواد خودترمیم‌شونده انجامیده است. راهبردها و روش‌های گوناگونی برای طبقه‌بندی بتن‌های خودترمیم پیشنهاد شده است. هم‌زمان، با پررنگ‌تر شدن مفهوم مصالح پایدار، بتن خودترمیم به‌عنوان موضوعی جذاب و راه‌حلی بالقوه برای چالش‌های پایداری در سازه‌های بتنی مطرح شده است.

درای (Dry) از نخستین پژوهشگرانی بود که مفهوم عملکرد خودترمیمی را در مهندسی عمران، به‌ویژه در مصالح سیمانی، بررسی کرد؛ هرچند بخش عمده مطالعات اولیه درباره مواد خودترمیم به پلیمرها و کامپوزیت‌های پلیمری اختصاص داشت و غالباً در زمینه کاربردهای فناوری پیشرفته (High-tech) در صنایع هوافضا و هواپیما انجام شده است.

در ادامه، برای افزایش ظرفیت ترمیم در بتن، از طیف متنوعی از روش‌ها و عوامل ترمیم‌کننده نظیر پلیمرها، باکتری‌ها و افزودنی‌های معدنی استفاده شده است. باوجود این، بتن خودترمیم مبتنی بر کپسوله‌سازی در سال‌های اخیر، به دلیل توانایی در ترمیم مؤثر ترک‌ها بدون دخالت انسان، افزایش عمر بهره‌برداری و کاهش هزینه‌های نگهداری، بیش‌ازپیش موردتوجه قرار گرفته است. در این رویکرد، هنگامی که ترک در حال گسترش به پوسته کپسول می‌رسد، پوسته می‌شکند و عامل ترمیم‌کننده آزاد می‌شود و ترک‌های مجاور منطقه آسیب‌دیده را پر می‌کند.

به همین دلیل، بتن خودترمیم (SHC) گزینه‌ای با چشم‌انداز مطلوب برای زیرساخت‌های در معرض آب و محیط‌های خورنده، مانند تونل‌ها و پل‌ها، محسوب می‌شود. در ادبیات فنی، مطالعات تجربی متعددی برای بررسی شکست کپسول‌ها و ارزیابی کارایی ترمیم انجام شده است. این مطالعات نشان می‌دهند که پیوند بین پوسته کپسول و ماتریس سیمانی اغلب کامل نیست و کارایی ترمیم به شکست به‌موقع میکروکپسول‌ها و آزادسازی کافی عامل ترمیم‌کننده برای پرکردن ترک‌ها وابسته است.

در کنار آزمایش‌های تجربی، مدل‌سازی محاسباتی بتن خودترمیم مبتنی بر کپسوله‌سازی نیز ابزار مهمی برای مطالعه پدیده‌های فیزیکی‌ای است که بررسی تجربی آن‌ها دشوار یا پرهزینه است؛ از جمله اثر خوشه‌بندی کپسول‌ها، ویژگی‌های شکست فصل مشترک بین کپسول‌ها و ماتریس بتن، تأثیر طول ترک ترمیم‌شده و ویژگی‌های چسبندگی بین عامل ترمیم‌کننده جامد شده و سطوح ترک‌خورده.

این مقاله به طور جامع، سیر توسعه، تعاریف، مفاهیم و فناوری‌های بتن خودترمیم را مرور می‌کند. در آن، تکنیک‌های کپسوله‌سازی (شامل انواع کپسول‌ها و عوامل ترمیم‌کننده) تشریح و طبقه‌بندی می‌شوند و سپس، نمونه‌هایی از کاربرد بتن خودترمیم در پروژه‌های عملی معرفی می‌گردد. شکل ۱ نمودار جریان روش‌شناسی این مطالعه مروری را نشان می‌دهد.

۱.۱ تعاریف

توانایی بتن برای ترمیم یا «خود تعمیر» ترک‌ها به‌صورت طبیعی و خودکار، بدون نیاز به مداخله خارجی، در ادبیات معمولاً با عنوان «بتن خودترمیم» شناخته می‌شود. در این حوزه، اصطلاحات دیگری نیز به کار می‌رود؛ از جمله «مواد هوشمند» (Intelligent Materials)، «مواد زیرک/پاسخ‌گو» (Smart Materials)، «سازه‌های هوشمند» و «سازه‌های حسی». تعاریف این مفاهیم در منابع مختلف گاه با هم تداخل دارند و می‌توانند موجب ابهام شوند. در ادامه، برای شفافیت، توضیح ساده‌تری از هر یک ارائه می‌شود.

۱.۱.۱ مواد هوشمند (Intelligent Materials)

مواد هوشمند موادی هستند که هم جنبه اطلاعاتی و هم جنبه‌های فیزیکی مانند مقاومت و دوام را در خود دارند. ترکیب نظام‌مند چند عملکرد متفاوت در یک ماده، سطحی از عملکرد را ایجاد می‌کند که می‌توان آن را «هوشمندی» نامید.

مواد هوشمند باید بتوانند در برابر محرک‌های متعدد محیطی به‌صورت کنترل‌شده واکنش نشان دهند و تا حدی از خودکنترلی برخوردار باشند. این نوع پاسخ‌گویی، شباهت‌هایی با عملکرد بسیاری از مواد طبیعی، از جمله پوست، استخوان و تاندون دارد.

۱.۱.۲ مواد زیرک/پاسخ‌گو (Smart Materials)

مواد «Smart» به موادی اطلاق می‌شود که به طور خاص طوری طراحی شده‌اند که در برابر تغییرات آنی محیط پیرامون، پاسخ‌هایی مشخص، سریع و مؤثر بروز دهند. از جمله نمونه‌های این گروه می‌توان به مواد پیزوالکتریک (با پاسخ الکتریکی به تغییر شکل)، مواد مگنتواسترکتیو (با تغییر شکل تحت میدان مغناطیسی)، آلیاژهای حافظه‌دار، پلیمرهای حساس به دما (که با تغییر دما رنگ عوض می‌کنند) و ژل‌های هوشمندی اشاره کرد که می‌توانند در پاسخ به محرک‌های فیزیکی یا شیمیایی تا چندین برابر منقبض یا منبسط شوند.

در عمل، میزان توانایی یک ماده در جمع‌آوری اطلاعات، پردازش آن‌ها و تولید پاسخ مناسب، معیار مهمی برای تمایز آن از «مواد Intelligent» در طبقه‌بندی‌های رایج است.

۱.۱.۳ سازه‌های هوشمند (Smart Structures)

سازه‌های هوشمند، بر خلاف مواد هوشمند، لزوماً از مواد پیشرفته ساخته نشده‌اند؛ بلکه سازه‌هایی هستند مرکب از مواد معمولی که با افزودن اجزای حسگر و محرک، به قابلیت پایش و کنترل فعال مجهز شده‌اند.

بسیاری از سامانه‌های خودترمیم در این دسته قرار می‌گیرند؛ زیرا در آن‌ها عوامل ترمیم‌کننده به‌صورت کپسول درون سازه تعبیه می‌شود و هنگام وقوع شکست، آزاد شده و نقش «ترمیم‌کننده» را بر عهده می‌گیرد و عمر عملی سازه را افزایش می‌دهد.

پژوهش‌های متعددی در زمینه خودترمیم در پلیمرها، پوشش‌ها، کامپوزیت‌ها و بتن انجام شده است. بااین‌حال، چون این سازه‌ها به دانش قبلی درباره مکانیزم‌های احتمالی آسیب وابسته‌اند، بیشتر در دسته «Smart» جای می‌گیرند تا «Intelligent». جزئیات مرتبط با بتن خودترمیم در بخش ۲ مورد بحث قرار خواهد گرفت.

۱.۱.۴ سازه‌های حسی (Sensory Structures)

سازه‌های حسی، سازه‌هایی‌اند که قابلیت «سنجش» و «تشخیص» دارند، اما خودشان قادر به اقدام اصلاحی مستقیم نیستند. برای مثال، آجرهای هوشمند می‌توانند دما، ارتعاش و حرکت را درون سازه ثبت و پایش کنند. فیبرهای نوری هوشمند برای تشخیص مواد شیمیایی مضر، رطوبت یا کرنش مورداستفاده قرار می‌گیرند. رنگ‌های هوشمند نیز ممکن است حاوی حسگرهای میکروسکوپی (مثلاً میکروسفرهای سیلیکونی) باشند که وضعیت پوشش و میزان حفاظت آن را پایش می‌کنند.

