فناوری جدید برای تولید بتن‌های مقاوم

عمادالدین قاسمی پناه_خبرنگار


هنگامی که به سازه‌های بتنی نگاه می‌کنیم، گاهی چنان عظمت و شکوهی دارند که حداقل برای مدت کوتاهی توجه کامل ما را به سمت خود جلب می‌کنند. این سازه‌ها اکنون بخش بزرگی از جهان اطراف ما را تشکیل می‌دهند. فقط کافی است نگاهی به پیاده‌روها، خیابان‌ها و ساختمان‌ها بیندازیم تا حضور پررنگ آنها را در اطراف خود احساس کنیم. اما این سازه‌های غول پیکر همیشه یک نقطه ضعف بزرگ داشته‌اند؛ بلورهای کوچک یخی.
وب‌سایت inverse در گزارشی نوشته است: این کریستال‌ها می‌توانند ترک‌های بزرگی در این ماده‌های مستحکم و قوی ایجاد کنند که باعث شود از نظر مکانیکی، ضعیف و حتی هنگام رانندگی یا پیاده‌روی روی آنها، مخاطره‌آمیز شوند. دانشمندان برای حل این مشکل از منابع به‌ظاهر غیرممکنی چون ماهی، گیاهان و باکتری‌ها الهام گرفتند تا این مشکل را حل کنند.
پژوهشگران با مطالعه پروتئین‌های باکتری‌های مقاوم در برابر یخ که در دمای زیر صفر زنده می‌مانند، پلیمرهایی تولید کردند که پس از مخلوط شدن با بتن به‌عنوان ضد‌یخ طبیعی عمل می‌کنند. دانشمندان پس از استفاده از این پلیمر، مشاهده کردند بدون آنکه استحکام بتن کم شود، 90درصد بلورهای یخ کاهش یافته است. در حالی‌که بتن از بیرون مانند یک ماده غیرقابل نفوذ به‌نظر می‌رسد، اما داخل آن، در واقع پر از سوراخ‌ها و منافذ کوچک است. هنگامی که این ماده در معرض دمای بسیار پایین قرار می‌گیرد، کریستال‌های کوچک یخی در منافذ آن ایجاد می‌شود. این کریستال‌ها به‌تدریج در داخل این منافذ افزایش می‌یابند و با اشغال این منافذ باعث فشار زیر سطح لایه‌های بتن می‌شوند. پس از آن، ترک‌های ویرانگری در داخل این ماده سخت ایجاد می‌شود. این اتفاق نه‌تنها برای اتومبیل‌هایی که از جاده‌های تخریب‌شده عبور می‌کنند، نگران‌کننده است، بلکه تولید یک ماده شیمیایی اصلی در سیمان، تقریبا باعث انتشار 9درصد از دی‌اکسیدکربن کل جهان می‌شود. کارشناسان حتی تخمین می‌زنند که تا سال 2050 تولید سیمان به‌ خاطر افزایش تقاضا تا 50درصد دیگر رشد خواهد کرد. حل نشدن این مسئله نه‌تنها می‌تواند هزینه‌های زیادی را در پی داشته باشد، بلکه می‌تواند به محیط‌زیست هم آسیب برساند. بخشی از آنچه این نوآوری را بسیار هیجان‌انگیز می‌کند، این است که نویسندگان این مقاله جدید که در نشریه Cell منتشر شده است، نوشته‌اند که این نوآوری یک جهش در فناوری بتن طی 70سال گذشته محسوب می‌شود.
ویل اسروبار، نویسنده اصلی و سرپرست آزمایشگاه Living Materials در دانشگاه کلرادو بودر، می‌گوید: ما به این خاطر هیجان‌زده هستیم که این اتفاق به‌معنای گذر از یک دوره هفتادساله در فناوری بتن به شمار می‌رود. از نظر ما، این یک جهش کوانتومی در یک جهت صحیح است و راه را برای فناوری‌های جدید در مورد این ماده باز می‌کند.
پیش از توسعه این پلیمرهای جدید ضدیخ که در این مطالعه تشریح شده است، برای مقابله با بلورهای یخی داخل بتن از تکنیکی به نام «مواد افزودنی با تزریق هوا» (AEA) استفاده می‌شد. در واقع، به جای هدف قرار‌دادن خود بلورهای یخی که در این رویکرد جدید انجام می‌شود، در تکنیک AEA فشار در منافذ بتن رها و منتشر می‌شد. اگرچه این کار تا حدی مؤثر بود، اما همراه با حباب‌های کوچک هوا که با تکنیک AEA درون بتن قرار می‌گرفتند، مواد مخربی چون آب و نمک به داخل سوراخ‌ها نفوذ می‌کردند که باعث ضعیف‌تر شدن بتن می‌شدند، بنابراین لازم بود که یک راه‌حل مؤثرتر برای حفظ مقاومت بتن، ابداع شود. مهندسان دانشگاه کلرادو بودر با ترکیب 2نوع باکتری متفاوت، توانستند 2پروتئین مهم را که مربوط به «پیوند یخ» و «شکل‌گیری مداوم یخ» بودند، جدا کنند. در موجودات زنده، این پروتئین‌ها به بلورهای در حال شکل‌گیری یخ پیوند می‌خورند و رشد آنها را متوقف می‌کنند. این موضوع به زنده نگه‌داشتن موجودات زنده در هوای سرد کمک می‌کند. فرض پژوهشگران بر این بود که احتمالا این روش می‌تواند از شکل‌گیری بلورهای یخی خطرناک در بتن هم جلوگیری کند.
پژوهشگران با الهام از این پروتئین‌ها، پلیمری به نام پلی‌اتیلن گلیکول گرافت-پلی وینیل الکل (PEG-PVA) را طراحی و آن را با خمیر بتن ترکیب کردند. آنها سپس دمای آن را به منفی 20درجه سانتی‌گراد رساندند و 300مرتبه این چرخه انجماد را تکرار کردند. در پایان، این گروه مشاهده کرد که بدون از دست رفتن مقاومت بتن، شکل‌گیری بلورهای یخی، 90درصد کاهش یافته است. پژوهشگران می‌گویند اگر بتن را مانند خمیر کیک فرض کنیم، این ماده افزودنی می‌تواند یک دستورالعمل جدید و خوشمزه باشد که ایمنی و اثربخشی بتن را برای سال‌های آینده تضمین می‌کند.

شکافت ویرانگر
هنگامی که بتن در معرض دمای بسیار پایین قرار می‌گیرد، کریستال‌های کوچک یخی در منافذ آن ایجاد می‌شود. این کریستال‌ها به‌تدریج در داخل این منافذ افزایش می‌یابند و با اشغال این منافذ باعث فشار زیر سطح لایه‌های بتن می‌شوند. پس از آن، ترک‌های ویرانگری در داخل این ماده سخت ایجاد می‌شود