آخرین اتفاقات در صنعت بتن

درباره آخرین پیشرفت‌ها در فناوری بتن چه می‌دانید؟

بتن از جمله معمول‌ترین مصالح ساختمانی است که به‌طور گسترده در ساختن خانه‌ها، پل‌ها، جاده‌ها و سدها مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربرد آن از کاربردهای سازه‌ای گرفته تا کف‌سازی، ساختن پیاده‌رو، لوله‌سازی و زه‌کشی را در بر می‌گیرد.(آموزش شناخت افزودنی های بتن)

بتن یک ماده مرکب از سیمان، آب و سنگدانه (شن، ماسه یا سنگ) است. مقاومت بتن با میزان نیروی مورد نیاز برای خرد کردن آن تعیین شده و برحسب پوند بر اینچ‌ مربع یا کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع اندازه‌گیری می‌شود.

مقاومت بتن تحت تأثیر متغیرهای زیادی از جمله رطوبت و دما تغییر می‌کند. فناوری بتن به دلیل مزایایی که دارد و سازگاری آن با محیط زیست، موضوع آزمایش‌های بسیار قرار گرفته است تا بتوان آن را در جهت طراحی بهتر و حفظ انرژی مورد استفاده قرار داد.

در ادامه برخی از فناوری‌های نوآورانه در حوزه بتن را که در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته‌اند بخوانید.

بتن نیمه‌شفاف که نور را عبور می‌دهد

روش شرکت HeidelbergCement برای انتقال نور از بتن یک نوآوری برجسته است. در محصول Luccon به جای استفاده از رشته‌های اکریلیک یا فیبر نوری، از پارچه استفاده می‌شود. این پارچه شفاف لایه لایه در بتن ریزدانه ریخته می‌شود و به نور، سایه و حتی رنگ اجازه می‌دهد در بتن پخش شود. این الیاف پارچه قطر بسیار کمی دارند و نسبت پارچه به بتن نیز نسبتاً کم است. به همین دلیل این محصول استحکام و دوامی مشابه بتن معمولی دارد.

            به دلیل خمیدگی این پارچه‌ها و ناهمواری‌های روی سطوح آنها،‌ انتقال نور معمولاً به اندازه کمتر از نصف نور تابیده‌شده روی الیاف است، پس اگر ۵ درصد بتن پارچه باشد، میزان انتقال نور ۲ درصد است. چشم انسان نسبت به نور واکنش غیرخطی دارد و به همین دلیل همین ۲ درصد نیز نور مناسبی به چشم می‌رساند. در تئوری این الیاف می‌توانند نور را تا فاصله ده‌ها متری بازتاب دهند و بسته به نوع فیبرها و نحوه خم شدن آنها، این طول افزایش یا کاهش می‌یابد.

            بتن نیمه‌شفاف در نازک‌کاری‌ معماری به عنوان مصالح نما یا پوشش دیوارهای داخلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. بتنی که نور را عبور بدهد در ساخت محصولات تزئینی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش‌های مختلفی برای تولید بتن نیمه‌شفاف وجود دارد. در همه این روش‌ها از یک بتن دانه‌ریز (حدود ۹۵ درصد) استفاده می‌شود و ۵ درصد باقیمانده را ماده رسانای نور تشکیل می‌دهد که در طی فرایند ریختن بتن، به آن اضافه می‌شود. پس از اینکه بتون خود را گرفت،‌ با ماشین به صورت صفحه یا بلوک بریده می‌شود.

الگوهای گرافیکی بتن در سطوح پیش‌ساخته بتنی

مرکز هنری دبیرستان Murphysboro نقطه عطف نوآوری در گرافیک بتنی است. یکی از جنبه‌های قابل توجه این پروژه، این است که بزرگ‌ترین و یکی از اولین پروژه‌ها در ایالات متحده است که گرافیک سیمانی دارد. اثر گرافیکی ساخته‌شده با سیمان به طراحان اجازه می‌دهد هر تصویر یا الگویی را در بتن‌های پیش‌ساخته پیاده کنند. این فناوری به‌سرعت در حال تغییر صنعت معماری و بتن‌های پیش‌ساخته است. طرح جنگل الگوی اصلی این پروژه است که حدود ۱۸۰۰ مترمربع مساحت دارد و از پنل‌های دیواری عایق با کارایی بالا و به ابعاد ۱۲ اینچ تشکیل شده است.