مفاهیم بتن خودترمیم

بتن خودترمیم با استفاده از مکانیزم‌ها و فرایندهای مختلفی می‌تواند ترک‌ها و آسیب‌ها را تا حدی جبران کند. این مکانیزم‌ها را می‌توان به شیوه‌های گوناگون طبقه‌بندی کرد. دو مطالعه برجسته در دانشگاه صنعتی دلفت (TU Delft) و دانشگاه گِنت (Ghent) به مقایسه تکنیک‌های مختلف ترمیم پرداخته‌اند. همچنین، مرورهای متعددی برای خلاصه‌سازی استراتژی‌ها و روش‌های بتن خودترمیم منتشر شده است.

باوجود تنوع روش‌ها، تقریباً تمام رویکردها بر دو مفهوم بنیادی استوارند:

• ترمیم خودزا (Autogenous / Autogenic Healing)
• ترمیم خودمختار (Autonomous Healing)

در بخش‌های بعد، این دو مفهوم به‌تفصیل معرفی و تحلیل می‌شوند.

۲.۱ ترمیم خودزای بتن

هرگاه توانایی ترمیمی یک ماده ناشی از ویژگی‌های ذاتی خود آن ماده باشد، فرایند ترمیم را «ترمیم خودزا» می‌نامند و آن ماده بالقوه در شمار مواد هوشمند قرار می‌گیرد. در مورد بتن، یکی از جلوه‌های ترمیم خودزا، هیدراتاسیون دوباره در حضور آب است؛ به این معنا که قرارگرفتن بتن ترک‌خورده در معرض آب می‌تواند باعث فعال‌شدن بخش‌های هیدراته‌نشده سیمان در ماتریس و آغاز مجدد فرایند هیدراتاسیون شود.

این پدیده می‌تواند بدون افزودن عوامل ترمیم‌کننده خارجی و صرفاً به کمک ظرفیت ذاتی مواد سیمانی رخ دهد. از گذشته شناخته شده است که مواد سیمانی دارای نوعی توان خودترمیمی طبیعی‌اند. دوام قابل‌توجه بسیاری از ساختمان‌ها و سازه‌های تاریخی که با کمترین تعمیرات به حیات خود ادامه داده‌اند، عمدتاً به این پدیده نسبت داده می‌شود. نمونه‌هایی مانند طول عمر پیش‌بینی‌نشده چندین پل تاریخی در آمستردام غالباً با این مکانیزم توضیح داده می‌شود.

فرض بر این است که مقادیر نسبتاً زیاد گچ یا ترکیبات کلسیمی در سیمان، در حضور آب تجزیه می‌شوند و محصولات حاصل در ترک‌ها رسوب می‌کنند؛ در نتیجه، ضمن کاهش عرض ترک، از گسترش بیشتر آن نیز جلوگیری می‌کنند.

در سال‌های اخیر، پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند که ترمیم خودزای ریزترک‌ها (microcracks) می‌تواند به کاهش تدریجی ضریب نفوذپذیری سازه‌های بتنی دریایی کمک کند. البته، این نوع خودترمیم برای سازه‌هایی که در آب غوطه‌ور نیستند، محدود است؛ زیرا برای وقوع آن حضور مستمر یا مکرر رطوبت ضروری است. استفاده از روش‌هایی مانند مرطوب‌سازی منظم سازه‌ها می‌تواند این فرایند را تقویت کند، اما چنین اقداماتی به لحاظ اجرایی پرهزینه و در بسیاری موارد غیرعملی است.

به‌طورکلی، سه گروه فرایند شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی در شکل‌گیری خودترمیم خودزا نقش اصلی دارند. مهم‌ترین این فرایندها عبارت‌اند از:

• تورم و هیدراتاسیون مجدد خمیر سیمان،
• رسوب کریستال‌های کربنات کلسیم،
• مسدودشدن مجاری جریان با رسوب ناخالصی‌های موجود در آب یا جابه‌جایی و دوباره‌نشست قطعات بتنی جداشده در هنگام ترک‌خوردگی. (شکل ۲)

مطالعات متعددی به بررسی این پدیده پرداخته‌اند؛ از جمله، بررسی تأثیر شدت آسیب بر ظرفیت خودترمیمی بتن با مقاومت معمولی و مقاومت بالا.

بتن پس از قرارگرفتن در معرض دماهای بالا ـ مانند آتش‌سوزی ـ نیز می‌تواند تا حدی به طور خودزا ترمیم شود. کارآمدی این فرایند به عواملی همچون حداکثر دمای تجربه‌شده، طرح اختلاط بتن، و نوع روش‌های خنک‌سازی و عمل‌آوری پس از آتش‌سوزی بستگی دارد.

بتن در هنگام آتش‌سوزی دستخوش تغییرات فیزیکی و شیمیایی متعددی می‌شود؛ از جمله تنش‌های حرارتی القایی و تبخیر آب آزاد که می‌توانند به ترک‌خوردگی قابل‌توجهی منجر شوند. در چنین شرایطی، بهره‌گیری از ظرفیت خودترمیمی، در صورت فعال‌شدن، می‌تواند امکان استفاده مجدد از عضو بتنی را پس از حریق افزایش دهد. به همین دلیل، ادبیات فنی به طور خاص تأثیر دما را بر نفوذپذیری و قابلیت‌های خودترمیمی بتن ترک‌خورده بررسی کرده است.

در سال‌های اخیر، از مدل‌های مبتنی بر یادگیری ماشین (Machine Learning) نیز برای پیش‌بینی بازیابی مقاومت فشاری بتن آسیب‌دیده در دمای بالا بر اثر خودترمیمی استفاده شده است. کامپوزیت‌های سیمانی مهندسی‌شده (Engineered Cementitious Composites – ECCs) نیز از منظر ترمیم خودزا موردتوجه قرار گرفته‌اند.

در مطالعه‌ای دیگر، اثر کارایی ترمیم خودزا بر بازیابی مقاومت تیرهای بتنی کاملاً عمل‌آورده که در معرض چرخه‌های سریع یخ‌زدگی/ذوب قرار گرفته بودند، بررسی شد. این تحقیق نشان داد ترمیم خودزا تنها قادر است حدود ۴ تا ۵ درصد مقاومت فشاری را بازیابی کند. همچنین مشخص شده است که بتن در سنین اولیه، بیشترین پتانسیل را برای ترمیم خودزا دارد.

به طور خلاصه، نتایج پژوهش‌ها نشان می‌دهد ترمیم خودزا عمدتاً برای ترک‌های باریک مؤثر است، برای انجام آن حضور آب ضروری است و مدیریت این فرایند در عمل چالش‌برانگیز است. عرض حداکثر ترک قابل‌ترمیم از طریق این مکانیزم، در برخی مطالعات حدود ۲۰۰ میکرومتر و در برخی دیگر حدود ۳۰۰ میکرومتر گزارش شده است. برای مقابله با محدودیت عرض ترک، راه‌حل‌های مختلفی پیشنهاد شده است.

برخی پژوهش‌ها، اعمال نیروهای فشاری خارجی جهت محدودکردن عرض ترک را مطرح کرده‌اند. گروهی دیگر، استفاده از کامپوزیت‌های سیمانی مهندسی‌شده (ECC) تقویت‌شده با الیاف مصنوعی مانند پلی‌وینیل الکل (PVA) و پلی‌پروپیلن (PP) را پیشنهاد داده‌اند تا با کنترل عرض ترک، شرایط برای خودترمیم خودزا فراهم‌تر شود.

پلیمرهای سوپر جاذب (Superabsorbent Polymers – SAP) نیز به‌عنوان راهکاری برای تأمین آب اضافی و تداوم هیدراتاسیون در بتن مطرح شده‌اند؛ زیرا این پلیمرها می‌توانند آب را ذخیره کرده و در طول زمان آزاد کنند. بااین‌حال، پس از آزادسازی آب، حفره‌ها و منافذی که SAP بر جای می‌گذارد به نقاط ضعیف در ماتریس بتن تبدیل می‌شوند و ممکن است زمینه گسترش ترک‌ها در طول عمر بهره‌برداری سازه را فراهم کنند.

در رویکردی دیگر، استفاده از مواد سیمانی مکمل نظیر خاکستر بادی (Fly Ash) و سرباره کوره بلند (Blast Furnace Slag) برای تقویت ترمیم خودزا بررسی شده است. این مواد نسبت به سیمان با سرعت کمتری هیدراته می‌شوند، بنابراین وجود ذرات هیدراته‌نشده آن‌ها در سنین بالاتر بتن، می‌تواند هیدراتاسیون تأخیری و در نتیجه ترمیم خودزا را تسهیل کند. ایراد این روش آن است که ماده ترمیم‌کننده در طول این فرایند مصرف می‌شود و ممکن است برای هیدراتاسیون‌های بعدی در دسترس نباشد.

