الخرسانة البكتيرية في المنشآت الخرسانية

ما هي الخرسانة البكتيرية في المنشآت الخرسانية؟

الخرسانة هي مادة بناء تستخدم على نطاق واسع في أعمال البناء. من المعروف أن إحدى نقاط ضعف الخرسانة هي قابليتها للتصدّع. قد تحدث التشققات عندما تكون الخرسانة في حالة بلاستيكية أو بعد أن تتصلّب تمامًا. وتؤثر الشقوق الدقيقة في الخرسانة أيضًا على المتانة من خلال السماح بدخول المواد المسببة للتآكل إلى مصفوفة الخرسانة، ممّا يؤدي إلى تآكل الفولاذ وفقدان قوة الشد. قد يؤدي مثل هذا الحدوث إلى مشاكل أكثر سلبية مثل التشظّي وحتى الفشل الهيكلي المبكّر. يتطلّب إصلاح وصيانة الهياكل الخرسانية عمالة ورأس مال مكثف.

من الصعب الوصول إلى درجة الضرر بعد اكتمال البناء. الشفاء الذاتي هو الحل الممكن. هناك العديد من الطرق للشفاء الذاتي مثل الاستشفاء الذاتي البكتيري. الترسيب المعدني الناجم عن البكتيريا هو تقنية صديقة للبيئة لتعزيز قدرة الشفاء الذاتي للشقوق الخرسانية. كان الهدف من هذا البحث هو الإبلاغ عن تأثيرات المواد المضافة القائمة على البكتيريا على خصائص الخرسانة مثل مقاومة الانضغاط وقوة الشد الانقسام وقوة الانثناء ويمكن إجراء مقارنة واضحة لنقاط القوة لعينات مختلفة من الخرسانة الحيوية باستخدام بكتيريا مختلفة والخرسانة التقليدية.

علاوة على ذلك، تم فحص خصائص نفاذية الماء ومقاومة اختراق الكلوريد للعينات الخرسانية. يتم تأكيد الشفاء الذاتي أيضًا من خلال تحليل (XRD). سيتم مناقشة أنواع البكتيريا وآليتها وتحضير الخرسانة البكتيرية. بسبب الأخطاء البشرية والتعامل غير الصحيح والعمالة غير الماهرة. من الصعب أن يُحافظ المبنى الفعال على حياته التصميمية. تنشأ العديد من المشكلات مثل التجوية والشقوق والتسريبات والانحناء وما إلى ذلك بعد البناء. للتغلّب على هذا النوع من المشاكل، يتم اتخاذ العديد من الإجراءات العلاجية قبل وبعد البناء. المشكلة الشائعة الموجودة في المباني هي التشققات. قد يكون التشقق بسبب العديد من الأمور. وفيما يلي بعض أسباب تشقق الخرسانة:

1. تتمدد تقلّص الخرسانة بسبب الاختلافات في درجات الحرارة.
   
2. تسوية الهيكل.
   
3. الحمل الثقيل المطبّق على الهياكل الخرسانية.
   
4. انكماش سطح الخرسانة بسبب فقدان الماء من سطح الخرسانة.
   
5. الاهتزاز غير الكافي وقت وضع الخرسانة.
   
6. توفير غطاء غير لائق أثناء صب الخرسانة.
   
7. نسبة عالية من الاسمنت في الماء لجعل الخرسانة قابلة للتطبيق.
   
8. بسبب تآكل حديد التسليح.
   
9. العديد من المخاليط ذات الضبط السريع وأداء كسب القوة لديها إمكانية انكماش متزايدة.
   

هذه المشاكل الشائعة المتمثلة في التشققات في المبنى لها العديد من العلاجات قبل الشق وبعده. إحدى العمليات العلاجية هي الخرسانة البكتيرية. تُعرف عملية الإصلاح الذاتي للشقوق أو الملء الذاتي للشقوق بمساعدة التفاعل البكتيري في الخرسانة بعد التصلّب باسم الخرسانة ذاتية الشفاء. يمكن ملاحظة أن الشقوق الصغيرة التي تحدث في هيكل عرض في حدود 0.05 إلى 0.1 مم يتم غلقها بالكامل في دورات جافة ورطبة متكررة. آلية هذا الشفاء الذاتي هي أن عرض النطاق 0.05-0.1 مم يعمل كشعري وتتسرب جزيئات الماء عبر الشقوق.

تعمل جزيئات الماء هذه على ترطيب الأسمنت قبل التفاعل أو الجزئي ويتمدد الأسمنت، والذي بدوره يملأ الشق. ولكن عندما تكون الشقوق ذات عرض أكبر، تكون هناك حاجة إلى أعمال علاجية أخرى. إحدى التقنيات الممكنة التي يجري دراستها وتطويرها حاليًا كانت تعتمد على استخدام البكتيريا المنتجة للمعادن في الخرسانة. البكتيريا المستخدمة في الشفاء الذاتي للشقوق هي بكتيريا منتجة للحمض. يمكن أن تكون هذه الأنواع من البكتيريا في خلية نائمة وتكون قابلة للحياة لأكثر من 200 عام في ظل الظروف الجافة. تعمل هذه البكتيريا كعامل مساعد في عملية التئام الشقوق.

أنواع البكتيريا المستخدمة في الخرسانة البكتيرية في المنشآت الخرسانية:

توجد أنواع مختلفة من البكتيريا التي استخدمت في البناء الخرساني البكتيري وهي:

1. العصيات المبسترة (Bacillus pasteurizing).
   
2. عصيات البيئة الملوثة (Bacillus sphaericus).
   