این پروژه شامل ساخت یک مرکز جدید با ۷۰۰ صندلی برای هنرهای نمایشی و فضاهای مرتبط است تا جایگزین سالن ۴۰۰نفری قبلی شود که فروریخته بود. ساختمان قبلی در سال ۱۹۷۷ از آجر، خرپاهای چوبی و سقف EPDM (سقف لاستیکی با پایه روغن) ساخته شده بود. خرپاهای چوبی زیر بار سقف شکست خوردند و سقف فرو ریخت و باعث خم شدن دیوار بیرونی شد.

ساختمان جدید با دیوارهای بتنی پیش‌ساخته برای بیرون و دیوارهای CMU برای داخل ساخته شده است. بهترین انتخاب معمار جدید ساختمان، استفاده از پنل‌های دیواری پیش‌ساخته برای بیرون ساختمان بود. همه مسئولان از این انتخاب استقبال کردند، زیرا از نقص بعدی در سازه ساختمان جلوگیری می‌کرد و باعث شد ساختمان با سرعت بیشتری ساخته شود.

بتن فضایی، جایگزین اجزای بتن می‌شود

 محققان معتقدند سنگ پوشه یا رِگولیت در مریخ می‌تواند جایگزین اجزای بتن شود. ماشین‌های مریخ‌نورد با کروماتوگرافی گازی و جدا کردن عناصر رنگی از هم، طیف‌سنجی جرمی و طیف‌سنجی لیزری، اجرای خاک مریخ را شناسایی کرده‌اند. سنگ پوشه مریخ عمدتاً از دی‌اکسید سیلیکون و اکسید آهن تشکیل شده است که مقدار قابل توجهی اکسید آلومینیوم، اکسید کلسیم و اکسید گوگرد دارد. این ترکیب در جاهای مختلف سیاره به دلیل برخورد سیارک‌ها و هوازدگی توسط آب و باد در اقیانوس‌های قدیمی و برخی از آب‌های جدید مریخ متنوع است. اما هیچ فضاپیمایی با نمونه‌های واقعی این مواد به زمین بازنگشته است.

از این رو دانشمندان مرکز فضایی جانسون ناسا از داده‌های مریخ‌نورد استفاده کردند تا با ترکیب برخی مواد معدنی زمینی است، ترکیب و اندازه ذرات خاک مریخ را نشان می‌دهد. دانشمندان از این سنگ پوشه شبیه‌سازی‌شده برای آزمایش برخی مصالح ساختمانی جدید استفاده کرده‌اند. این سنگ پوشه از بازالت جمع‌آوری‌شده از آتش‌فشانی در هاوایی ساخته شده است و نام آن JSC Mars-1 است. سنگ شبیه‌سازی شده دیگری نیز وجود دارد که به آن BP-1 می‌گویند و از یک بازالت دیگر از جریان گدازه‌ در شمال فلگستاف در آریزونا به دست آمده است.

بتن تقویت‌شده مقاوم در برابر ترک و قابل خم شدن

دانشمندان در دانشگاه میشیگان نوع جدید از بتن تقویت‌شده و خم‌شونده را با استفاده از الیاف ساخته‌اند. این بتن جدید ظاهری شبیه بتن‌های معمولی دارد اما ۵۰۰ برابر در برابر ترک‌خوردگی مقاوم‌تر و ۴۰ درصد سبک‌تر است. الیاف ریزی که حدود ۲ درصد حجم مخلوط را تشکیل می‌دهند دلیل اصلی عملکرد متفاوت آن هستند. همچنین مواد موجود در خود بتن نیز برای ایجاد حداکثر انعطاف‌پذیری طراحی شده‌اند. انتظار می‌رود کامپوزیت‌های سیمانی مهندسی‌شده به دلیل عمر طولانی‌شان در درازمدت هزینه کمتری داشته باشند. این نوع خاص از بتن می‌توان تنش‌های خمشی را تحمل کند. این بتن از مواد خاصی تشکیل شده است که باعث انعطاف‌پذیری آن می‌شوند و پروفسور ویکتور لی (Li) در دانشگاه میشیگان آن را تولید کرده است.

            بتن خم‌شونده قابلیت ورود به بازار را نیز دارد. گابریل آرس (Gabriel Arce) یکی از همکاران تحقیقاتی حوزه مدیریت ساخت‌وساز در دانشگاه ایالتی لوییزیانا در حال کار روی این پروژه است. او پروژه‌ای چندساله را با عنوان «ارزیابی عملکرد و مقرون به صرفه بودن کامپوزیت‌های سیمانی مهندسی‌شده» مدیریت می‌کند که به بررسی مواد بومی برای ساخت بتن‌های خم‌شونده، مقرون به صرفه و مقیاس‌پذیر می‌پردازد. آنها ماده‌ای متشکل از فیبرهای پی.وی.سی، شن و ماسه ریز رودخانه می‌سی‌سی‌پی و خاکستر بادی محلی ساخته‌اند که قیمتش بیشتر از بتن‌‌های معمولی و کمتر از بتن‌های ECC فعلی است.

