بتن هوشمند چیست؟

بتن هوشمند یک مفهوم نسبتاً جدید است در نظر داشته باشید که بتن به طور گسترده ای به عنوان یک ماده مرکب برای انواع سازه ها استفاده می شود، اما خود بتن فاقد استحکام کششی بوده و در نتیجه می تواند به راحتی ترک بخورد. بنابراین بتن به صورت مداوم باید از این نظر کاملاً بررسی شده و تعمیرات مناسب و به موقع انجام شود تا کیفیت بتن افت نکند. به این ترتیب ایمنی و پایداری سازه های مختلف حفظ می شود. پیشرفت تکنولوژی منجر به ایجاد روش های ویژه برای حل این مشکلات شده است از جمله تولید بتن هوشمند که در ادامه مطلب مورد بررسی قرار می گیرد.

بتن هوشمند چیست؟

بتن هوشمند یک مفهوم نسبتاً جدید در علم ساختمان و مهندسی عمران است. این مفهوم به استفاده از فناوری های نوآورانه و دیجیتالی در تولید و مدیریت بتن اشاره دارد تا عملکرد و انعطاف ‌پذیری بتن در مواجهه با نیازهای مختلف ساختمانی بهبود یابد. بتن هوشمند ممکن است دارای ویژگی ‌های دیجیتالی باشد که به مهندسین و سازندگان این امکان را می دهد تا بهبودهای عمده ای را در طراحی و ساخت سازه‌ ها داشته باشند. برخی از ویژگی ‌ها و فناوری ‌های روتین در بتن هوشمند عبارتند از:

• سنسورها: سنسورها می ‌توانند در بتن نصب شوند تا اطلاعاتی از محیط مانند دما، فشار، تراکم و وضعیت ترازویی بتن جمع‌آوری کنند. این اطلاعات می‌توانند به منظور نظارت بر عملکرد و سلامت سازه‌ ها مفید باشند. یکی از فرآیندهای جدید برای تعیین ترک، اتصال سنسورها به سازه است، اما هزینه نصب آن پرهزینه است.
• نانو مواد: اضافه کردن نانو مواد به بتن می‌تواند خصوصیات مکانیکی و مقاومتی بتن، مانند مقاومت به فشار و کشش و همچنین مقاومت در برابر سایش و فرسایش را بهبود بخشد.
• تکنولوژی های خود بهبودی: بتن هوشمند ممکن است دارای تکنولوژی ‌هایی باشد که به طور خودکار مشکلات و خرابی ‌های احتمالی در ساختمان را تشخیص داده و اصلاح کند.
• هوش مصنوعی: هوش مصنوعی و تحلیل داده‌ ها می‌تواند به مهندسین کمک کند تا عملکرد بتن و سازه ‌ها را بهبود بخشند و مشکلات را پیش‌ بینی کنند.
• مانیتورینگ پیشرفته: با استفاده از سیستم‌ های مانیتورینگ پیشرفته، می‌ توان عملکرد بتن و سازه ‌ها را به طور مداوم نظارت کرد و در صورت لزوم تصمیم‌ گیری هایی در خصوص تعمیر و نگهداری بهتر را انجام داد.

فناوری بتن هوشمند جدیدترین مفهوم برای بررسی سلامت سازه های بتن مسلح است. بتن با فیبر کربن که 0.2 تا 0.5 درصد از حجم را تشکیل می دهد، تقویت شده و می تواند فشار روی سازه بتنی را از قبل تعیین کند.

با افزودن مقدار کمی الیاف کربن کوتاه به بتن با میکسر سنتی برای تغییر مقاومت الکتریکی، بتن با توجه به کشش یا فشار، کاربردی تر می شود.  بر این اساس، تماس بین الیاف و ماتریس سیمان هنگامی که بتن تغییر شکل داده یا تحت فشار است، تحت تاثیر قرار می گیرد، بنابراین این تماس بر مقاومت الکتریکی حجم بتن تأثیر می گذارد.