جانکرز (Jonkers) استفاده از هاگ‌های باکتری را برای تسهیل تشکیل کربنات کلسیم ـ که یکی از اجزای کلیدی در فرایند ترمیم است ـ پیشنهاد کرد. باوجودآنکه باکتری‌ها توانستند رسوب کربنات کلسیم را روی وجوه ترک آغاز کنند، افزودن مستقیم آن‌ها به بتن تازه، با دو مشکل اساسی روبه‌رو بود: محیط شدیداً قلیایی و ریزشدن منافذ به‌واسطه‌ی هیدراتاسیون سیمان که هر دو به کاهش بقا و فعالیت باکتری‌ها منجر می‌شود.

در ادبیات جدید، حامل‌های مختلفی برای افزایش بقای باکتری‌ها در بتن و در نتیجه افزایش طول عمر عملکردی سیستم خودترمیمی پیشنهاد شده است. مجموعه این تلاش‌ها تحت عنوان «خودترمیمی خودزای بهبودیافته» (Enhanced Autogenous Healing) نیز شناخته می‌شود.

باوجود این، مکانیزم ترمیم خودزا با کاستی‌های متعددی روبه‌رو است؛ از جمله وابستگی به سن بتن، نیاز به منبع آب داخلی پایدار، ضرورت بقای باکتری‌ها برای رسوب کربنات کلسیم و محدودیت در عرض ترک قابل‌ترمیم.

۲.۲ ترمیم خودمختار بتن (Autonomous Healing)

در ترمیم خودمختار، قابلیت ترمیم از طریق تعبیه واحدهای خودترمیم‌کننده در درون ماتریس بتن ایجاد می‌شود؛ واحدهایی مانند کپسول‌ها یا لوله‌هایی که حاوی عامل ترمیم‌کننده هستند. این عامل زمانی فعال می‌شود که ترک ایجاد شده و به محفظه برسد؛ در نتیجه، فرایند ترمیم دقیقاً در حوالی ناحیه ترک‌خوردگی اتفاق می‌افتد.

نخستین‌بار، درای (Dry) مفهوم ترمیم خودمختار را برای مصالح سیمانی مطرح کرد. او با استفاده از لوله‌های شیشه‌ای توخالی و پر کردن آن‌ها با متیل متاکریلات (MMA) نشان داد که می‌توان در بتن سازوکاری ایجاد کرد که با رسیدن ترک، پوسته شکسته شده و عامل ترمیم‌کننده آزاد شود.

با پیشرفت پژوهش‌ها، توجه به سمت استفاده از میکروکپسول‌ها جلب شد؛ زیرا می‌توانند به‌صورت گسترده و پراکنده در ماتریس بتن قرار گیرند و ترمیم را بادقت بیشتری موضعی کنند. در این سیستم، میکروکپسول‌های گسسته در ماده زمینه توزیع می‌شوند و هر یک حامل مقدار مشخصی عامل ترمیم‌کننده هستند. هنگامی که ترک در حال پیشروی به پوسته کپسول می‌رسد، پوسته می‌شکند و عامل آزاد می‌شود. بدین ترتیب، ترمیم دقیقاً در محل آسیب فعال می‌شود ـ نه به طور گسترده و یکنواخت مانند ترمیم خودزا. (شکل ۳)

پژوهش‌ها از طیف گسترده‌ای از عوامل ترمیم‌کننده استفاده کرده‌اند؛ از جمله پلیمرها، باکتری‌ها، سیلیکات سدیم و ترکیبات معدنی مختلف. برای ساخت کپسول‌ها نیز مواد متنوعی مانند ژلاتین، سیلیکون، شیشه و پلیمرهای مختلف به‌کاررفته است.

مزیت کلیدی ترمیم خودمختار نسبت به ترمیم خودزا

درحالی‌که ترمیم خودزا به حضور آب وابسته است و در بسیاری از شرایط محیطی محدودیت دارد، ترمیم خودمختار – به‌ویژه با میکروکپسول‌های پلیمری – ظرفیت بسیار بالاتری در ترمیم فعال و کنترل‌شده ترک‌ها نشان داده است. پژوهش‌های انجام‌شده در دانشگاه گنت و TU Delft نیز این برتری را تأیید می‌کنند.

سیستم‌های مبتنی بر میکروکپسول می‌توانند دقیقاً در لحظه و محل وقوع ترک فعال شوند و اگر واکنش پلیمریزاسیون عامل ترمیم‌کننده مستقل از رطوبت باشد، در محیط‌های خشک نیز عملکرد مناسبی دارند.

خودترمیمی عروقی (Vascular Healing)

نوع دیگری از ترمیم خودمختار، سیستم‌های عروقی است که ایده آن از شبکه گردش خون انسان الهام‌گرفته شده است. در این روش، شبکه‌ای از کانال‌های لوله‌ای در بتن تعبیه می‌شود که نقش «رگ» را دارند و عامل ترمیم‌کننده را به ترک‌های ایجادشده می‌رسانند.

این سیستم می‌تواند:

• تک‌کاناله باشد (یک عامل ترمیم‌کننده)،
• یا چندکاناله (چند ماده که با هم واکنش ترمیمی ایجاد می‌کنند).

مزیت بزرگ سیستم عروقی این است که:

• برخلاف کپسول‌ها، قابلیت تغذیه مجدد دارد.
• برای ترمیم ترک‌های عریض‌تر نیز مناسب است.

اما چالش‌های مهمی هم دارد:

• بتن‌ریزی در محل (In-situ) به دلیل خطر شکست لوله‌ها مشکل است.
• طراحی شبکه لوله‌ها پیچیده و هزینه‌بر است.
• توزیع یکنواخت لوله‌ها در عضو سازه‌ای دشوار است.

باوجود این، سیستم عروقی در مقیاس آزمایشگاهی موفق بوده و برخی پژوهشگران از آن به‌عنوان «اثبات امکان‌پذیری» یک فناوری بسیار پیشرفته یاد کرده‌اند.

عوامل مؤثر بر عملکرد ترمیم خودمختار

کیفیت کارکرد سیستم به پارامترهای متعددی وابسته است:

• نوع عامل ترمیم‌کننده (هدف، ویسکوزیته، سرعت واکنش)
• اندازه، شکل و مقدار میکروکپسول‌ها
• ضخامت پوسته
• نوع تکنیک کپسوله‌سازی
• میزان و نوع پیوند بین پوسته و ماتریس بتن.

بسیاری از آزمایش‌ها با نمونه‌های پیش‌شیاردار (pre-notched) انجام می‌شوند تا مسیر ترک قابل‌کنترل باشد. اما در شرایط واقعی، محل ترک غیرقابل‌پیش‌بینی است؛ همین امر نشان می‌دهد که سیستم‌های خودترمیمی باید برای شرایط طبیعی‌تر نیز آزمایش شوند.

چالش‌های علمی و فنی روش خودمختار

مطالعات نشان داده‌اند که تعریف دقیق مرز بین ترمیم خودزا و خودمختار در حال پیچیده‌شدن است؛ زیرا رویکردهایی مانند «خودترمیمی خودزای بهبودیافته» عملکرد این دو مکانیسم را در هم ترکیب می‌کنند و مرز مفهومی آن‌ها را کاهش می‌دهند. این هم‌پوشانی، نیازمند مدل‌سازی دقیق‌تر و تحلیل عمیق‌تر است.

یکی از الزامات اساسی برای طراحی بتن خودترمیم خودمختار، ایجاد شرایطی است که کپسول‌ها نه در مرحله اختلاط بشکنند و نه در برابر ترک‌خوردگی بیش از حد مقاوم باشند. پیوند بین کپسول و ماتریس باید به‌اندازه‌ای قوی باشد که از «جداشدگی کپسول» جلوگیری کند و درعین‌حال، به‌اندازه کافی ضعیف باشد که ترک بتواند پوسته را بشکند و موجب آزادسازی عامل ترمیم‌کننده شود.

نقش مدل‌سازی محاسباتی

چون بررسی مستقیم پارامترهای ریزساختاری (مثل تنش در فصل مشترک کپسول–ماتریس) به‌صورت تجربی سخت و گاهی غیرممکن است، مدل‌سازی عددی نقش مهمی در توسعه این فناوری دارد. چنین مدل‌هایی اطلاعات ارزشمندی درباره:

• احتمال شکست کپسول،
• احتمال جدایش فصل مشترک،
• رفتار سیال عامل ترمیم‌کننده در ترک،
• ظرفیت پلیمریزاسیون در عرض و عمق‌های مختلف ترک

در اختیار قرار می‌دهند.

۴. تکنیک‌های کپسوله‌سازی

در ادبیات علمی، استراتژی‌های متعددی برای کپسوله‌سازی عوامل ترمیم‌کننده در بتن ارائه شده است. تکنیک‌های کپسوله‌سازی باید چند الزام کلیدی را برآورده کنند تا در شرایط واقعی بتن‌ریزی قابل‌استفاده باشند.