            آرس که تأمین مالی پروژه‌اش بر عهده کنسرسیوم حمل‌ونقل جنوب و مرکز ایالات متحده است، امیدوار است بتواند با همکاری چندین دانشگاه که جز این کنسرسیوم هستند و به کمک بتن خم‌شونده مشکلات ناشی از پوسیدگی زیرساخت‌ها را حل کند که اغلب در آمریکا محافظت از آنها جدی گرفته نمی‌شود. وی در اکتبر گذشته محصول جدید خود را آزمایش کرد و از آن برای ترمیم بخشی از پیاده‌رو یک خیابان استفاده کرد. البته این کار در مقایسه با ساختن پل، سد یا برج اهمیت چندانی ندارد اما او امیدوار است که به این وسیله بتواند در جهت ساختن محیط‌های امن‌تر و با دوام‌تر گام بردارد.

بتن بیولوژیکی سطح بتن سازه‌ای را با جلبک می‌پوشاند

محققان آزمایشگاه BiotA در دانشگاه معماری Bartlett در کالج لندن، بتنی ساخته‌اند که گیاهان را ترغیب می‌کند روی سازه بتنی رشد کنند. فسفات منیزیم در ترکیب با سیمان معمولی به صورت هندسی خاصی در می‌آیند که رشد خزه‌ها، گلسنگ‌ها و جلبک‌ها را در جاهای مختلف بتن تقویت می‌کنند. گیاهان اکسیژن تولید کرده و گاز دی‌اکسید کربن و سایر آلاینده‌های موجود در هوا را فیلتر یا جذب می‌کنند. این سیستم یک محافظ محیط زیست طبیعی است که نیاز به هزینه و نگهداری ندارد.

            در حال حاضر محققان در حال ساخت سه نمونه مختلف هندسی از پنل‌هایی هستند که بتوان آنها را روی سطوح ساختمان اجرا کرد. کاربرد آنها در سطوح خارجی ساختمان از جمله سقف است، اما می‌توان در جاهای دیگر مانند دیوارهای داخلی ساختمان نیز از آنها استفاده کرد.

بتنی از جنس باکتری زنده برای کاهش اثرات محیط زیستی

گونه‌ای بتن ساخته‌شده از باکتری می‌تواند روزی بر کاهش اثرات مخرب صنعت ساختمان بر محیط زیست تأثیر بگذارد. ویل اسروبار (Wil Srubar) و همکارانش در دانشگاه کلرادو نوعی باکتری را به نام Synechococcus شناسایی کرده‌اند که می‌توان از آن برای ساختن بلوک‌های ساختمانی در اشکال مختلف استفاده کرد. 

این تیم باکتری‌ها را با ژلاتین، ماسه و مواد مغذی در یک مخلوط مایع ترکیب کردند و سپس آن را در قالب ریختند. با گرما و نور خورشید، باکتری‌ها کریستال‌های کربنات کلسیم در اطراف ذرات ماسه تولید کردند که فرایند آن شبیه فرایند شکل‌گیری صدف‌های دریایی در اقیانوس است. وقتی ژلاتین خنک شد، مخلوط به شکل ژلی جامد درآمد. این تیم سپس آب ژل را گرفتند تا سفت شود که کل این فرایند ظرف چند ساعت به پایان رسید.

            این تیم ماده تولیدی زنده خود را به بتن تشبیه کرده‌اند، زیرا مخلوطی از شن، ماسه، سیمان و آب است. اما خواص مکانیکی آن بیشتر شبیه ملات است که ماده‌ای ضعیف‌تر است و معمولاً با ماسه و سیمان ساخته می‌شود و بین آجرهای ساختمان وجود دارد. این ماده هنوز به اندازه آجر محکم نیست. مزیت استفاده از باکتری‌ها برای ساخت بتن این است که اگر به آنها آب برسد به رشد خود ادامه می‌دهند. پس هر آجر می‌تواند به دو آجر تقسیم شود. طبق تحقیقات این تیم، این آجر می‌تواند پس از چندین بار تقسیم شدن تا هشت آجر تولید کند.