بتن هوشمند این توانایی را دارد که نقاط ضعف سازه ای بسیار کوچک را قبل از اینکه قابل توجه شود تشخیص دهد و در نتیجه در بررسی شرایط داخلی سازه به ویژه پس از زلزله قابل استفاده باشد. علاوه بر این، شناسایی ترک ‌های کوچک توسط بتن هوشمند، امکان توقف توسعه ترک‌ ها در بتن سنتی و تقویت آن را برای قوی‌ تر کردن بتن فراهم می کند. علاوه بر این، خم کردن بتن هوشمند به قدرت زیادی نیاز دارد و قبل از شکستن انرژی بیشتری مصرف می کند.

بتن هوشمند همچنین می تواند در ساخت بزرگراه ها استفاده شود، زیرا به راحتی می تواند وزن وسیله نقلیه را تحمل کند. جاده های ساخته شده با بتن هوشمند می توانند موقعیت، وزن و سرعت وسیله نقلیه را تشخیص دهند.

انواع بتن هوشمند

انواع بتن هوشمند شامل موارد زیر می‌شود:

• بتن هوشمند گرمازا

این نوع بتن طبق آخرین تکنولوژی جهانی طراحی و تولید می ‌شود. بتن گرمازا با سنسورهای حساس به دما تجهیز شده است و به عنوان یک نوع مانیتورینگ برای کنترل درجه حرارت و تغییرات دمایی در شرایط مختلف عمل می‌کند.

برای افزایش قابلیت انتقال حرارت بتن و تولید انرژی گرمایی، از نانو ذرات مانند TiO₂، Al₂O₃، Fe₂O₃ و پارافین حاوی نانو کپسول‌های پلیمری و الیاف فلزی در بتن استفاده می شود. بتن گرمازا برای باز کردن مسیرهای جاده، باند های فرودگاه و پل ‌هایی که در اثر بارش برف مسدود می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.استفاده از این نوع بتن به کاهش هزینه ‌های روسازی و نگهداری جاده‌ ها، بهبود ترافیک در فصل سرما، و کاهش تصادفات و خسارت‌ های مالی منجر می ‌شود و نیاز به پاشش نمک روی جاده‌ ها و معابر ندارد.

• بتن هوشمند ضد انفجار

مقاومت و فشردگی بتن هوشمند ضد انفجار با توجه به شدت ضربات احتمالی به آن افزایش می‌ یابد. بتن ضد انفجار در مکان‌هایی نظیر صنایع پتروشیمی، پالایشگاه، نیروگاه و سدها که حفاظت از سازه‌ ها امری حیاتی است، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این نوع بتن به هنگام تحمل ضربه دینامیکی وارد شده، مقاومت به کشش آن 3 برابر مقاومت به فشاری افزایش می‌دهد و در شرایط حضور بمب‌ های آتش ‌زا عملکرد بسیار عالی دارد.

• بتن هوشمند خودترمیم ‌شونده

هر گونه ترک یا خوردگی در سطح بتن باعث نفوذ مواد شیمیایی مضر به سازه می‌شود، به ویژه در محیط‌ های شیمیایی. برای کنترل و ترمیم ترک‌ ها، به بتن مواد نانو اضافه می‌شود تا ویژگی ترمیم‌ شوندگی آن تقویت شود. بتن خود ترمیم بهترین گزینه برای ساخت سازه‌ ها در محیط ‌های خورنده و شیمیایی است.

• بتن‌ خود تنظیم شونده

ویژگی خودتنظیم ‌شدگی در این بتن‌ ها به معنای توانایی آنها در واکنش مناسب به تغییرات محیطی است. انواع مختلفی از بتن ‌های خود تنظیم وجود دارند، از جمله بتن ‌های خود تنظیم حرارتی، بتن‌ های خود تنظیم رطوبتی و بتن‌ های خود تنظیم میراگیر. این بتن ‌ها توانایی کاهش آسیب‌ های وارد شده از حوادث مختلف را دارند و عملکرد سازه‌ ها را بهبود می ‌بخشند.