نخست آنکه، کپسول‌ها باید بتوانند مرحله اختلاط بتن را تحمل کنند؛ یعنی در برابر نیروهای مکانیکی ناشی از اختلاط، نریخته و نشکنند. این موضوع به انعطاف‌پذیری اولیه کپسول‌ها وابسته است.

دوم، تأثیر کپسول‌ها بر کارایی بتن تازه باید حداقلی باشد؛ زیرا وجود کپسول‌های زیاد یا بزرگ می‌تواند کارپذیری بتن را کاهش دهد و تراکم‌پذیری آن را مختل کند.

سوم، پس از سخت‌شدن بتن، کپسول‌ها باید در لحظه ایجاد ترک، قابلیت شکست کنترل‌شده داشته باشند و عامل ترمیم‌کننده را بدون تأخیر آزاد کنند. یعنی:

• در زمان اختلاط «نرم» باشند،
• در زمان ترک‌خوردگی «شکننده».

این تضاد عملکردی یکی از مهم‌ترین چالش‌های طراحی کپسول است. چهارم، کپسول‌ها نباید باعث افت محسوس در ویژگی‌های مکانیکی بتن سخت‌شدن شوند. اندازه، شکل، جنس و درصد حجمی کپسول‌ها باید طوری انتخاب شود که مقاومت فشاری، کششی و خمشی بتن آسیب نبیند.

پنجم، کپسول‌ها باید در برابر محیط قلیایی شدید بتن پایدار باشند و عامل ترمیم‌کننده نباید در طول زمان با پوسته کپسول واکنش داده، نشت کند یا از بین برود. در نهایت، شکل و ابعاد کپسول‌ها باید به‌گونه‌ای بهینه باشد که ترک‌های واقعی در سازه بتوانند به آن‌ها برسند و پوسته را بشکنند.

باتوجه‌به این الزامات سخت‌گیرانه، طیف متنوعی از تکنیک‌ها توسعه یافته‌اند که در ادامه دسته‌بندی و تشریح می‌شوند.

۴.۱ مواد کپسول

مواد مورداستفاده برای ساخت کپسول‌ها در بتن خودترمیم بسیار متنوع‌اند؛ از مواد معدنی تا پلیمرها و کامپوزیت‌ها. هر ماده مزایا، محدودیت‌ها و ویژگی‌های خاصی در برخورد با ماتریس سیمانی دارد.

۴.۱.۱ مواد پلیمری

میکروکپسول‌های پلیمری، رایج‌ترین نوع کپسول‌ها در پژوهش‌ها هستند و اغلب با استفاده از روش‌های پلیمریزاسیون در امولسیون یا مینی‌امولسیون تولید می‌شوند. مهم‌ترین انواع پوسته‌های پلیمری عبارت‌اند از:

الف) کپسول‌های اوره–فرمالدئید (UF): تولید آسان، مقاومت مناسب در برابر محیط قلیایی و قابلیت ایجاد پوسته بافت‌دار که چسبندگی بهتر با ماتریس سیمانی ایجاد می‌کند. مطالعات متعددی از کپسول‌های UF استفاده کرده‌اند.

ب) کپسول‌های پلی‌اورتان (PU): پلی‌اورتان می‌تواند هم نرم و انعطاف‌پذیر باشد، هم شکننده (بسته به فرمولاسیون)، از نظر شیمیایی با عوامل ترمیم‌کننده سازگار است و می‌تواند برای کپسول‌های تک‌جزئی و دو‌جزئی استفاده شود. PU یکی از امیدبخش‌ترین پوسته‌ها در کاربردهای واقعی تلقی می‌شود.

ج) کپسول‌های ملامین–اوره–فرمالدئید (MUF): این نوع پوسته‌ها نسبت به UF کیفیت بالاتر، دیواره مقاوم‌تر و فرایند ساخت ساده‌تری دارند و به همین دلیل کاربرد آن‌ها روبه‌افزایش است.

د) سایر پلیمرها: از موادی مانند پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌اتیلن–وینیل استات (EVA) و ژلاتین در برخی مطالعات استفاده شده و نتایج مثبتی گزارش شده است.

۴.۱.۲ مواد معدنی و سرامیکی

الف) شیشه: شیشه به دلیل پایداری شیمیایی و خنثی بودن، به طور گسترده به کار می‌رود؛ اما در حضور قلیای زیاد، ممکن است واکنش قلیایی–سیلیکا رخ دهد که می‌تواند به ایجاد ژل انبساطی و آسیب در بتن منجر شود.

ب) سرامیک: سرامیک‌ها به دلیل خنثی بودن شیمیایی و نبود واکنش قلیایی–سیلیکا، گزینه‌ای بسیار مناسب برای پوسته کپسول هستند و در برخی مطالعات، به‌عنوان بهترین گزینه غیرپلیمری معرفی شده‌اند.

ج) پرسپکس (PMMA): مطالعات مقایسه‌ای نشان داده‌اند PMMA از شیشه مقاوم‌تر و شکل‌پذیرتر است، اما در برابر بسیاری از عوامل ترمیم‌کننده واکنش نشان می‌دهد؛ بنابراین برای کاربردهای کپسوله‌سازی مناسب نیست.

۴.۱.۳ مواد سیمانی

لوله‌ها و پوسته‌های ساخته‌شده از مواد سیمانی، اخیراً محبوبیت بیشتری یافته‌اند، زیرا سازگاری کامل با ماتریس بتن دارند، پیوند بین‌سطحی فوق‌العاده ایجاد می‌کنند و از نظر مکانیکی با بتن هماهنگ‌اند. بااین‌حال، شکنندگی زیاد آن‌ها می‌تواند کنترل شکست را دشوار کند.

۴.۱.۴ مواد نوآورانه و چاپ سه‌بعدی

یک جهت‌گیری نوین در پژوهش‌ها، استفاده از چاپ سه‌بعدی برای ساخت ماکروکپسول‌ها است. در این روش، کپسول‌ها (معمولاً لوله‌ای) با چاپگر سه‌بعدی ساخته شده و سپس با سیلیکات سدیم یا رزین پلی‌اورتان منبسط‌شونده پر می‌شوند.

این روش اجازه می‌دهد شکل کپسول‌ها کاملاً مهندسی‌شده باشد، ضخامت پوسته و محل شکست قابل‌کنترل باشد و مقادیر بیشتری از عامل ترمیم‌کننده در هر کپسول قرار گیرد. این یک مسیر بسیار امیدبخش برای صنعتی‌سازی بتن خودترمیم است.

۴.۱.۵ چالش کلیدی در انتخاب ماده پوسته

مواد کپسوله‌سازی باید این دو ویژگی متضاد را هم‌زمان داشته باشند:

• انعطاف‌پذیر در زمان اختلاط،
• شکننده در زمان ترک‌خوردگی.

پلیمرها – برخلاف مواد معدنی – قابلیت تنظیم این رفتار دوگانه را دارند؛ به همین دلیل غالباً ماده انتخابی در پروژه‌های واقعی هستند.

۴.۲ هندسه کپسول

هندسه (شکل و اندازه) کپسول، نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد سیستم خودترمیم دارد. انتخاب نامناسب هندسه می‌تواند سبب شود ترک‌ها اصلاً به کپسول نرسند، یا شکست ناقص کپسول رخ دهد، یا عامل ترمیم‌کننده در محل ترک تجمع کافی پیدا نکند. مهم‌ترین هندسه‌های مورداستفاده عبارت‌اند از:

۴.۲.۱ کپسول‌های کروی

کپسول‌های کروی مزایای زیر را دارند: شکست یکنواخت و قابل‌پیش‌بینی، تمرکز تنش کمتر و در نتیجه کاهش ضعف مکانیکی، و آزادسازی کنترل‌شده عامل ترمیم‌کننده. عیب اصلی آن‌ها نسبت سطح به حجم کمتر نسبت به کپسول‌های استوانه‌ای و محدودبودن میزان عامل ترمیم‌کننده در ترک است.

۴.۲.۲ کپسول‌های استوانه‌ای / لوله‌ای

این نوع کپسول‌ها حجم عامل ترمیم‌کننده بیشتری فراهم می‌کنند و نسبت سطح به حجم بالاتری دارند، اما ترک باید دقیقاً از مسیر لوله عبور کند، شکست آن‌ها نسبت به کروی کمتر قابل‌پیش‌بینی است و احتمال باقی‌ماندن حفره بزرگ پس از آزادسازی عامل زیاد است.

