استفاده از ساختار استخوان ها برای بهبود خواص بتن
محققین در انستیتو تکنولوژی ماساچوست (MIT) به دنبال طرح اختلاط نوینی برای بهبود خواص بتن با استفاده از طرح های طبیعی هستند. در تحقیقی جدید محققین مقایسه‌ای بر روی خمیر سیمان و ساختار و خواص مصالح طبیعی از قبیل استخوان ها، پوسته ها و اسفنج های دریاهای عمیق را انجام داده‌اند.
طرحی نوین برای بهبود خواص بتن
استاد دانشگاه آم آی تی Oral Buyukozturk این گونه بیان می‌کند که”اگر ما بتوانیم بخشی از سیمان بتن یا کل آن را با مواد و مصالحی که به راحتی و گستردگی در طبیعت یافت می‌شوند، جایگزین کنیم به هدف خود در مورد دوام و پایایی بتن دست خواهیم یافت ”
محققین دانشگاه ام آی تی به دنبال طرح اختلاطی نوینی برای بهبود خواص بتن با استفاده از طرح های طبیعی هستند.
در مقاله‌ای که به تازگی در مجله Construction and Building Materials به صورت آنلاین منتشر شده، محققین مقایسه‌ای بر رو خمیر سیمان و ساختار و خواص مصالح طبیعی از قبیل استخوان ها، پوسته ها و اسفنج های دریاهای عمیق انجام داده‌اند. به طوری که محققین مشاهده کرده‌اند، این مواد دارای اسمبلی بسیار دقیقی در ساختار خود هستند که در مقیاس های طولی مختلف از سطوح مولکولی گرفته تا سطوح ماکرو و قابل مشاهده به وضوح می‌توان آنرا دید و این امر باعث شده است این مواد به طرز فوق العاده‌ای پایدار و مقاوم باشند.
تیمی که توسط Oral Buyukozturk استاد دانشکده عمران و محیط زیست دانشگاه آم آی تی رهبری می‌شود برای جایگزنی سیمان بتن راهکار جدیدی که به کل از طبعیت الهام گرفته شده ارائه کرده‌اند.
به گفته Buyukozturk این مواد به صورت شگفت انگیزی اسمبل شده‌اند و در عین حال که دارای بافت و اجزای ساده‌ای هستند پیکربندی بسیار پیچده‌ای دارند که از منظر زیبایی شناختی نیز بسیار چشم نواز هستند. او همچنین بیان می‌کند ما به دنبال این بودیم که چه میکرو مکانیزم هایی در آنها وجود دارد که باعث به وجود آمدن اینچنین خواص فوق‌العاده‌ای شده است و چگونه می‌توانیم این چنین ساختاری را برای بهبود خواص بتن نیز تعمیم دهیم.
در نهایت تیم تحقیق امیدوار بودند، مصالحی در طبیعت شناسایی کنند که بتوان جایگزینی طولانی مدت و پایدارتر برای سیمان پرتلند (که جهت استحصال آن انرژی بسیار زیادی صرف می‌شود) باشد.
استاد دانشگاه آم آی تی Oral Buyukozturk این گونه بیان می‌کند که”اگر ما بتوانیم بخشی از سیمان بتن یا کل آن را با مواد و مصالحی که به راحتی و گستردگی در طبیعت یافت می‌شوند، جایگزین کنیم به هدف خود در مورد دوام و پایایی بتن دست خواهیم یافت “
به گفته Buehler یکی ار همکاران تحقیقات ” با ادغام تئوری، محاسبات، سنتزهای جدید و روشهای خصوصی سازی شده، یک الگوی ابتکاری ایجاد خواهد شد که احتمال دارد روش تولید این مواد ( که در همه جا در دسترس است) را برای همیشه تغییر دهد”. این الگو می‌تواند به ساخت راه‌ها، پل‌ها و ساختمانهای پایدار کمک شایانی بکند و همچنین منحر به کاهش اثرات زیست محیطی تولید دی‌اکسید کربن و مصرف انرژی گردد این الگو حتی می‌تواند ما را قادر کند تا به هنگام تولید این مواد جلوی تولید دی‌اکسید کربن را بگیریم. به کار گیری نانوتکنولوژی در در ساخت بتن، مثال بارزی از استفاده از علم نانو در چالش های عظیم پیش روی علوم مهندسی است.