• بتن هوشمند خود تمیز شونده

این نانو بتن به دلیل عملکرد فوتوکاتالیستی، آلودگی ‌ها را حذف کرده یا کاهش می‌دهد. بتن خود تمیز شونده گزینه مناسبی برای ساخت سازه ‌های نمایان، مبلمان بتنی شهری و کف‌ پوش ‌های پیاده‌روها است که در معرض گرد و غبار و آلودگی هوا قرار دارند.

• بتن خود حسگر

این نوع بتن یکی از بتن‌ های هوشمند پرکاربرد است که می‌تواند بدون نیاز به نصب یا اتصال حسگر یا کنترل از راه دور خود را پایش کند. برای مقایسه با مواد سازه‌ای معمولی که نیاز به حسگرهای اضافی برای پایش یا ردیابی دارند، بتن خود حسگر به دلایلی همچون حساسیت بالا، خواص مکانیکی خوب، سازگاری طبیعی و نصب و نگهداری آسان بسیار مورد توجه قرار می‌گیرد.

این محصول می‌تواند برای بررسی سلامتی سازه‌ها، 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، فيلر یا پرکننده و مواد کمک کننده به پراکنش فيلر تقسیم می‌شوند.

بتن خود ترمیم شونده، خودحسگر و رسانای حرارتی برخی از محبوب ترین نمونه ها هستند. این مواد هنوز به طور گسترده اجرا نشده اند، اما هر کدام نوید قابل توجهی دارند. با پیشرفت تکنولوژی و در دسترس تر شدن گزینه های بیشتری ظاهر می شود. همانطور که این اتفاق می افتد، این نسل بعدی بتن می تواند بخش ساخت و ساز را برای همیشه مختل کند.

مزایای بتن هوشمند در ساخت و ساز

بتن هوشمند در تمام اشکال آن دارای مزایای متعددی نسبت به مصالح سنتی است. در اینجا پنج مورد از مهمترین مزایای بتن هوشمند در پروژه های ساختمانی تجاری و مسکونی آورده شده است.

• افزایش قدرت و انعطاف پذیری

تمام بتن ها معمولاً مستحکم هستند که این ویژگی یکی از دلایل محبوبیت آن ها است. اما بتن هوشمند به طور معمول توانایی تحمل بیشتری از بتن معمولی دارد. جالب است که افزایش استحکام اغلب به عنوان یک اثر جانبی از دیگر تغییرات و بهبودها در این مواد ایجاد می‌ شود، به جای اینکه هدف اصلی باشد.

به عنوان مثال، بتن پمپ شده، نسبت به بتن معمولی توانایی تحمل نیروهای بیشتری را دارد، زیرا حاوی حجم کمتری از آب است. افزودن عناصر جدید به این مخلوط‌ ها اغلب باعث افزایش استحکام آنها می‌ شود.

بسیاری از مخلوط‌ های هوشمند شامل موادی مانند فیبر کربن یا گرافیت هستند. این عناصر به عنوان میلگرد داخلی عمل می‌ کنند و پس از انجام فرآیند جامد شدن، ساختار بتن را تقویت می ‌کنند. به عبارت دیگر، ساختمان‌های ساخته شده از این مواد معمولاً مقاومت بیشتری در برابر ضربه ‌هایی مانند زلزله و بادهای شدید دارند.

بتن معمولاً مقاومت برشی کمتری نسبت به به مقاومت فشاری دارد. اما وجود فیبر کربن و گرافیت، به عنوان جایگزینی مستحکم و بدون نیاز به میلگرد اضافی که گاهی استفاده از آن منجر  به خوردگی می شود، این ضعف را تقویت می ‌کند. به عبارت دیگر، افزایش استحکام می‌تواند به بهبود ایمنی بسیار معنید ‌داری در سازه‌ ها منجر شود.