۴.۲.۳ لوله‌های تغذیه مداوم (Continuous / Vascular Tubes)

این سیستم نسخه پیشرفته‌تر کپسول‌های استوانه‌ای است. در این روش، لوله‌های شیشه‌ای یا پلیمری در بتن تعبیه می‌شوند و عامل ترمیم‌کننده از طریق پمپ خلأ یا نیروی مویینگی جریان می‌یابد و سیستم می‌تواند مرتباً تغذیه مجدد شود (برخلاف میکروکپسول‌ها). نسخه تک‌کاناله برای عوامل یک‌جزئی و نسخه چندکاناله برای عوامل دو‌جزئی و سیستم‌های واکنشی پیچیده‌تر طراحی شده است.

عیب مهم این سیستم آن است که برای بتن‌ریزی درجا مناسب نیست؛ زیرا لوله‌ها در حین بتن‌ریزی به‌سادگی می‌شکنند.

۴.۲.۴ لوله‌های مویین

این لوله‌ها که اغلب از صنعت پزشکی اقتباس شده‌اند، قطر بسیار کم (حدود ۵۰۰ میکرومتر) و پوسته‌ای بسیار نازک دارند که به‌محض رسیدن ترک می‌شکنند و برای سیستم‌های ECC بسیار مناسب‌اند؛ زیرا عرض ترک محدود است. اما مقدار عامل ترمیم‌کننده در آن‌ها بسیار کم است.

۴.۲.۵ ماکروکپسول‌ها

ماکروکپسول‌ها (شیشه‌ای، سرامیکی یا سیمانی) حجم زیادی از عامل ترمیم‌کننده دارند، احتمال برخورد ترک با آن‌ها بیشتر است، اما بر رفتار مکانیکی بتن اثر محسوس‌تری دارند. مطالعات دانشگاه گِنت نشان داده است که حضور این کپسول‌ها مسیر ترک را تغییر داده و ریزترک‌های فراوان ایجاد می‌کند؛ چیزی که از طریق انتشار آکوستیک و تحلیل تصویری تأیید شده است.

۴.۲.۶ میکروکپسول‌ها

میکروکپسول‌ها پرکاربردترین و عملی‌ترین نوع کپسول‌ها هستند. مزایای آن‌ها شامل توزیع یکنواخت، پاسخ به ترک‌های متعدد، شکست آسان و عدم تضعیف محسوس مقاومت فشاری (در صورت کوچک بودن ابعاد) است. تحقیقات نشان داده‌اند که میکروکپسول‌های UF با قطر حدود ۱۲۰ میکرون، تأثیری بر مقاومت فشاری ندارند و میکروکپسول‌های PU نیز همین ویژگی را نشان داده‌اند. شکل کروی در این نوع بهترین عملکرد مکانیکی را دارد.

۵. عوامل ترمیم‌کننده

عوامل ترمیم‌کننده هسته اصلی عملکرد بتن خودترمیم، به‌ویژه در سیستم‌های خودمختار، محسوب می‌شوند. نوع، رفتار شیمیایی، ویسکوزیته، سرعت واکنش و سازگاری این عوامل با محیط قلیایی بتن، مستقیماً بر کارایی مکانیزم ترمیم اثر می‌گذارند.

ازآنجاکه عامل ترمیم‌کننده درون کپسول یا شبکه عروقی در زمان بتن‌ریزی محصور می‌شود، باید بتواند ماه‌ها یا سال‌ها در شرایط قلیایی، بدون واکنش ناخواسته یا تخریب عملکردی، پایدار بماند. همچنین در لحظه شکست کپسول باید به‌سرعت فعال شود، در ترک جریان پیدا کند، با سطح ترک واکنش دهد و آن را به طور مؤثر پر کند.

عوامل ترمیم‌کننده باید چند ویژگی کلیدی داشته باشند:

• پایداری طولانی‌مدت در محیط قلیایی بتن،
• عدم واکنش قبل از شکست کپسول،
• ویسکوزیته مناسب برای خروج سریع و پرکردن ترک‌های ریز،
• سرعت واکنش مناسب (نه بیش از حد سریع، نه بیش از حد آهسته)،
• توانایی ایجاد پیوند مکانیکی و شیمیایی مؤثر پس از سخت‌شدن،
• در حالت ایده‌آل، قابلیت انبساط پس از واکنش برای پرکردن ترک‌های عریض‌تر.

پس از آزادسازی، عامل ترمیم‌کننده باید وظیفه خود را در جلوگیری از نفوذ آب، یون‌های مهاجم و عوامل تخریب‌کننده ایفا کند. در ادامه، انواع اصلی عوامل ترمیم‌کننده که در ادبیات علمی گزارش شده‌اند، مرور می‌شوند.

۵.۱ باکتری‌ها

استفاده از باکتری‌ها به‌عنوان عامل ترمیم‌کننده یکی از نوآورانه‌ترین روش‌ها در مهندسی بتن است. بسیاری از باکتری‌ها توانایی زیستی برای رسوب‌دهی کربنات کلسیم (CaCO₃) دارند؛ ماده‌ای که می‌تواند ترک‌های بتن را پر و مسدود کند.

باکتری‌ها در شرایط بسیار سخت نیز زنده می‌مانند، از جمله محیط‌های خشک، محیط‌های با pH بسیار بالا و داخل سنگ‌ها در عمق چندکیلومتری. گروهی از باکتری‌های «اکستریموفیل» (Extremophilic) می‌توانند در محیط فوق‌بازیک داخل بتن نیز فعال شوند. بسیاری از مطالعات نشان داده‌اند که باکتری‌ها قادرند روی سطح سنگ‌آهک و بتن ترک‌خورده، رسوب کربنات کلسیم ایجاد و ترک‌ها را پر کنند.

فرایند ترمیم باکتریایی غالباً از طریق Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation – MICP رخ می‌دهد. در این فرایند، باکتری‌ها در حضور کلسیم موجود در محیط، رسوب CaCO₃ تولید می‌کنند.

مزایا:

• ایجاد محصول معدنی سازگار با بتن،
• افزایش دوام،
• کاهش نفوذپذیری،
• جلوگیری از خوردگی میل‌گرد.

مهم‌ترین انواع باکتری مورداستفاده شامل Bacillus subtilis، Bacillus pasteurii، Bacillus sphaericus، Bacillus pseudofirmus و Bacillus cohnii هستند که به‌صورت هاگ (اسپور) به کار می‌روند تا سال‌ها زنده بمانند.

چالش‌های اصلی این روش عبارت‌اند از:

• بقای باکتری‌ها در محیط قلیایی بتن (pH بالا)،
• کمبود فضای خالی برای فعالیت باکتری به‌دلیل ریزشدن منافذ در اثر هیدراتاسیون،
• آزادسازی آمونیاک در برخی مسیرهای متابولیک و پیامدهای زیست‌محیطی،
• کاهش مقاومت فشاری بتن با افزودن سنگ‌دانه‌های سبک حامل باکتری (در مواردی تا ۵۰٪)،
• محدودیت عرض ترک قابل‌ترمیم (حداکثر حدود ۰٫۴۶ میلی‌متر پس از ۱۰۰ روز)،
• هزینه بالا (تولید باکتری، مواد مغذی، کپسوله‌سازی و تجهیزات).

برای افزایش دوام باکتری‌ها از حامل‌هایی مانند سنگ‌دانه‌های سبک خاک رس منبسط‌شده (LWA) و میکروکپسول‌های پلیمری (MUF) استفاده می‌شود. LWA به دلیل ساختار متخلخل خود از هاگ‌ها محافظت می‌کند و آب لازم برای واکنش را نیز فراهم می‌کند، اما استفاده از LWA می‌تواند باعث کاهش شدید مقاومت بتن شود.

در بهترین حالت، ترک‌های ≤۰٫۵ میلی‌متر طی ۱۰۰ تا ۱۸۰ روز ترمیم می‌شوند و دوام در برابر نفوذ آب و خوردگی افزایش می‌یابد. بااین‌حال، این روش هنوز نیازمند پژوهش بیشتر و استانداردسازی است.

۵.۲ پلیمرهای سوپر جاذب (SAP)

Superabsorbent Polymers (SAP) یا هیدروژل‌ها، پلیمرهای دارای اتصالات عرضی هستند که می‌توانند چندین برابر وزن خود آب جذب کرده و متورم شوند.

مکانیسم عملکرد در بتن:

• SAP در بتن بتن تازه آب را جذب کرده و متورم می‌شود،
• پس از هیدراته شدن سیمان، آب را آزاد کرده و منقبض می‌شود،
• حفرات ریز در بتن باقی می‌گذارد،
• در صورت ایجاد ترک، SAP دوباره با رطوبت متورم شده و ترک را مسدود می‌کند.

مزایا:

• امکان تأمین آب داخلی برای هیدراتاسیون دیرهنگام،
• تسهیل ترمیم خودزا،
• مسدودسازی فیزیکی ترک‌ها،
• کاهش نفوذپذیری.