3. الاشريكيات القولونية (Escherichia coli).
   
4. العصيات الرقيقة (Bacillus cohnii).
   
5. العصيات المفككة (Bacillus cohnii).
   

آلية الخرسانة البكتيرية في المنشآت الخرسانية:

الخرسانة ذاتية الشفاء هي نتيجة التفاعلات المتعددة البيولوجية للحجر الجيري غير المتفاعل والمغذيات القائمة على الكالسيوم بمساعدة البكتيريا لعلاج التشققات التي ظهرت على المبنى. يتم استخدام نوع خاص من البكتيريا المعروفة باسم العصوية (Bacillus) جنبًا إلى جنب مع مغذيات الكالسيوم المعروفة باسم (Calcium Lactate). أثناء تحضير الخرسانة، تضاف هذه المنتجات إلى الخرسانة الرطبة عند الانتهاء من الخلط. يمكن أن تكون هذه البكتيريا في مرحلة نائمة لمدة 200 عام تقريبًا.

عندما حدوث الشقوق في سطح الخرسانة، يتسرب الماء في الشقوق. تنبت جراثيم البكتيريا وتبدأ في التغذية على لاكتات الكالسيوم التي تستهلك الأكسجين. يتم تحويل لاكتات الكالسيوم القابلة للذوبان إلى حجر جيري غير قابل للذوبان. يبدأ الحجر الجيري غير القابل للذوبان في التصلّب. وبذلك يتم ملء التشققات بشكل آلي بدون أي مساعدة خارجية. الميزة الأخرى لهذه العملية هي أن الأكسجين تستهلكه البكتيريا لتحويل الكالسيوم إلى حجر جيري، فهو يساعد في منع تآكل الفولاذ بسبب التشققات. هذا يحسّن من متانة البناء الخرساني المسلّح.

تحضير الخرسانة البكتيرية المستخدمة في المنشآت الخرسانية:

يمكن تحضير الخرسانة البكتيرية بطريقتين، وهما:

1. طريقة التطبيق المباشر.
   
2. طريقة التغليف في الخرسانة خفيفة الوزن.
   

في طريقة التطبيق المباشر، يتم إضافة الجراثيم البكتيرية إلى الخرسانة مباشرة عند خلط الخرسانة. إنّ استخدام هذه البكتيريا لا يغير من خصائص الخرسانة الطبيعية. عندما تحدث تشققات في الهيكل لأسباب واضحة. تتعرّض البكتيريا للتغيرات المناخية. عندما يتلامس الماء مع هذه البكتيريا، فإنّها تنبت وتتغذى على لاكتات الكالسيوم وتنتج الحجر الجيري. وبالتالي تَسدّ الشقوق. أمّا عن طريق طريقة التغليف، توضع البكتيريا وطعامها، أيّ لاكتات الكالسيوم، داخل كريات طينية مُعالجة ويتم تحضير الخرسانة.

يتم إضافة حوالي 6% من حبيبات الطين لصنع الخرسانة البكتيرية. عندما تصنع الهياكل الخرسانية من الخرسانة البكتيرية، عندما يحدث الشق في الهيكل وتتكسر حبيبات الطين وتنبت البكتيريا وتأكل لاكتات الكالسيوم وتنتج الحجر الجيري الذي يصلب وبالتالي يسد الشق. يمكن معالجة الشقوق الصغيرة التي يبلغ عرضها 0.5 مم باستخدام الخرسانة البكتيرية. من بين هاتين الطريقتين، يتم استخدام طريقة التغليف بشكل شائع، على الرغم من أنها أكثر تكلفة من التطبيق المباشر.

العملية الكيميائية للخرسانة البكتيرية المستخدمة في المنشآت الخرسانية:

عندما يتلامس الماء مع الكالسيوم غير المائي في الخرسانة، يتم إنتاج هيدروكسيد الكالسيوم بمساعدة البكتيريا التي تعمل كعامل مساعد. يتفاعل هيدروكسيد الكالسيوم هذا مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ويشكّل الحجر الجيري والماء. يحافظ جزيء الماء الإضافي هذا على استمرار التفاعل. ثم يُصلّب الحجر الجيري نفسه ويغلق الشقوق في الخرسانة.

مزايا الخرسانة البكتيرية المستخدمة في المنشآت الخرسانية:

1. الإصلاح الذاتي للشقوق دون أي مساعدة خارجية.
   
2. زيادة كبيرة في مقاومة الانضغاط وقوة الانحناء بالمقارنة مع الخرسانة العادية.
   
3. مقاومة هجمات تجميد الذوبان.
   
4. انخفاض في نفاذية الخرسانة.
   
5. تُقلّل من تآكل الفولاذ بسبب التشققات وتحسّن متانة الخرسانة المسلّحة بالفولاذ.
   
6. البكتيريا العصوية غير ضارة بحياة الإنسان وبالتالي يمكن استخدامها بشكل فعّال.
   

عيوب الخرسانة البكتيرية المستخدمة في المنشآت الخرسانية:

1. تكلفة الخرسانة البكتيرية ضِعف تكلفة الخرسانة التقليدية.
   
2. نمو البكتيريا ليس جيدًا في أي جو أو وسط.
   
3. تشكل حبيبات الطين التي تحمل عامل الشفاء الذاتي 20% من حجم الخرسانة. قد يصبح هذا منطقة قص أو منطقة صدع في الخرسانة.
   
4. لا يتوفر هنا تصميم خليط الخرسانة مع البكتيريا في أيّ كود من كودات المعهد البريطاني أو أي كود آخر.
   
5. التحقيق في ترسيب الكالسيت مُكلف.