مواد و مصالح هوشمند زمینه تحقیقاتی نوظهوری را به دست داده‌‌اند که در سال‌های اخیر کاربردهای بسیاری برای آن‌ها در زیرساخت‌های عمرانی مدنظر قرار گرفته شده است. بتن هوشمند از جمله مهم‌ترین و پرکاربردترین مصالح هوشمند به شمار می‌رود که مزایای بالقوه‌‌ای را در جنبه‌های مختلف به دست می‌دهد. در این مطلب قصد داریم که به طور مفصل به بررسی بتن هوشمند و انواع آن و مهم‌ترین کاربردهای هر یک از آن‌ها بپردازیم.
بتن هوشمند چیست؟
بتن هوشمند در واقع نشانگر توسعه و ساخت بتن‌هایی است که علاوه بر عملکرد و مقاومت بالا از مزایای چند کاربردی و هوشمند بودن نیز برخوردار باشند. بتن هوشمند نسل جدیدی از مواد بتنی است که از قابلیت تطبیق پذیری با محرک‌های بیرونی مانند بار و شرایط محیطی برخوردار است. بتن هوشمند اصطلاح جامعی است و به انواع مختلفی از بتن اطلاق می‌شود که در ادامه به هر یک از آن‌ها خواهیم پرداخت.
انواع بتن هوشمند
بتن هوشمند بر اساس مواد و مصالحی که در ساخت آن‌ها به کار برده می‌شود و همچنین بر اساس این که در فرآوری آن‌ها از چه فناوری استفاده می‌شود به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شود که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به چند نوع زیر اشاره کرد:
- بتن خود ترمیم شونده
- بتن خود تنظیم
- بتن خود گرمازا
- بتن خود تمیز شونده
- بتن خود تراکم
- بتون خود حسگر
بتن خود ترمیم شونده
در مقالاتی که پیش‌تر در ویکی ساختمون منتشر شده‌اند به طور مفصل به چگونگی ساخت و عملکرد بتن‌های خود ترمیم شونده پرداخته شده است. از همین رو در این بخش تنها به ارائه شرح مختصری بر این بتن بسنده خواهیم کرد.
بیشتر بخوانید: بتن خود ترمیم شونده چیست؟ تکنولوژی آن و نکاتی که باید بدانید
بتن خود ترمیم شونده در واقع از توانایی تعمیر و رفع ترک‌هایی که عمدتاً به وسیله مقاومت کششی پایین در بتن ایجاد شده برخوردار است. استحکام و پایداری بتن توسط این ترک‌ها که مجرای بسیار مناسبی برای عبور سیالات و گازها است تهدید می‌شود. علاوه بر ساختار خود بتن، در صورتی که ترک‌ها برطرف نشوند و پیشرفت آن‌ها ادامه یابد به احتمال زیاد آرماتوربندی بتن نیز آسیب‌های جدی خواهد دید؛ بنابراین کنترل پهنا و عمق این ترک‌ها در اسرع زمان ممکن از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
خود ترمیم‌شدگی در بتن‌ها یک پدیده شناخته شده است و به صورت‌های بسیار مختلفی در بتن تهبیه شده است که یکی از رایج‌ترین آن‌ها خود ترمیم‌شدگی خودزا است که بر اساس آن خود ترمیم‌شدگی در بتن‌ها به دلیل هیدراسیون مواد کلینکر یا کربنات سازی کلسیم هیدروکسید صورت می‌گیرد. با این وجود خاصیت ترمیم‌شدگی در بتن‌های هوشمند به ترک‌های کوچک محدود است و تنها در صورت وجود آب از کارایی لازم برخوردار خواهد بود.
از دیگر روش‌های به کار گرفته شده در بتن‌های خود ترمیم شونده می‌توان به روش خود ترمیم‌شدگی مبتنی بر کپسول، روش خود ترمیم‌شدگی آوندی (vascular)، روش خود ترمیم‌شدگی مبتنی بر رسوب دهی الکتریکی (electrodeposition)، روش خود ترمیم‌شدگی میکروبی و خود ترمیم‌شدگی با استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار اشاره کرد.
بتن خود تنظیم
بتن خود تنظیم شونده (self-adjusting) یکی دیگر از انواع بتن هوشمند است. ویژگی خود تنظیم شدگی در این بتن‌ها به معنای توانایی بتن درواکنش مناسب به تغییرات بارگذاری یا محیطی است. بتن‌های خود تنظیم نیز شامل انواع مختلفی می‌شود که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به بتن‌های خود تنظیم حرارتی، بتن‌های خود تنظیم رطوبتی و بتن‌های خود میرایی (self-damping) اشاره کرد.
بتن‌های خود تنظیم آسیب‌های وارد شده از حوادث مختلف را کاهش می‌دهند، آسایش و راحتی افرادی که از سازه‌های ساخته شده با این نوع از بتن‌ها استفاده می‌کنند را افزایش و پایایی و عملکرد سازه را ارتقا می‌دهد. کاربردهای بسیار گسترده‌ای برای این نوع از بتن‌های هوشمند در سازه‌های مهندسی عمران به ویژه برای ساختمان‌های بلند، پل‌های بزرگ، خطوط راه آهن پرسرعت و نیروگاه‌های اتمی در نظر گرفته شده است.