مشکلات:

• حفراتی که پس از آزادسازی آب ایجاد می‌کند، نقاط ضعف مکانیکی ایجاد می‌کنند،
• حضور یون‌ها در آب منافذ بتن باعث کاهش میزان تورم SAP می‌شود،
• تورم بیش از حد در حضور آب با یون کم، می‌تواند رفتار ترک را تغییر دهد،
• رفتار SAP بسیار وابسته به شیمی محیط است.

باوجود این، SAP همچنان یکی از مؤثرترین روش‌ها برای ارتقای ترمیم خودزا به شمار می‌آید و در بسیاری از تحقیقات استفاده شده است.

۵.۳ افزودنی‌های معدنی (محلول قلیایی–سیلیکا)

مواد معدنی نیز به‌عنوان عامل ترمیم‌کننده به کار رفته‌اند. مهم‌ترین آن‌ها محلول قلیایی–سیلیکا است که در حضور اکسیژن می‌تواند هیدراتاسیون را تحریک کرده و وجوه ترک را به یکدیگر پیوند دهد؛ گرچه قدرت پیوند آن کمتر از چسب‌ها است، اما تا زمانی که مقاومت آن از مقاومت کششی بتن فراتر نرود، قابل‌قبول است.

سیلیکات سدیم (Sodium Silicate) در بسیاری از پژوهش‌ها در میکروکپسول‌های پلی‌اورتان یا کپسول‌های مومی کپسوله شده است. مزایای آن شامل سرعت واکنش بالا، ایجاد ژل سیلیکاتی باقدرت چسبندگی خوب، افزایش چقرمگی و کاهش خوردگی فولاد است. این ماده یکی از عملی‌ترین گزینه‌ها برای ساخت بتن خودترمیم در مقیاس صنعتی است.

۵.۴ عوامل پلیمری (اپوکسی، سیانوآکریلات، پلی‌اورتان، MMA)

مواد پلیمری به دلیل عملکرد عالی در تزریق ترک‌ها، مدت‌هاست در صنعت تعمیر بتن استفاده می‌شوند و همین مواد در قالب کپسوله‌شدن نیز برای ترمیم خودمختار مناسب هستند.

الف) متیل متاکریلات (MMA): یکی از موفق‌ترین عوامل ترمیم‌کننده در مطالعات اولیه است، با چگالی کم، ویسکوزیته بسیار کم (نفوذ عالی در ترک‌های ریز)، واکنش سریع و استحکام بالا پس از پلیمریزاسیون. این ماده به‌عنوان عامل چندجزئی استفاده می‌شود.

ب) سیلیکون: به‌عنوان عامل تک‌جزئی عمل می‌کند و در تماس با رطوبت پلیمریزه می‌شود. مزایای آن شامل پایداری شیمیایی، مناسب‌بودن برای محیط‌های مرطوب و عدم نیاز به عامل سخت‌کننده است.

ج) سیانوآکریلات (CA): همان چسب «قطره‌ای» است؛ تک‌جزئی، با پخت سریع و کارایی بالا برای ترک‌های ریز. این ماده برای تعمیر کف‌ها، عرشه پل‌ها و سطوح آسیب‌دیده بسیار استفاده شده است.

د) اپوکسی: رزین‌های اپوکسی قوی، مقاوم و پایدارند و در دو نوع تک‌جزئی (پخت با گرما) و دو‌جزئی (پخت با واکنش شیمیایی) ارائه می‌شوند. مشکل سیستم دو‌جزئی در بتن خودترمیم آن است که احتمال این‌که هر دو جزء دقیقاً در محل ترک آزاد و مخلوط شوند، بسیار کم است و حتی در صورت آزادسازی هر دو جزء، مخلوط‌نشدن کامل می‌تواند باعث ضعف مکانیکی در ناحیه ترمیم شود.

ه) پلی‌اورتان (PU): بهترین عامل ترمیم‌کننده پلیمری از نظر قابلیت انبساط است. PU در تماس با رطوبت منبسط می‌شود، می‌تواند ترک‌های عریض را هم پر کند، ویسکوزیته بسیار پایین آن باعث نفوذ عالی می‌شود و در نسخه چندجزئی، سرعت واکنش را می‌توان تنظیم کرد. به همین دلیل، پلی‌اورتان یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای صنعتی‌سازی بتن خودترمیم است.

۶. کاربردهای عملی بتن خودترمیم

کاربرد بتن خودترمیم به‌عنوان یک فناوری نوظهور، تنها به آزمایشگاه محدود نشده است. در سال‌های اخیر، پروژه‌های واقعی متعددی – به‌ویژه در اروپا – از بتن خودترمیم استفاده کرده‌اند. هدف این پروژه‌ها، ارزیابی عملکرد بتن‌های خودترمیم در شرایط واقعی، بررسی دوام طولانی‌مدت و امکان‌سنجی کاربرد صنعتی این فناوری بوده است.

۶.۱ پروژه‌های اجراشده در هلند

هلند یکی از پیشروترین کشورها در زمینه فناوری بتن خودترمیم است. در پروژه‌هایی روی لوله‌های فاضلاب و سازه‌های زیرزمینی، از بتن خودترمیم مبتنی بر باکتری استفاده شده تا ترک‌ها به طور خودکار با CaCO₃ پر شوند، نفوذپذیری کاهش یابد و عمر بهره‌برداری افزایش پیدا کند. نتایج شامل کاهش نشت آب، کاهش نفوذ یون‌ها و کاهش قابل‌توجه هزینه تعمیرات دوره‌ای بوده است.

در برخی پروژه‌ها روی بلوک‌های آب‌بند در سدها و سازه‌های آبی، شواهد تصویری نشان داده‌اند که ترک‌های ۰٫۳ تا ۰٫۴ میلی‌متر طی چند ماه کاملاً بسته شده‌اند. این پروژه‌ها ثابت کردند که بتن خودترمیم باکتریایی می‌تواند در حضور رطوبت طبیعی محیط، عملکردی بسیار خوب داشته باشد و نیاز به تعمیر دستی را حذف کند.

۶.۲ پروژه‌های بریتانیا

در بریتانیا، بتن خودترمیم در دیوارهای زیرزمینی تونل‌ها با استفاده از سیلیکون یا پلی‌اورتان به‌عنوان عامل ترمیم‌کننده آزمایش شده است. نتایج شامل کاهش ۶۰ درصدی میزان نشت، افزایش دوام و عدم نیاز به تزریق تعمیراتی بوده است. این نتایج نشان دادند که سیستم‌های پلیمری حتی در محیط‌های خشک‌تر نیز اثربخش‌اند.

همچنین در سازه‌های آزمایشی در ساختمان‌های دانشگاهی، اعضای بتنی با میکروکپسول‌های پلیمری و سیستم‌های عروقی ساخته و در مقیاس عملیاتی آزمایش شدند تا رفتار ترک، شکست کپسول‌ها در شرایط واقعی و چسبندگی بین عامل ترمیم‌کننده و وجوه ترک ارزیابی شود. پژوهش‌ها نشان دادند حجم عامل ترمیم‌کننده آزادشده بسیار مهم‌تر از تعداد کپسول‌ها است و سرعت پلیمریزاسیون و ویسکوزیته عامل ترمیم‌کننده معیارهای اصلی موفقیت‌اند.

۶.۳ پروژه‌های بلژیک

بلژیک یکی از نخستین کشورهایی بود که از پنل‌های دیواری ساخته‌شده با بتن خودترمیم در ساختمان واقعی استفاده کرد. در این پروژه، از بتن باکتریایی و بتن پلیمری در کنار هم استفاده شد تا عملکرد دو روش در شرایط واقعی مقایسه شود.

نتایج نشان دادند بتن باکتریایی توانست ترک‌های ریز را پر کند، در حالی که بتن پلیمری عملکرد سریع‌تر و قدرتمندتری داشت و ترکیب دو سیستم نتایج بسیار بهتری ایجاد کرد.

۶.۴ پروژه‌های چین و آسیای شرقی

چین و کره جنوبی چند پروژه بزرگ روی سازه‌های دریایی، ستون‌های پل در مناطق خورنده و کف‌سازی‌های صنعتی اجرا کرده‌اند. در برخی پروژه‌ها از سیستم عروقی چندکاناله دو‌جزئی استفاده شده که در آن دو ماده مختلف از دو لوله جداگانه پس از شکست لوله‌ها مخلوط شده و واکنش ترمیمی انجام می‌دادند. این سیستم‌ها توانستند ترک‌های تا ۰٫۷ میلی‌متر را در کمتر از چند ساعت ترمیم کنند.

