يقول البعض أن هناك نوعين من الخرسانة – متشققة وعلى حافة التشقق. ولكن ماذا لو كانت الخرسانة قادرة على شفاء نفسها عندما تتشقق؟
نحن جزء من فريق من علماء المواد وعلماء الأحياء الدقيقة الذين قاموا بتسخير قوة البكتيريا لإنشاء ألياف بيولوجية تشير النتائج الأولية إلى أنها يمكن أن تعالج الشقوق في الخرسانة. نحن نعمل على تقنية يمكنها، إذا نجحنا في حل مكامن الخلل وطرحها في السوق يومًا ما، إطالة عمر الخرسانة.
تكسير الخرسانة
تصور جسرًا معرضًا للثلوج والأمطار وتغيرات درجات الحرارة والشاحنات التي تحمل أحمالًا ثقيلة. سوف تتطور الخرسانة الموجودة على الجسر تدريجياً إلى تشققات بسبب الإجهاد والتآكل. مع مرور الوقت، تتوسع هذه الشقوق، مما يسمح للماء والمواد المسببة للتآكل التي تضعف الخرسانة بالاختراق إلى الأسفل.
وفي مرحلة ما، يتعين على السلطات المحلية أن تدفع تكاليف الإصلاحات، وهي ليست باهظة الثمن فحسب، بل تعطل أيضًا حركة المرور وتستنزف الموارد العامة.
الآن، فكر في مريض يتعافى من إصابة خطيرة. عندما تتعرف خلايا المريض على الضرر، فإنها تطلق عوامل شفاء صغيرة – مثل أطقم الإصلاح المجهرية. تستهدف هذه العوامل المنطقة المصابة وإصلاح الأنسجة واستعادة وظائف الخلايا. ماذا لو كان للخرسانة نفس القدرة على الشفاء الذاتي مثل الأنسجة البشرية؟
خرسانة ذاتية الشفاء
كان فريقنا في مختبر مواد البنية التحتية المتقدمة في جامعة دريكسيل مستوحى من الأنسجة ذاتية الشفاء في جسم الإنسان. قمنا بتطوير إضافة للخرسانة نسميها BioFiber.
للألياف الحيوية ثلاث وظائف أساسية: تشفي نفسها من تلقاء نفسها، وتمنع الشقوق من التوسع على نطاق أوسع، وتبقى سليمة داخل الخرسانة عندما لا تكون هناك أي شقوق.
يحتوي كل BioFiber على ثلاثة مكونات رئيسية: ألياف أساسية صلبة مصنوعة من بوليمر يسمى كحول البولي فينيل، وطبقة مسامية من هيدروجيل مملوءة بـ ليسينيباسيلوس كرويكوس البكتيريا، وقشرة خارجية تستجيب للضرر. عندما تضرب الشقوق مادة BioFiber، تنكسر قشرتها الخارجية وتطلق البكتيريا في الشقوق، مما يبدأ عملية الشفاء الذاتي.
تعمل الألياف الأساسية القوية في BioFiber على سد الشقوق وتمنعها من النمو على نطاق أوسع أثناء عملية الشفاء.
تتكون طبقة الهيدروجيل المحيطة بالألياف الأساسية من شبكة من سلاسل البوليمر على المستوى الجزيئي التي تجذب الماء. يمكن لبنيتها الإسفنجية أن تمتص وتحتفظ بكميات كبيرة من الماء. أثناء عملية الإنتاج، نضيف الكالسيوم لمساعدة الهيدروجيل على التصلب.
يتكون الهيدروجيل نفسه من بوليمر طبيعي موجود في الأعشاب البحرية يسمى ألجينات، وله خصائص خاصة تسمح له بحبس البكتيريا. الجينات ليست سامة بل إنها آمنة للتطبيقات الطبية الحيوية مثل توصيل الأدوية وهندسة الأنسجة.
يحتوي الهيدروجيل على الأبواغ الداخلية، وهي بكتيريا نائمة. بمجرد أن تتشقق القشرة الخارجية وتستيقظ الأبواغ الداخلية من حالة السبات، فإنها تسهل عملية الشفاء الذاتي.