ساخت دال‌های بتنی سبک‌تر با بتن دیجیتالی

در سوئیس یک پروژه خانه سه‌طبقه معروف به خانه DFAB در حال ساخت است که دانشمندان علوم، مهندسی و ریاضیات دانشگاه ETH زوریج در  آن مشغول به کار هستند و نمونه عالی ساخت بتن دیجیتال است. این فرایند به ساخت دیجیتالی بسیار تکیه دارد. آنها اندازه‌گیری‌های معماری را به یارانه می‌دهند و سپس روبات‌ها کار ساخت را آغاز می‌کنند. مدل‌های رایانه‌ای، نرم افزاد کَد که توسط این تیم از نو کدگذاری شده است و ساختن نمونه به فرایند ساخت بخش‌های مورد نیاز و سازه‌های این ساختمان هوشمند کمک می‌کند. سپس به کمک پرینت سه‌بعدی و فرز CNC فرایند ساخت کامل می‌شود. یازده دال هوشمند این ساختمان به طول ۷.۴ متر در بخش‌های ۷۸ مترمربعی به‌طور جداگانه چاپ می‌شوند و سپس در محل به هم متصل خواهند شد. این پروژه ظاهراً اولین پروژه معماری در مقیاس واقعی است که در آن از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی شن و ماسه استفاده شده است.

            ساخت دیجیتال به معنای این است که قطعات مورد نیاز برای ساخت‌وساز را می‌توان پس از ثبت تقاضا تولید کرد. این فرایند بسیار سریع‌تر از تکیه بر قطعات پیش‌ساخته است. فناوری‌های دیجیتال و تجهیزات پیشرفته تولید صنعتی این فرایند را بسیار سریع‌تر کرده و کیفیت خروجی را تضمین می‌کنند. از این رو ساخت در محل در آینده به هنجاری جدید تبدیل خواهد شد. دیجیتالی شده قالب‌گیری بتن انقلابی در شیوه کار معماران و مهندسان ایجاد کرده است. در حال حاضر امکان پرینت سه‌بعدی بتن در الگوهای هندسی جدید وجود دارد که باور آن دشوار است و آثار هنری پدید می‌آورد. با این همه تنها دلیل استفاده از این روش، رویکردهای هنری نیست. دال‌های بتنی که به این شیوه تولید می‌شوند بسیار سبک‌تر هستند.

بتن سبک عایق حرارت

 شیشه Poraver سنگدانه‌ای سبک است که از آن برای تولید بتن سبک استفاده می‌شود. خواص ساختاری و عایق حرارتی بودن این شیشه ساختن بتن‌های گوناگون برای کاربردهای مختلف را ممکن می‌کند.

با این شیشه منبسط‌شده می‌تواند مصالح ساختمانی کاملاً معدنی تولید کنید که تمام الزامات فیزیکی ساختمان را با بهترین کیفیت و مطابق با محیط زیست برآورده کنند. عایق حرارتی بودن این محصول بسیار مهم است. با استفاده از این شیشه می‌توان مصالح ساختمانی مناسب کاربردهای مختلف تولید کرد. اجرای سیستم‌های کامپوزیت خارجی که عایق حرارتی باشند پرهزینه و وقت‌گیر است. در مقایسه با سایر سنگدانه‌های سبک، نسبت مقاومت به فشار در شیشه Poraver بسیار بالاتر است. این امر باعث می‌شود سازه‌های تک‌لایه و چندلایه عایق در برابر حرارت و در عین حال مقاوم نسبت به فشار ساخت. ساختن باکس‌های قرقره باربر و عایق و همچنین عایق حرارتی کردن پنجره‌ها، ‌چهارچوب‌ درها و سایر اجزای ساختمان به کمک این بتن سبک و عایق ممکن می‌شود.

در ساختمان‌های مسکونی مدرن با سقف مسطح این سنگدانه را می‌توان به‌عنوان عایق سقف باربر نصب کرد و در سقف‌های کاذب از آن به‌عنوان لایه پوششی خط لوله و همچنین عایق گرمایش کف استفاده می‌شود.

کامپوزیت بتنی پتاسیم – ژئوپلیمر رساناست

محققان دانشگاه لنکستر یک مخلوط سیمانی متشکل از مواد زائد خاکستر بادی و محلولی قلیایی ساخته‌اند که رسانای الکتریسته است. برخلاف بتون‌های هوشمند موجود که معمولاً پایه آنها گرافن و تیوب‌های نانوی کربن است،‌ این مخلوط جدید حاوی مواد گران‌قیمت نیست و حتی خیلی ارزان‌تر از سیمان معمولی خواهد بود.