در دهه ۱۹۹۰ محققان به منظور بهبود ویژگی‌های میرایی بتن از مواد ماکرو مولکولار یا درشت مولکول استفاده کردند. به عنوان مثال دانشمند ژاپنی چانگ و تیم تحقیقاتی او، مجموعه‌ای از مطالعات را به منظور بهبود ویژگی‌های سختی و میرایی‌های بتن با استفاده از ترکیب‌هایی مانند لاتکس و سلیس صورت دادند. از دیگر مواد استفاده شده به منظور افزایش نسبت میرایی بتن می‌توان به لاتکس استایرن بوتادین کربوکسیلیک و نانوتیوب یا ریزلوله‌های کربنی اشاره کرد.
مواد تغییر فاز دهنده قابلیت جذب یا آزاد کردن گرما در هنگام تغییر حالت مواد از جامد به مایع و یا برعکس برخوردارهستند. ترکیب مصالح بتنی بامواد تغییر فاز دهنده ذخیره ساز گرما به تولید و ساخت بتن‌های خود تنظیم شونده حرارتی منجر شد که می‌توان از آن‌ها به منظور افزایش آسایش حرارتی در فضای درونی ساختمان‌ها و صرفه جویی در انرژی استفاده کرد.
محققان ژاپنی به منظور ساخت بتن‌های خود تنظیم شونده رطوبتی و استفاده از آن‌ها در گالری‌های هنری و موزه‌ها اقدام به ترکیب کردن مصالح بتنی با پودر زئولیت کردند. پودر زئولیت به کار برده شده در بتن به دلیل ساختار متخلخلی که دارد، می‌تواند در موقع بالا رفتن رطوبت محیط نسبت به جذب آب و رطوبت فضای داخلی اقدام کند.
بتن هوشمند گرمازا
یکی دیگر از انواع بتن‌های هوشمند نوع گرمازا است که در واقع اشاره به بتنی دارد که از روش گرمایش مقاومتی الکتریکی و اثر ژول بهره می‌برد. به همین دلیل است که برخی آن‌ها را بتن‌های الکتروترمال هم می‌نامند. بتن رایج در صنعت ساختمان سازی به طور معمول رسانای جریان برق نیستند و مقاومت آن‌ها به منظور بالا بردن کارآمد دمای آن‌ها بسیار بالا است و از همین رو باید با اضافه کردن پرکننده‌های رسانای الکتریسیته مانند فیبر‌های کربن، فیبر‌های فولادی و گرافیت این مقاومت را کاهش داد.
بتن هوشمند خود تراکم
بتن خودتراکم، بتن تازه‌ای است که از سه ویژگی، توانایی جریان یافتن تحت وزن خود، پر کردن فضای موردنیاز یا قالب به طور کامل و ایجاد یک مخلوط چگال و به اندازه کافی همگن را بدون نیاز به عملیات تراکم همزمان برخوردار است. از مزایای بتن خود تراکم می‌توان به افزایش سرعت اجرای بتن ریزی و در نتیجه کاهش زمان ساخت سازه و صرفه جویی اقتصادی به ویژه در المان‌های افقی مانند دال‌ها، فراهم کردن امکان بتن‌ریزی در شب در مناطق شهری، امکان ساخت سازه‌های بتنی ویژه، مانند بتن‌ریزی در زیر آب اشاره کرد.
بتن خود تمیز شونده
فتوکاتالیت‌ها یا کاتالیزورهای نوری برای دادن ویژگی خودتمیزشدگی در بتن‌های هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرند. وقتی فتوکاتالیست‌ها درون یا روی ساختار بتن استفاده می‌شوند، مواد آلی نظیر لکه‌های کثیف شامل دوده، روغن، ارگانیسم‌های زیستی شامل کپک، جلبک، آلاینده‌های موجود در هوا و حتی مواد شیمیایی که باعث بو می‌شوند را تجزیه می‌کنند. ترکیبات تولید شده در اثر تجزیه این آلودگی‌ها عمدتا برای محیط زیست مفید هستند و یا در بدترین حالت تاثیر منفی کمی بر محیط زیست می‌گذارند.
بتن خود حسگر
بتن خود حسگر (Self-sensing) که خود احساس نیز خوانده می‌شود یکی دیگر از انواع پرکاربرد بتن هوشمند است. بتن خود حسگر می‌تواند بدون نیاز به جاگذاری یا اتصال حسگر یا کنترل از راه دور، خود را پایش کند. در مقایسه با مواد سازهای معمولی که نیاز به حسگرهای اضافی برای پایش یا ردیابی هست، بتن خود حسگر به دلایل همچون حساسیت بالا، خاصیت خوب مکانیکی، سازگاری طبیعی، نصب و نگهداری آسان بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
بتن خود حسگر می‌تواند برای بررسی سلامتی سازهای، ردیابی ترافیک و امنیت مرزی و نظامی به کار رود. مواد به کار رفته در ساخت بتن خود حسگر به سه دسته ماتریکس یا زمینه، فیلر یا پرکننده و مواد کمک کننده به پراکنش فیلر تقسیم می‌شوند.
سخن آخر
با پیشرفت فناوری هر ساله انواع جدیدی از بتن‌های هوشمند ساخته می‌شوند. بسیاری از این بتن‌ها می‌توانند صنعت ساخت‌وساز در حوزه‌های مختلف را به طور کامل دگرگون سازند ولی مسلما استفاده آن در مقیاس وسیع به گذر زمان و فناوری‌های جدید ساخت و فرآوری بستگی خواهد داشت.
