صنعت ساخت‌وساز، به‌عنوان یکی از ارکان اصلی توسعه زیرساخت‌ها، سهم قابل‌توجهی در تخریب محیط‌زیست دارد. بتن، به‌عنوان پرمصرف‌ترین ماده در این حوزه، به دلیل انتشار بالای کربن و مصرف منابع طبیعی، مورد توجه ویژه قرار گرفته است. این نگرانی‌ها، اهمیت بهبود عملکرد بتن را با کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی افزایش داده است.
افزودنی‌ها، ترکیباتی هستند که به میزان کمی به بتن افزوده می‌شوند تا ویژگی‌هایی مانند دوام، کارایی و مقاومت آن را بهبود دهند. اما افزودنی‌های شیمیایی سنتی معمولاً از منابع پتروشیمیایی تولید می‌شوند که تجدیدپذیر نیستند و مسائل زیست‌محیطی خاص خود را دارند. این امر موجب شده است تا افزودنی‌های زیستی (BBAs) به‌عنوان جایگزینی پایدار و دوستدار محیط‌زیست مطرح شوند.
افزودنی های زیستی بتن از منابع طبیعی مانند گیاهان، حیوانات و میکروارگانیسم‌ها استخراج می‌شوند. این مواد نه‌تنها با اهداف پایداری هماهنگ هستند، بلکه با حفظ و حتی بهبود عملکرد بتن، وعده‌های امیدوارکننده‌ای برای کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی صنعت ساخت‌وساز دارند. با گسترش تحقیق و توسعه در این حوزه، پتانسیل این افزودنی‌ها برای تغییر ساخت‌وساز پایدار به‌خوبی آشکار می‌شود.
افزودنی‌ها را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
با عنوان مواد سیمانی ثانویه (SCMs) شناخته می‌شوند و شامل خاکستر بادی، میکروسیلیس و سرباره هستند. این افزودنی‌ها خواصی مانند مقاومت به حمله سولفات و پایداری حرارتی را بهبود می‌بخشند و مصرف سیمان را کاهش می‌دهند.
در مقادیر کم استفاده می‌شوند و شامل کاهنده‌های آب، فوق‌روان‌کننده‌ها، کندگیرکننده‌ها و هوازاها هستند. این افزودنی‌ها خواص خاص بتن مانند روان‌پذیری، زمان گیرش و دوام را بهبود می‌دهند.
افزودنی‌های زیستی در دسته افزودنی‌های شیمیایی قرار می‌گیرند اما با منابع تجدیدپذیر خود متمایز می‌شوند. آن‌ها خواصی مشابه افزودنی‌های شیمیایی معمولی ارائه می‌دهند و در عین حال مزایای زیست‌محیطی بیشتری دارند.
گیاهان انواع مختلفی از بیوپلیمرها را فراهم می‌کنند که می‌توان آن‌ها را به افزودنی‌های زیستی تبدیل کرد:
محصولات حیوانی در گذشته و حال در بتن کاربرد دارند:
افزودنی‌های زیستی میکروبی از فرآیندهای متابولیکی باکتری‌ها و قارچ‌ها بهره می‌گیرند:
اثربخشی افزودنی‌های زیستی به ترکیب شیمیایی، تعامل با سیمان و تأثیر آن‌ها بر خواص بتن بستگی دارد. تکنیک‌های کلیدی شناسایی شامل موارد زیر است:
این روش امکان شناسایی گروه‌های عاملی مسئول واکنش‌های هیدراتاسیون را فراهم می‌کند. این تحلیل به درک ترکیب شیمیایی افزودنی‌های زیستی کمک کرده و نحوه‌ی تأثیر آن‌ها بر فرآیند هیدراتاسیون سیمان را آشکار می‌کند. FTIR امکان تشخیص دقیق تغییرات در پیوندهای شیمیایی و گروه‌های عاملی را فراهم می‌آورد.
این تکنیک فازهای کریستالی سیمان اصلاح‌شده با افزودنی زیستی را شناسایی می‌کند. با استفاده از XRD، می‌توان ساختار کریستالی و تغییرات فازی در سیمان را که توسط افزودنی‌ها ایجاد می‌شود، مورد بررسی قرار داد. این اطلاعات به طراحی مخلوط‌های بتنی پایدار و عملکرد بالا کمک می‌کند.