پروفسور محمد صافی، سرپرست گروه سازنده می‌گوید در این ترکیب که به آن کامپوزیت بتنی پتاسیم – ژئوپلیمر می‌گویند، الکتریسیته از طریق یون‌های پتاسیم که از ساختارهای کریستالی عبور می‌کنند هدایت می‌شود. برای ساخت این سیمان باید خاکستر بادی را با محلولی قلیایی ترکیب کرد و این ترکیب ماده‌ای سیمانی را شکل می‌دهد که حاوی یون‌های پتاسیم است و به عنوان الکترولیت عمل می‌کند. این مخلوط می‌تواند ۲۰۰ تا ۵۰۰ وات بر مترمربع را ذخیره و تخلیه کند.

همچنین می‌توان از این سیمان هوشمند برای حس کردن تنش‌های مکانیکی سازه نیز استفاده کرد. برای نمونه، تنش‌های ناشی از ترک‌ها، نحوه حرکت یون‌های پتاسیم و در نتیجه رسانایی ماده را تغییر می‌دهند و با اندازه‌گیری رسانایی مصالح می‌توان تغییرات در سازه ساختمان را به‌صورت اتوماتیک، در لحظه و بدون نیاز به نصب سنسورهای اضافی تشخیص داد. این محققان اکنون در حال کار بر روی بهینه‌سازی عملکرد این کامپوزیت و بررسی تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی برای ساخت اشکال مختلف این سیمان هوشمند هستند.

بتن گرافنی باکیفیت

کاربردهای آتی گرافن بسیار زیاد هستند. شرکت ZEN یک توسعه‌دهنده پیشرو در زمین تولید گرافن باکیفیت است. گرافن که در حال حاضر با بازار و فرصت‌های جدید روبه‌روست،‌کاربردهای فراوان و جالبی دارد. چالش شرکت ZEN به عنوان تأمین‌کننده این محصول، تعریف و اولویت‌بندی بازارها، ارائه بهترین ارزش و ایجاد فرصت همکاری با محققان حوزه صنعت و دانشگاهیان است. این شرکت با ۲۲ بخش صنعتی و ۱۰ دانشگاه در کانادا همکاری فعال دارد. این شرکت همچنین مورد توجه آژانش دولتی کاناداست که بیش از ۲ میلیون دلار در تحقیق و توسعه گرافن باکیفیت سرمایه‌گذاری کرده است. پروژه این شرکت در اونتاریو کانادا که دارای مخازن بزرگ و منحصر به فرد آلوتروپ کربن متبلور است، می‌تواند صنایع هوافضا، مهندسی پزشکی، تصفیه آب، حمل و نقل و مهندسی عمران را دچار تحول کند و بهبود ببخشد. این پروژه در حال کار بر روی معدنی ۲۴میلیون تنی حاوی نهصدهزار تن کربن گرافیتی با عیار ۳.۹۸ درصد است که در حال حاضر فاز زیرزمینی و روباز آن در مرحله توسعه است.

سیمان ساخته‌شده از عصاره هویج

گروهی از محققان دانشگاه لنکستر بریتانیا با استفاده از مخلوط‌کن خانگی، ریشه‌های گیاهان را با بتن ترکیب کردند تا ببینند آیا می‌توانند محصولی قوی‌تر و سازگارتر با محیط زیست تولید کنند یا خیر. این ماده جدید که ترکیب سیمان معمولی با نانو پلاکت‌های استخراج‌شده از هویج‌های دورریختنی است، در برابر ترک مقاوم و تا ۸۰ درصد قوی‌تر از سیمان معمولی است. این کامپوزیت نه تنها از نظر خواص مکانیکی و ساختاری از سیمان معمولی بهتر است، در تولید آن از سیمان کمتری نیز استفاده شده است.

به گفته اعضای این تیم، افزودن هویج باعث می‌شود بتن ترک نخورد. این بدان معناست که برای ساخت بتن جدید می‌توان از سیمان کمتری استفاده کرد که در نتیجه تولید دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهد. بر اساس برآوردهای آژانس بین‌المللی انرژی، تولید سیمان به‌تنهایی مسئول هفت درصد از کل انتشار گاز دی‌اکسید کربن در جهان است. محققان در این مطالعه دریافتند که افزودن نانو پلاکت‌های هویج منجر به صرفه‌جویی ۴۰ کیلوگرمی سیمان و دی‌اکسید کربن در هر متر مکعب بتن می‌شود.

جمع‌بندی

مجتمع فنی تهران :فناوری‌های جدید در حوزه تولید بتن مدت‌هاست که در سراسر دنیا در حال آزمایش هستند و در آینده نیز این روند ادامه خواهد داشت. افزودن مواد مختلف و به کارگیری ترکیب‌های جدید برای ساخت بتن در سال‌های آتی نوآوری در فناوری‌های این حوزه را سرعت خواهد بخشید.

منبع: Constro Facilitator

مترجم: بهناز دهکردی