چگونه بتن خودترمیم‌شونده با استفاده از باکتری‌ها و شیمی رومی، ترک‌های خود را می‌بندد

اجماع رایج میان مهندسان سازه و توسعه‌دهندگان املاک این است که فرسایش بتن یک مالیات اجتناب‌ناپذیر است: ریزترک‌ها شکل می‌گیرند، آب به میلگردهای فولادی می‌رسد و زنگ‌زدگی ناشی از آن، شما را در کمتر از ۵۰ سال مجبور به تعمیرات پرهزینه یا تخریب کامل می‌کند. اما نسل جدیدی از ترکیب‌های زیستی و مهندسی‌شده شیمیایی، این فرض را کاملاً زیر سؤال برده است. با قرار دادن باکتری‌های خفته یا کلاست‌های آهکی واکنش‌پذیر در زمان بتن‌ریزی، بتن خودترمیم‌شونده پیش از نفوذ آب، ترک‌های خود را به‌طور خودکار می‌بندد و عملاً عمر مفید زیرساخت‌های تجاری و فونداسیون‌های مسکونی را دو برابر می‌کند.[1][5]

این مکانیزم اساساً نحوه واکنش ساختمان‌ها به فشارهای محیطی را تغییر می‌دهد. در سیستم‌های بیوبتن (بتن زیستی)، باکتری‌های تولیدکننده سنگ آهک — معمولاً نوع غیربیماری‌زای Bacillus pseudofirmus — در کپسول‌های هیدروژل یا گلوله‌های رسی در کنار یک منبع غذایی مانند لاکتات کلسیم قرار می‌گیرند. این کپسول‌ها مستقیماً با بتن خیس مخلوط می‌شوند. باکتری‌ها برای سال‌ها در حالت خفته باقی می‌مانند و در محیط به‌شدت قلیایی دال بتنی خشک‌شده زنده می‌مانند.[4][5]

فرآیند ترمیم دقیقاً با همان مکانیزمی آغاز می‌شود که معمولاً بتن را از بین می‌برد: نفوذ آب. وقتی یک ترک به پوسته بیرونی کپسول می‌رسد، رطوبت باکتری‌های خفته را بیدار می‌کند. این میکروب‌ها لاکتات کلسیم را مصرف کرده و کربنات کلسیم (سنگ آهک) ترشح می‌کنند که به‌سرعت شکاف را پر می‌کند. آزمایش‌هایگاهی نشان می‌دهد که این الیاف زیستی می‌توانند در عرض ۳۰ ساعت پس از فعال‌سازی، بین ۴۰ تا ۸۰ میلی‌گرم کربنات کلسیم تولید کنند و ترک‌هایی به عرض یک میلی‌متر را کاملاً ببندند.[1][4]

یک رویکرد موازی دیگر، به‌جای زیست‌شناسی بر شیمی تکیه دارد و مستقیماً از مهندسی روم باستان الهام گرفته است. در سال ۲۰۲۳، محققان دریافتند که دوام افسانه‌ای سازه‌های رومی مانند پانتئون تنها به دلیل خاکستر آتشفشانی نبوده، بلکه به دلیل افزودن عمدی کلاست‌های آهکی (رسوبات معدنی کوچک و غنی از کلسیم که از طریق فرآیند اختلاط گرم ایجاد می‌شوند) بوده است. وقتی بتن رومی ترک می‌خورد، آب با این کلاست‌ها واکنش داده و محلولی اشباع از کلسیم ایجاد می‌کرد که دوباره به‌صورت کربنات کلسیم متبلور شده و آسیب را ترمیم می‌کرد.[3]

این مکانیزم باستانی اکنون برای ساخت‌وسازهای مدرن تجاری‌سازی شده است. یک شرکت انشعابی از دانشگاه MIT به نام Dmat، افزودنی بتنی بر پایه فناوری کلاست آهکی رومی توسعه داده است که عمر سازه‌های بتنی را تا ۵۰ درصد افزایش می‌دهد. از آنجا که این روش به‌جای باکتری‌های زنده بر شیمی معدنی آشنا تکیه دارد، این افزودنی به‌راحتی با فرآیندهای فعلی تولید بتن ادغام می‌شود. ادمیر ماشیچ (Admir Masic)، دانشیار MIT می‌گوید: «آنچه برای من هیجان‌انگیز است این است که این ماده می‌تواند بدون نیاز به تغییر در نحوه عملکرد شرکت‌ها، به استاندارد جدید صنعت تبدیل شود.»[3]

عرضه تجاری این فناوری‌ها با سرعت در حال افزایش است. در ژانویه ۲۰۲۶، شرکت Restoration Partners توزیع سیستم بیوبتن هلندی Basilisk را در ایالات متحده گسترش داد؛ سیستمی که پیش‌تر در پروژه‌های زیرساختی اروپا با موفقیت آزمایش شده بود. در همین حال، شرکت‌های ژاپنی مانند Aizawa Concrete Corporation در حال به‌کارگیری عوامل ترمیم‌کننده باکتریایی با طول عمر ۲۰۰ ساله هستند که به‌طور خاص برای زیرساخت‌های مقاوم در برابر سونامی طراحی شده‌اند.[2][5]

مانع اصلی برای پذیرش همگانی این فناوری، همچنان هزینه اولیه مواد است. بتن خودترمیم‌شونده در حال حاضر ۱۰ تا ۱۵ درصد گران‌تر از ترکیب‌های معمولی است. با این حال، وقتی این موضوع را بر اساس چرخه عمر ساختمان بررسی کنیم، معادلات اقتصادی کاملاً تغییر می‌کند. با حذف نیاز به لکه‌گیری مداوم و جلوگیری از خوردگی فاجعه‌بار میلگردها، سیستم‌های خودترمیم‌شونده هزینه‌های نگهداری بلندمدت را تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهند؛ موضوعی که برای هر مالک یا سازنده‌ای یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود.[1][5]

پیامدهای زیست‌محیطی این فناوری نیز به همان اندازه حائز اهمیت است. تولید بتن مسئول حدود ۸ درصد از انتشار جهانی گازهای گلخانه‌ای است که عمدتاً ناشی از فرآیند انرژی‌بر تکلیس سنگ آهک است. با افزایش عمر مفید سازه‌ها از ۵۰ سال به ۸۰ یا ۱۰۰ سال، فناوری‌های خودترمیم‌شونده دفعات تخریب و بازسازی را به‌شدت کاهش داده و یکی از عملی‌ترین مسیرها را برای کربن‌زدایی از محیط‌های ساخته‌شده ارائه می‌دهند.[1][4]