از مولکول‌ها تا پل‌ها
امروزه بتن ترکیبی است تصادفی از ماسه و شن که به وسیله خمیر سیمان به هم چسبانده شده‌اند. بخشی خواص بتن (مقاومت و پایایی) به ترکیب خلل و فرج و ساختار داخلی آن بستگی دارد. به عنوان مثال استفاده از مصالح با تخلخل زیاد منجر به تولید بتنی می‌شود که مستعد ترک برداشتن است. در کل می‌توان گفت در ساخت بتن های معمول، تکنیک دقیقی برای کنترل ساختار داخلی و خواص کلی آن وجود ندارد.
Buyukozturk در این باره میگوید ” کار کردن بدین صورت اغلب بر روی حدس و گمان است، ما قصد داریم فرهنگ این کار را تغییر دهیم و شروع به کنترل مواد در مقیاسی میانی ( بزرگتر از میکرو و کوچکتر از چیزی که قابل مشاهده است) بکنیم.
بنا به توضیحات Buyukozturk، مقیاس میانی، ساختار در مقیاس میکرو را با خواص در مقیاس ماکرو پیوند می‌دهد. برای نمونه، چگونه ترتیب و چیدمان میکروسکوپی سیمان بر بهبود خواص بتن ساختمانهای بلند یا پل‌های طویل تاثیر می‌گذارد؟ فهم این ارتباط به مهندسین در شناسایی ترکیبات با مقیاس‌های مختلف (که کارایی کلی بتن را بهبود می‌دهد) کمک خواهد کرد. ما از طرفی با ساختار مولکولی و از طرف دیگر با سازه هایی که کیلومترها طول دارند درگیر هستیم، چالش اصلی این است که چگونه می‌توان اطلاعاتی را که در چنین مقیاس کوچکی توسعه پیدا کرده است را به چنان مقیاس بزرگی پیوند داد؟
ساخت از پایین تا بالا برای بهبود خواص بتن
برای درک این پیوند، او و همکارانش مواد و مصالح بیولوژیکی از قبیل استخوان‌ها، اسفنج‌های دریاهای عمیق و قسمت درونی پوسته حلزون صدفی را مورد بررسی قرار دادند. خواص مکانیکی و میکروسکوپی این مواد قبلا به صورت گسترده‌ای مطالعه شده بود. لذا آنها متون علمی را در مورد اطلاعات بیومتریال ها مطالعه کرده و ساختار و رفتار آنها را در مقیاس های نانو، میکرو و ماکرو با خمیر سیمان مقایسه کردند. آنها به دنبال ارتباط بین ساختار مواد و خواص مکانیکی بودند. برای نمونه محققان دریافتند که ساختار لایه های سیلیس پیاز مانند اسفنج دریاهای عمیق، مکانیزمی برای جلوگیری از بروز ترک ایجاد می‌کند. حلزون دریایی دارای چیدمانی شبیه به آجر و ملات از مواد معدنی است که لایه محکمی مابین مواد معدنی تولید می‌کند و این مواد را بی نهایت محکم و مقاوم می‌کند. در این مقاله طیف گسترده‌ای از مشخصات چند مقیاسی و تکنیکهای مدل سازی محاسباتی وجود دارد که به خوبی برای مطالعه پیچیدگی های مواد بیولوژیکی و بیومیمتیک (فرایندها، وسایل، مواد و ابزاری که بشر به تقلید از طبیعت می‌سازد) بهینه‌سازی شده‌اند.
با بکارگیری اطلاعات بدست آمده از مطالعه و بررسی مواد بیولوژیکی و اطلاعات بدست آمده از ابزارهای موجود تولید و طراحی خمیر سیمان و بهبود خواص بتن ، تیم تحقیقاتی، یک چهارچوب و متدولوژی کلی که منشا زیست محیطی دارد را برای مهندسین توسعه دادند که با استفاده از آن خمیر سیمان را از پایین تا بالا طراحی کنند.
این چهارچوب در حقیقت مجموعه‌ای از دستورالعمل های قابل استفاده برای مهندسین بوده و به وسیله آن به راحتی می‌توان تشخیص داد که چگونه مواد افزودنی خاص و عناصر دلخواه می‌تواند بر بهبود خواص بتن تاثیر گذار باشد.
: Journal Reference
Steven D. Palkovic, Dieter B. Brommer, Kunal Kupwade-Patil, Admir Masic, Markus J. Buehler, Oral Büyüköztürk. Roadmap across the mesoscale for durable and sustainable cement paste – A bioinspired approach. Construction and Building Materials, 2016; 115: 13 DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.020