این روش توزیع آب در مخلوط بتن و نحوه تعامل افزودنی‌های زیستی با سیمان را بررسی می‌کند. NMR اطلاعات دقیقی در مورد توزیع مولکول‌های آب، دینامیک آن‌ها و تأثیر افزودنی‌ها بر ساختار داخلی بتن ارائه می‌دهد.
این تکنیک برای ارزیابی خواص رئولوژیکی مخلوط‌های تازه بتن، از جمله ویسکوزیته، تنش تسلیم و پایداری استفاده می‌شود. رئومتری می‌تواند تأثیر افزودنی‌های زیستی بر ویژگی‌های جریانی، جدایی فازها و یکنواختی مخلوط را مورد بررسی قرار دهد. اطلاعات به دست آمده از این آزمایش‌ها برای بهینه‌سازی طراحی مخلوط‌های بتنی بسیار ارزشمند است.
افزودنی‌های زیستی، مشابه فوق روان‌کننده‌های سنتی، می‌توانند روان‌پذیری بتن را به طور قابل توجهی بهبود بخشیده و نیاز به آب را کاهش دهند. پلی‌ساکاریدها و مشتقات نشاسته در بتن‌های خودتراکم (SCC) بسیار مؤثر هستند. این افزودنی‌ها با ایجاد پیوندهای هیدروژنی قوی، موجب پایداری و افزایش چسبندگی در مخلوط می‌شوند، در نتیجه از جداشدگی اجزای بتن جلوگیری می‌کنند. به‌علاوه، خواص رئولوژیکی بهبود یافته باعث کاهش مصرف انرژی در فرآیند اختلاط و پمپاژ بتن می‌شود.
افزودنی‌های زیستی، به ویژه آن‌هایی که از فعالیت میکروبی استفاده می‌کنند، امکان خودترمیمی بتن را فراهم می‌کنند. با رسوب کربنات کلسیم، ترک‌ها به طور مؤثری پر می‌شوند. این فرآیند نه تنها از گسترش ترک‌ها جلوگیری می‌کند، بلکه خواص مکانیکی بتن را بازیابی می‌نماید. استفاده از باکتری‌های تولیدکننده کربنات کلسیم به عنوان یک فناوری پیشرفته، قابلیت افزایش طول عمر سازه‌ها و کاهش هزینه‌های نگهداری را نشان داده است.
افزودنی‌های زیستی روانی بتن خودتراکم را بهبود می‌بخشند، نیاز به ارتعاش مکانیکی را کاهش داده و فشردگی یکنواخت را تضمین می‌کنند. عصاره‌های بامیه و صمغ زانتان در حفظ جریان اسلامپ و پایداری رئولوژیکی مخلوط‌های SCC بسیار مؤثر بوده‌اند. این مواد با کاهش آب‌اندازی و جداشدگی در بتن، کیفیت و یکنواختی سازه‌های بتنی را تضمین می‌کنند.
در بتن خودترمیمی، هاگ‌های باکتریایی به مخلوط اضافه می‌شوند که تا زمان ایجاد ترک در حالت غیرفعال باقی می‌مانند. با تماس با آب، این باکتری‌ها کربنات کلسیم رسوب می‌دهند و ترک‌ها را به طور مؤثری می‌بندند. این امر نفوذ آب را کاهش داده و دوام را افزایش می‌دهد. این فناوری به ویژه در سازه‌هایی که تحت شرایط سخت محیطی قرار دارند، مزیت بزرگی به شمار می‌رود.
افزودنی‌های زیستی نمایانگر رویکردی تحول‌آفرین به ساخت‌وساز پایدار هستند. این افزودنی‌ها که از منابع تجدیدپذیر استخراج می‌شوند، مزایای زیست‌محیطی را بدون کاهش عملکرد بتن ارائه می‌کنند. با وجود چالش‌هایی مانند هزینه و استانداردسازی، پتانسیل افزودنی‌های زیستی برای تحول در صنعت ساخت‌وساز غیرقابل انکار است. تحقیقات میان‌رشته‌ای، همکاری صنعت و حمایت سیاست‌گذاری برای تحقق کامل این پتانسیل کلیدی خواهند بود.