مخلوط ‌های دیگر توانایی ایجاد انعطاف ‌پذیری بیشتری در برابر عوامل متعدد مانند آب را دارند. به عنوان یک مثال، بتن کریستالی ضد آب که کیفیت آبگریزی را ارتقاء می ‌دهد، می ‌تواند آب را دفع کند و از آسیب به اجزای حساس به آب مانند میلگرد جلوگیری کند.

• شناسایی و گزارش خسارت

مزیت دیگر بتن هوشمند این است که بسیاری از انواع آن می توانند به عنوان حسگر عمل کنند. فیبر کربن، تراشه های فولادی یا مواد مشابه می توانند به آن اجازه دهند الکتریسیته را هدایت کند. مهندسان می توانند از این رسانایی برای بازرسی سازه ها از نظر آسیب با عبور جریان الکتریکی از بتن استفاده کنند.

زمانی که بتن رسانا در ساختمان دچار تاب خوردگی، ترک خوردگی یا آسیب های دیگر شود، مقاومت الکتریکی آن تغییر می کند. این تغییرات در آزمایش‌ های غیر تهاجمی ظاهر می‌ شوند و پاسخ ‌های سریع‌تری را برای جلوگیری از مشکلات بیشتر ممکن می‌ سازند. از آنجایی که این آزمایش‌ ها نیازی به حفاری ندارند، کارشناسان می‌توانند آسیب‌ ها را بدون تأثیر بر مقاومت بتن بررسی و رسیدگی کنند و ایمنی را در اطراف بهبود بخشند.

نوآوری های اخیر این تشخیص آسیب را، یک قدم جلوتر می برد. یک راه حل جدید، تعبیه حسگرهای بی سیم در بتن است که به روز رسانی وضعیت را، از طریق یک برنامه به  گوشی هوشمند ارسال می کند. هنگامی که مخلوط به قدرت کامل خود رسید یا شروع به تخریب کرد، به شخص مربوطه هشدار می دهد. سپس کارگران می توانند سازه را قبل از ایجاد اختلال عمده تعمیر کنند.

برای کاهش آسیب های وارده واکنش سریع ضروری است. در حالی که پیشگیری همیشه بهتر از درمان است، برخی از تخریب ها با گذشت زمان و استفاده اجتناب ناپذیر است. گزارش آسیب لحظه ای بتن هوشمند به تعمیرکاران این امکان را می دهد که مشکل را در اسرع وقت برطرف کنند تا از آسیب های خطرناک تر و سخت تر تعمیر جلوگیری کنند.

• خود ترمیم کنندگی

برخی از بتن های هوشمند حتی می توانند خود را در برابر ترک ها و عیوب جزئی ترمیم کنند و از ساکنان ساختمان بدون دخالت محافظت کنند. همه بتن ها دارای برخی از خواص خود ترمیم شوندگی هستند که به دلیل ترکیب مجدد و سخت شدن مواد از طریق هیدراتاسیون مداوم است. در راه حل های هوشمند سازی، مواد اضافی را برای تقویت خاصیت خود ترمیم کنندگی اضافه می کنند.

راه های زیادی برای ساخت بتن خود ترمیم شونده وجود دارد، اما یکی از محبوب ترین آنها استفاده از پلیمرهای حافظه دار (SMPs) است. SMP ها شکل خود را در پاسخ به محرک هایی مانند استرس یا تغییرات دما تغییر می دهند. بتن با این مواد در مخلوط می تواند به محض ایجاد این عیوب به طور خودکار ترک ها را پر کند یا تاب خوردگی را برطرف کند و باعث ایجاد SMP شود.

بتن خود ترمیم به ویژه برای زیر ساخت های عمومی مانند بزرگراه ها مفید است. اگر این ساختارها بتوانند خودشان را ترمیم کنند، برای تعمیر آن لازم نیست بزرگراه ها بسته شود تا به این موضوع رسیدگی گردد. جلوگیری از این اختلالات می‌تواند ترافیک را بهبود بخشد، انتشار گازهای گلخانه‌ای در حمل و نقل را به حداقل برساند و سفر را بدون به خطر انداختن ایمنی در جاده راحت ‌تر کند.