تفعيل البايوفايبر
تحتاج الأبواغ الداخلية إلى الماء لتنشط. ولحسن الحظ، تمتص طبقة الهيدروجيل الوسطى الماء جيدًا. عندما تتشقق الخرسانة، وتتسرب المياه من المطر أو الرطوبة أو جريان المياه في الشوارع، تستيقظ الجراثيم.
تستوعب الجراثيم الكربون الذي نضيفه خصيصًا إلى الخليط الخرساني، وكذلك الكالسيوم الموجود في الخرسانة نفسها. باستخدام هذه المواد، تسهل البكتيريا تفاعلًا كيميائيًا يسمى ترسيب كربونات الكالسيوم المستحث ميكروبيًا، أو MICCP. ينتج عن هذا التفاعل بلورات كربونات الكالسيوم، والتي تتراكم وتملأ الشقوق في الخرسانة.
يختلف شكل البلورة، من شكل كروي إلى شكل إبرة، وكل شكل قوي بما يكفي لشفاء الشقوق. يمكننا تغيير نوع البلورات التي تنتجها البكتيريا عن طريق تغيير مستوى الرقم الهيدروجيني ومصدر الكالسيوم ونوع البكتيريا.
تعمل الخرسانة كمادة صلبة وصلبة لأنها عبارة عن خليط من الأسمنت والرمل والحصى والماء. نقوم بإضافة الألياف الحيوية إلى المزيج ونوزعها أثناء خلط الخرسانة، مما يضمن توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الخليط.
بمجرد انتهاء عملية الشفاء الذاتي وموت البكتيريا، تنتهي عملية تنشيط الألياف الحيوية، ولن تتمكن من الشفاء بعد الآن. ولكن بما أن الخرسانة تحتوي على العديد من الألياف الحيوية الموزعة في جميع أنحاء الخرسانة، فيمكن لألياف أخرى إصلاح الشق التالي. في الوقت الحالي، لا نعرف عدد الشقوق التي يمكن لخرسانة BioFiber أن تعالجها، ونحن نجري المزيد من الأبحاث لمعرفة ذلك.
لتغذية البكتيريا، نضيف كمية الطعام التي تحتاجها للبقاء على قيد الحياة ومعالجة الشقوق، اعتمادًا على عدد الشقوق التي نتوقع أن يتعين عليها إصلاحها. وعندما تنفد البكتيريا من الطعام، تتوقف العملية. يمكن أن تعيش البكتيريا لمدة أسبوعين تقريبًا أثناء عملية الشفاء.
في حين أن BioFiber يبدو واعدًا في البداية، إلا أنه يعاني من عيوب، مما قد يجعل تصنيعه على نطاق أوسع أمرًا صعبًا. إن عملية التصنيع والمواد المستخدمة متخصصة وليست دائمًا ميسورة التكلفة وعملية. في حين تشير اختباراتنا الأولى إلى أن BioFiber يطيل عمر الخرسانة، سنحتاج إلى المزيد من الاختبارات، بما في ذلك التجارب الميدانية، للتحقق من تلك النتائج المبكرة.
نأمل أن نتمكن في نهاية المطاف من تسويق وتصنيع الألياف على نطاقات إنتاجية أكبر، بينما نواصل في هذه الأثناء إجراء الاختبارات ودراسة كيفية تحسين قدرات BioFiber على الشفاء الذاتي. نود أن ندخل هذه الألياف يومًا ما إلى الطرق والأرصفة لمنع تشقق الخرسانة القديمة.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. بقلم : محمد هوشمند . جامعة دريكسيل ويعقوب فرنام، جامعة دريكسيل
اقرأ أكثر:
يعمل محمد هوشمند في جامعة دريكسيل. يتلقى تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم.
يعقوب فرنام يتلقى تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم. بالإضافة إلى دوره كأستاذ مشارك في جامعة دريكسيل، فهو مؤسس مشارك ومستشار فني أول لشركة SusMaX Inc.