۶.۵ نخستین ساختمان واقعی با بتن خودترمیم

در اروپا، اولین ساختمان مسکونی با استفاده گسترده از بتن خودترمیم ساخته شد. دیوارها با بتن باکتریایی، سقف‌ها با میکروکپسول‌های پلیمری و کف‌ها با بتن حاوی SAP اجرا شدند. این پروژه به طور مستمر پایش می‌شود و تا کنون نرخ ترک‌خوردگی بسیار پایین، نبود نشت آب و دوام قابل‌توجه گزارش شده است.

۶.۶ مهم‌ترین نتایج کلی پروژه‌های صنعتی

به طور خلاصه:

• هزینه اولیه بالا، اما هزینه نگهداری بسیار کم،
• افزایش عمر بهره‌برداری بین ۲۰ تا ۶۰ درصد،
• کاهش ۵۰ تا ۸۰ درصدی تعمیرات دوره‌ای،
• کاهش سرعت خوردگی میل‌گرد در مناطق دریایی،
• کاهش نفوذپذیری بین ۳۰ تا ۹۰ درصد،
• افزایش قابلیت اطمینان سازه.

این نتایج ثابت می‌کنند که بتن خودترمیم، فناوری‌ای عملی و آینده‌دار است و می‌تواند در توسعه زیرساخت‌های پایدار نقش کلیدی داشته باشد.

۷. نتیجه‌گیری نهایی مقاله

ترک‌خوردگی یکی از شایع‌ترین و مهم‌ترین عوامل کاهش عمر سازه‌های بتنی است. تعمیرات سنتی پرهزینه، وقت‌گیر و گاه غیرممکن‌اند؛ به‌ویژه در زیرساخت‌هایی که دسترسی به آن‌ها دشوار است. به همین دلیل، توسعه بتن‌های خودترمیم، گامی مهم در جهت افزایش دوام و پایداری سازه‌ها محسوب می‌شود.

این مقاله نشان می‌دهد که بتن خودترمیم در دو قالب اصلی وجود دارد: ترمیم خودزا – وابسته به ویژگی‌های ذاتی بتن – و ترمیم خودمختار – وابسته به سیستم‌های کپسوله‌سازی و عوامل ترمیم‌کننده. ترمیم خودزا ساده‌تر اما محدودتر است، در حالی که ترمیم خودمختار – به‌ویژه با استفاده از میکروکپسول‌های پلیمری و سیستم‌های عروقی – یکی از پیشرفته‌ترین و مؤثرترین فناوری‌های موجود است.

مواد پلیمری، از جمله پلی‌اورتان و MMA، به دلیل ویسکوزیته مناسب، سرعت واکنش قابل‌کنترل و پایداری شیمیایی، مؤثرترین عوامل ترمیم‌کننده شناخته شده‌اند. باکتری‌ها نیز پتانسیل جذابی دارند، هرچند چالش‌های عملی و زیستی آن‌ها هنوز حل نشده است.

تحقیقات نشان داده‌اند که انتخاب صحیح جنس و هندسه کپسول، انتخاب عامل ترمیم‌کننده متناسب با کاربرد و حفظ سازگاری مکانیکی و شیمیایی با ماتریس بتن، شرط موفقیت سیستم خودترمیم است. پروژه‌های واقعی اجراشده در هلند، بریتانیا، بلژیک و چین ثابت کرده‌اند که بتن خودترمیم می‌تواند هزینه نگهداری را به‌شدت کاهش دهد، عمر سازه را افزایش دهد و در کاهش نفوذپذیری و جلوگیری از خوردگی عملکرد بسیار خوبی نشان دهد.

نتیجه‌گیری نهایی آن است که بتن خودترمیم یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های آینده صنعت ساخت‌وساز است و می‌تواند نقش مهمی در توسعه زیرساخت‌های پایدار ایفا کند.

کلمات کلیدی مرتبط

بتن خودترمیم، بتن خودترمیم‌شونده، ترمیم خودزا، ترمیم خودمختار، کپسوله‌سازی، میکروکپسول پلیمری، سیستم عروقی، عوامل ترمیم‌کننده پلیمری، ترمیم باکتریایی، SAP، سیلیکات سدیم، دوام بتن، سازه‌های پایدار

منابع (References)

