- ترمیم ترکهای سیمان تا عمق ۲ میلیمتر در ۴ ساعت
- بازیابی ۶۲٪ استحکام فشاری و ۵۹٪ استحکام کششی پس از آسیب
- افزایش ۲ برابری طول عمر سازههای بتنی
- صرفهجویی سالانه ۳.۴ میلیارد دلار در هزینههای نگهداری زیرساختهای آمریکا
- کاهش ۹۰ درصدی ترکخوردگی و افزایش ۷۰ درصدی شکلپذیری
به گزارش صما، محققان آزمایشگاه ملی شمالغرب اقیانوس آرام (PNNL) وابسته به وزارت انرژی آمریکا، فناوری جدیدی برای سیمان خودترمیمشونده توسعه دادهاند که با استفاده از کمتر از ۰.۱۵ درصد پلیمر، ترکهای سیمان را ظرف چند ساعت ترمیم میکند و استحکام را در چندین سیکل آسیب-ترمیم بازیابی مینماید. این دستاورد میتواند هزینههای تعمیر و نگهداری زیرساختها را به شدت کاهش داده و طول عمر سازههای بتنی را تا دو برابر افزایش دهد.
مکانیسم عملکرد فناوری چسب مولکولی
محققان PNNL با افزودن مقدار بسیار کمی از یک کمپلکس پلیمری سهگانه (شامل پلیاکریلیک اسید، پلیاتیلن اکساید و پلیاتیلن ایمین شاخهدار) به سیمان، موفق به ایجاد مادهای شدهاند که میتواند به طور خودکار ترکها را ترمیم کند. مکانیسم عملکرد این فناوری بر دو اصل کلیدی استوار است:
۱. انتقال سریع پلیمر در مقیاس منافذ: هنگامی که ترک در سیمان ایجاد میشود، پلیمرهای ذخیرهشده در سراسر ماده، به سرعت به سمت سطح ترک مهاجرت میکنند. تصویربرداری با میکروسکوپ رامان نشان داده که این فرآیند از سینتیک دو مرحلهای پیروی میکند: یک مرحله سریع با ثابت زمانی حدود ۱۰ تا ۱۴ دقیقه و یک مرحله آرامتر با ثابت زمانی حدود ۹ ساعت که نشاندهنده انتقال اولیه پلیمر و سپس بازآرایی و تثبیت سطوح آسیبدیده است.
۲. پیوند شیمیایی برگشتپذیر (چسب مولکولی): پلیمرها با محصولات هیدراتاسیون سیمان (مانند یونهای کلسیم در ساختار C-S-H) پیوندهای الکترواستاتیکی و هیدروژنی برگشتپذیر برقرار میکنند. این پدیده که تیم تحقیقاتی آن را «چسب مولکولی» مینامند، باعث میشود پلیمر به سطح ترک متصل شده و آن را پر کند، درست مانند عملکرد نوار چسب (ولکرو) در مقیاس مولکولی.
نتایج آزمایشها و عملکرد
آزمایشهای انجامشده در PNNL نتایج قابلتوجهی را نشان داده است. میزان پلیمر مصرفی کمتر از ۰.۱۵ درصد وزنی (۰.۱۳٪ در برخی فرمولها) است. ترک به عمق حدود ۲ میلیمتر در ظرف ۴ ساعت ترمیم میشود (نرخ ترمیم حدود ۱۰ میلیمتر در روز). بازیابی استحکام فشاری تا ۶۲٪ و استحکام کششی تا ۵۹٪ پس از آسیب است. عملکرد در ۶ سیکل آسیب-ترمیم متوالی حفظ میشود. شکلپذیری نسبت به سیمان معمولی ۷۰ درصد افزایش یافته و ترکخوردگی تا ۹۰ درصد کاهش مییابد. طول عمر سازه تا ۲ برابر افزایش مییابد و ماده در دماهای تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد عملکرد خود را حفظ میکند. طبق اعلام PNNL، نمونههای آزمایشی این ماده به مدت ۵ سال بارها تخریب شده و همچنان رفتار خودترمیمی را نشان دادهاند.
کاربردهای صنعتی و صرفهجویی اقتصادی
این فناوری در ابتدا با هدف رفع مشکل ترکخوردگی سیمان در چاههای انرژی زمینگرمایی توسعه یافته است. آمارها نشان میدهد که حدود ۷ درصد از چاههای زمینگرمایی به دلیل مشکلات سیمان دچار شکست میشوند که هزینههای تعمیر هر کدام بیش از ۱.۵ میلیون دلار است. سایر کاربردهای کلیدی این فناوری شامل زیرساختهای حیاتی مانند سدها، پلها، جادهها و ساختمانهای بلند، صنایع انرژی مانند چاههای نفت و گاز، ذخیرهسازی کربن، نیروگاههای هستهای و برقآبی، و تاسیسات زیرزمینی مانند دفع زبالههای هستهای و ذخیرهسازی بلندمدت است. برآورد شده که این فناوری میتواند سالانه تا ۳.۴ میلیارد دلار در هزینههای تعمیر و نگهداری زیرساختهای آمریکا صرفهجویی ایجاد کند.
وضعیت مالکیت فکری و تجاریسازی
تیم PNNL دارای دو حق اختراع اعطا شده و دو حق اختراع در انتظار برای این فناوری است. این فناوری با نام تجاری PaNaCEM™ (ترکیبی از واژههای Panacea به معنی درمانبخش و Cement) برای صدور مجوز در تمامی حوزهها در دسترس است. هزینه تولید این سیمان تنها حدود ۵ درصد بیشتر از سیمان معمولی است و افزودنی آن نیز کمهزینه محسوب میشود. تیم PNNL در حال همکاری با شرکای صنعتی برای تجاریسازی و ورود به بازار است. در یک پروژه سهساله با صنعت (CRADA)، نمونههای این سیمان در یک چاه زمینگرمایی فعال در نیوبری (Well ۵۵-۲۹) نصب شده و عملکرد آن در شرایط واقعی مورد آزمایش قرار گرفته است.
مزایای زیستمحیطی
صنعت سیمان مسئول انتشار حدود ۸ تا ۹ درصد از کل CO₂ تولیدی انسان و حدود ۲ تا ۳ درصد از مصرف انرژی جهانی است. با افزایش دو برابری طول عمر سازههای بتنی، این فناوری میتواند به طور غیرمستقیم به کاهش انتشار کربن ناشی از تولید سیمان جدید کمک کند.