• خواص گرمایشی

بتن رسانا می تواند از طریق جریان الکتریکی یا در پاسخ به عناصر طبیعی مانند نور خورشید گرم شود. این ویژگی ‌های گرمایشی می ‌تواند پایداری ساختمان‌ ها را افزایش داده و ایمنی جاده ‌ها را بهبود بخشد.

بیشتر جاده های کشور در مناطق برفی قرار دارند و درصد قابل توجهی از تصادفات مربوط به آب و هوا از روسازی آسیب دیده ناشی می شود. با این حال، نمک زدن، شن ریزی و یخ زدایی جاده ها فرآیندی کند است. بتن رسانا یک راه حلی نوین ارائه می دهد. جاده های ساخته شده از این ماده می توانند خود را برای ذوب برف و یخ گرم کنند و سطح رانندگی ایمن تری را در زمان کمتری فراهم کنند.

تیم های ساختمانی همچنین می توانند از این بتن برای تقویت سازگاری با محیط زیست خود استفاده کنند. ساخت خانه ها یا مشاغل با کف‌پوش‌های بتنی خود گرم شونده راه حلی با انرژی کارآمد تر برای سیستم های گرمایش معمولی ارائه می دهد. بتن گرما را به خوبی ساطع می کند و تنها مقدار کمی انرژی لازم است تا تفاوت دما قابل توجهی ایجاد کند.

• فعال سازی شهرهای هوشمند

مخلوط ‌های بتن جدید همچنین می‌توانند به فعال کردن حرکت شهر هوشمند کمک کنند. مناطق شهری برای کار کردن به شبکه وسیعی از حسگرهای اینترنت اشیا (IoT) برای سیستم های ترافیکی تطبیقی و ناوبری خودروهای خودران نیاز دارند. بتن رسانا می تواند خود جاده ها را به این حسگرها تبدیل کند.

جاده‌های هوشمند می‌توانند الگوهای ترافیکی را بر اساس وزن وسایل نقلیه‌ای که در آن‌ها ساکن هستند، تشخیص دهند. این زیر ساخت می تواند این اطلاعات را به سیستم های دیگر مانند چراغ های توقف متصل یا برنامه های ناوبری برای کاهش ازدحام و بهبود کارایی حمل و نقل ارسال کند. سیستم‌ های اینترنت اشیا که کارآمدتر کار می‌کنند، می‌توانند با جلوگیری از تصادفات و بهبود زمان پاسخگویی، جاده ‌ها، پارکینگ ‌ها و پیاده‌روها را ایمن ‌تر سازند.

اتصال مشابه در بتن در سرتاسر شهر می‌تواند به‌روزرسانی‌ های بی‌درنگ درباره زمانی که ساختمان ها یا جاده ‌ها نیاز به تعمیر و نگهداری دارند، ارائه دهد. سپس شهرداری می تواند با این تغییرات سازگار شود تا ضمن جلوگیری از اختلالات گسترده و برنامه های پیچیده، از حوادث جلوگیری کند.

بتن هوشمند هنوز در مراحل اولیه خود است، اما پتانسیل آن همچنان در حال رشد است. این فناوری می‌تواند صنعت ساخت ‌و ساز را با در دسترس ‌تر شدن به طور کامل تغییر دهد. ساختمان ‌ها و زیرساخت‌ های عمومی برای هر کسی که به آن‌ها تکیه می‌کند یا با آنها کار می‌کند، ایمن‌ تر، کارآمد تر و راحت ‌تر می ‌شود. با ادامه تحقیقات در این زمینه، انواع جدیدی از بتن هوشمند ظهور خواهند کرد. امکانات آن فقط گسترش می یابد و راه را برای عصر جدیدی در ساخت و ساز هموار می کند.