1. Ghosh SK. Self-healing materials: Fundamentals, design strategies, and applications. Weinheim: Wiley-Vch; 2009. [CrossRef] [Google scholar]
2. Dry C. Matrix cracking repair and filling using active and passive modes for smart timed release of chemicals from fibers into cement matrices. Smart Mater Struct. 1994; 3: 118. [CrossRef] [Google scholar]
3. Hanna J. Computational modelling for the effects of capsular clustering on fracture of encapsulation-based self-healing concrete using XFEM and cohesive surface technique. Appl Sci. 2022; 12: 5112. [CrossRef] [Google scholar]
4. Hanna J. Accurate computational modelling for impacts of microcapsule size and interfacial fracture properties on the fracture of self-healing concrete. Int J Hydromechatron. 2022; 5: 397-415. [CrossRef] [Google scholar]
5. Hanna J, Elamin A. Computational fracture modeling for effects of healed crack length and interfacial cohesive properties in self-healing concrete using XFEM and cohesive surface technique. Computation. 2023; 11: 142. [CrossRef] [Google scholar]
6. Mihashi H, Kaneko Y, Nishiwaki T, Otsuka K. Fundamental study on development of intelligent concrete characterized by self-healing capability for strength. Trans Jpn Concr Inst. 2000; 22: 441-450. [Google scholar]
7. Sharp SR, Clemeña GG. State-of-the-art survey of advanced materials and their potential application in highway infrastructure. Charlottesville, VA: Virginia Transportation Research Council (VTRC); 2004; FHWA/VTRC 05-R9. [Google scholar]
8. Schlangen E, Jonkers H, Qian S, Garcia A. Recent advances on self healing of concrete. Proceedings of the FraMCos-7: 7th international conference on fracture mechanics of concrete and concrete structures; 2010 May 23-28; Jeju Island, Korea. IA-FraMCos. [Google scholar]
9. Van Tittelboom K, De Belie N. Self-healing in cementitious materials-A review. Materials. 2013; 6: 2182-2217. [CrossRef] [Google scholar] [PubMed]
10. Souradeep G, Kua HW. Encapsulation technology and techniques in self-healing concrete. J Mater Civ Eng. 2016; 28: 04016165. [CrossRef] [Google scholar]
11. Talaiekhozani A, Keyvanfar A, Shafaghat A, Andalib R, Abd Majid MZ, Ali Fulazzaky M, et al. A review of self-healing concrete research development. J Environ Treat Tech. 2014; 2: 1-11. [Google scholar]
12. Westerbeek T. Self-Healing Materials Radio Netherlands. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons; 2005. [Google scholar]
13. Kishi T, Ahn T, Hosoda A, Suzuki S, Takaoka H. Self healing behaviour by cementitious recrystallization of cracked concrete incorporating expansive agent. Proceedings of the First International Conference on Self Healing Materials; 2007 April 18-20; Noordwijk aan Zee, The Netherlands. Dordrecht: Springer. [Google scholar]
14. Zhong W, Yao W. Influence of damage degree on self-healing of concrete. Constr Build Mater. 2008; 22: 1137-1142. [CrossRef] [Google scholar]
15. Mahmoodi S, Sadeghian P. Self-healing concrete: A review of recent research developments and existing research gaps. Proceedings of the 7th International Conference on Engineering Mechanics and Materials, CSCE Annual Conference; 2019 June 12-15; Laval, QC, Canada. Laval, QC: Canadian Society for Civil Engineering. [Google scholar]
16. Rajczakowska M, Szeląg M, Habermehl-Cwirzen K, Hedlund H, Cwirzen A. Interpretable machine learning for prediction of post-fire self-healing of concrete. Materials. 2023; 16: 1273. [CrossRef] [Google scholar] [PubMed]
17. Reinhardt HW, Jooss M. Permeability and self-healing of cracked concrete as a function of temperature and crack width. Cem Concr Res. 2003; 33: 981-985. [CrossRef] [Google scholar]
18. Şahmaran M, Li VC. Durability of mechanically loaded engineered cementitious composites under highly alkaline environments. Cem Concr Compos. 2008; 30: 72-81. [CrossRef] [Google scholar]
19. Jacobsen S, Sellevold EJ. Self healing of high strength concrete after deterioration by freeze/thaw. Cem Concr Res. 1996; 26: 55-62. [CrossRef] [Google scholar]
20. Edvardsen C. Water permeability and autogenous healing of cracks in concrete. In: Innovation in concrete structures: Design and construction. London: Thomas Telford Publishing; 1999. pp. 473-487. [Google scholar]
21. Aldea CM, Song WJ, Popovics JS, Shah SP. Extent of healing of cracked normal strength concrete. J Mater Civ Eng. 2000; 12: 92-96. [CrossRef] [Google scholar]
22. Li M, Li VC. Cracking and healing of engineered cementitious composites under chloride environment. ACI Mater J. 2011; 108: 333-340. [CrossRef] [Google scholar]
23. Jonkers HM. Self healing concrete: A biological approach. In: Self healing materials. Springer series in materials science. Dordrecht: Springer Netherlands; 2007. pp. 195-204. [CrossRef] [Google scholar]
24. Raza A, El Ouni MH, Azab M, Khan D, Elhadi KM, Alashker Y. Sustainability assessment, structural performance and challenges of self-healing bio-mineralized concrete: A systematic review for built environment applications. J Build Eng. 2023; 66: 105839. [CrossRef] [Google scholar]
25. Dry CM. Smart materials which sense, activate and repair damage; hollow porous fibers in composites release chemicals from fibers for self-healing, damage prevention, and/or dynamic control. Proceedings of the First European conference on smart structures and materials; 1992 May 12-14; Glasgow, UK. Bellingham, WA: SPIE. [CrossRef] [Google scholar]
26. White SR, Maiti S, Jones AS, Brown EN, Sottos NR, Geubelle PH. Fatigue of self-healing polymers: Multiscale analysis and experiments. Proceedings of the 11th International Conference on Fracture 2005 (ICF11); 2005 March 20-25; Turin, Italy. Cassino, Italy: International Congress on Fracture (ICF). [Google scholar]
27. Ahn TH, Kishi T. Crack self-healing behavior of cementitious composites incorporating various mineral admixtures. J Adv Concr Technol. 2010; 8: 171-186. [CrossRef] [Google scholar]
28. Yang Z, Hollar J, He X, Shi X. A self-healing cementitious composite using oil core/silica gel shell microcapsules. Cem Concr Compos. 2011; 33: 506-512. [CrossRef] [Google scholar]
29. Van Tittelboom K, Adesanya K, Dubruel P, Van Puyvelde P, De Belie N. Methyl methacrylate as a healing agent for self-healing cementitious materials. Smart Mater Struct. 2011; 20: 125016. [CrossRef] [Google scholar]
30. Balazs AC. Modeling self-healing materials. Mater Today. 2007; 10: 18-23. [CrossRef] [Google scholar]
31. Van Tittelboom K, Van den Heede P, De Belie N. Self-healing concrete with encapsulated polyurethane. In: Eco-efficient repair and rehabilitation of concrete infrastructures. Southton, UK: Woodhead Publishing; 2018. pp. 429-466. [CrossRef] [Google scholar]
32. Asua JM. Miniemulsion polymerization. Prog Polym Sci. 2002; 27: 1283-1346. [CrossRef] [Google scholar]
33. Kessler MR, Sottos NR, White SR. Self-healing structural composite materials. Compos Part A Appl Sci Manuf. 2003; 34: 743-753. [CrossRef] [Google scholar]
34. Brown EN, White SR, Sottos NR. Retardation and repair of fatigue cracks in a microcapsule toughened epoxy composite-Part II: In situ self-healing. Compos Sci Technol. 2005; 65: 2474-2480. [CrossRef] [Google scholar]
35. Feng X, Zhuo N, Ningxu H, Biqin D, Xuexiao D, Zhan H, et al. Self-healing mechanism of a novel cementitious composite using microcapsules. Proceedings of international conference on durability of concrete structures; 2008 Nov 26; Hangzhou, China. Cité Descartes: Rilem. [Google scholar]
36. Dong B, Han N, Zhang M, Wang X, Cui H, Xing F. A microcapsule technology based self-healing system for concrete structures. J Earthq Tsunami. 2013; 7: 1350014. [CrossRef] [Google scholar]
37. Wang X, Sun P, Han N, Xing F. Experimental study on mechanical properties and porosity of organic microcapsules based self-healing cementitious composite. Materials. 2017; 10: 20. [CrossRef] [Google scholar] [PubMed]
38. Pelletier MM, Brown R, Shukla A, Bose A. Self-healing concrete with a microencapsulated healing agent. Cem Concr Res. 2011; 8: 1055. [Google scholar]
39. Aïssa B, Therriault D, Haddad E, Jamroz W. Self-healing materials systems: Overview of major approaches and recent developed technologies. Adv Mater Sci Eng. 2012; 2012: 854203. [CrossRef] [Google scholar]
40. Van Tittelboom K, De Belie N, Van Loo D, Jacobs P. Self-healing efficiency of cementitious materials containing tubular capsules filled with healing agent. Cem Concr Compos. 2011; 33: 497-505. [CrossRef] [Google scholar]
41. Thao TD, Johnson TJ, Tong QS, Dai PS. Implementation of self-healing in concrete-proof of concept. IES J Part A Civ Struct Eng. 2009; 2: 116-125. [CrossRef] [Google scholar]
42. Minnebo P, Thierens G, De Valck G, Van Tittelboom K, De Belie N, Van Hemelrijck D, et al. A novel design of autonomously healed concrete: Towards a vascular healing network. Materials. 2017; 10: 49. [CrossRef] [Google scholar] [PubMed]
43. Anglani GI, Antonaci PA, Gonzales SI, Paganelli GI, Tulliani JM. 3D printed capsules for self-healing concrete applications. Proceedings of the 10th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures (FraMCoS-X); 2019 June 23-26; Bayonne, France. IA-FraMCos. [CrossRef] [Google scholar]
44. Li VC, Lim YM, Chan YW. Feasibility study of a passive smart self-healing cementitious composite. Compos B Eng. 1998; 29: 819-827. [CrossRef] [Google scholar]
45. Tsangouri E, Gilabert FA, De Belie N, Van Hemelrijck D, Zhu X, Aggelis DG. Concrete fracture toughness increase by embedding self-healing capsules using an integrated experimental approach. Constr Build Mater. 2019; 218: 424-433. [CrossRef] [Google scholar]
46. Joseph C, Jefferson AD, Isaacs B, Lark R, Gardner D. Experimental investigation of adhesive-based self-healing of cementitious materials. Mag Concr Res. 2010; 62: 831-843. [CrossRef] [Google scholar]
47. Li VC, Herbert E. Robust self-healing concrete for sustainable infrastructure. J Adv Concr Technol. 2012; 10: 207-218. [CrossRef] [Google scholar]
48. Garg R, Garg R, Eddy NO. Microbial induced calcite precipitation for self-healing of concrete: A review. J Sustain Cem Based Mater. 2023; 12: 317-330. [CrossRef] [Google scholar]
49. Jonkers HM. Bacteria-based self-healing concrete. In-Genium. 2021. Available from: https://sedici.unlp.edu.ar/handle/10915/119709 .
50. Huang H, Ye G, Leung C, Wan K. Application of sodium silicate solution as self-healing agent in cementitious materials. In: International RILEM conference on advances in construction materials through science and engineering. Hong Kong, China: RILEM Publications SARL; 2011. pp. 530-536. [Google scholar]
51. Dry C, McMillan W. Three-part methylmethacrylate adhesive system as an internal delivery system for smart responsive concrete. Smart Mater Struct. 1996; 5: 297-300. [CrossRef] [Google scholar]
52. Dry C, Corsaw M, Bayer E. A comparison of internal self-repair with resin injection in repair of concrete. J Adhes Sci Technol. 2003; 17: 79-89. [CrossRef] [Google scholar]
53. Stewart A. The ‘living concrete’ that can heal itself [Internet]. Atlanta, GA: Cable News Network (CNN); 2016. Available from: https://edition.cnn.com/2015/05/14/tech/bioconcrete-delft-jonkers/ .
54. Mors R, Jonkers HM. Bacteria-based self-healing concrete: Evaluation of full scale demonstrator projects. RILEM Tech Lett. 2019; 4: 138-144. [CrossRef] [Google scholar]
55. Van Mullem T, Gruyaert E, Caspeele R, De Belie N. First large scale application with self-healing concrete in belgium: Analysis of the laboratory control tests. Materials. 2020; 13: 997. [CrossRef] [Google scholar] [PubMed]
56. Davies R, Teall O, Pilegis M, Kanellopoulos A, Sharma T, Jefferson A, et al. Large scale application of self-healing concrete: Design, construction, and testing. Front Mater. 2018; 5: 51. [CrossRef] [Google scholar]
57. Zhang X, Qian C. Engineering application of microbial self-healing concrete in lock channel wall. Mar Georesour Geotechnol. 2022; 40: 96-103. [CrossRef] [Google scholar]
58. Al-Mansoori T, Norambuena-Contreras J, Micaelo R, Garcia A. Self-healing of asphalt mastic by the action of polymeric capsules containing rejuvenators. Constr Build Mater. 2018; 161: 330-339. [CrossRef] [Google scholar]