Analysis of the Mechanical Properties of Bioconcrete

تُعد الخرسانة العمود الفقري للبنية التحتية الحديثة، وهي مادة واسعة الانتشار لدرجة أنها تشكل أفق كل مدينة تقريبًا وتضع أساس كل طريق تقريبًا. ومع ذلك، وعلى الرغم من قوتها، فإن للخرسانة عيبًا قاتلًا: وهو التصدع. هذه الشقوق، التي غالبًا ما لا يتجاوز عرضها عرض شعرة، تسمح للمياه والمواد الكيميائية الضارة بالتسرب إلى الداخل بعمق، مما يؤدي إلى تآكل حديد التسليح بداخلها وإضعاف الهيكل ببطء. ولعقود من الزمن، كان الحل يتمثل في التدخل البشري، مما يتطلب من العمال حقن الراتنجات أو وضع الرقع، وهي عملية مكلفة ومتكررة وغالبًا ما تكون مؤقتة. إن حلم بناء يمكنه إصلاح نفسه، ويغلق جروحه بالطريقة التي يلتئم بها جرح جسم الإنسان، قد فتن المهندسين لفترة طويلة. ويعتمد هذا المفهوم على خدعة بيولوجية: استخدام بكتيريا حية لإنتاج معدن يملأ الفجوات.

وضع فريق من الباحثين في جامعة القوات المسلحة (ESPE) في الإكوادور هدفًا عمليًا محددًا لاختبار هذا الحلم. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم خلط نوع شائع من بكتيريا التربة، المعروف باسم "باسيلوس سوبتيلس" (Bacillus subtilis)، في الخرسانة لإنشاء مادة يمكنها علاج شقوقها ذاتيًا دون أن تفقد قوتها الهيكلية. ولإنجاح ذلك، احتاجوا إلى مصدر غذاء للبكتيريا، وهو ما وفروه في شكل "لاكتات الكالسيوم"، وهي مادة مغذية تستهلكها الميكروبات لإنتاج كربونات الكالسيوم. هذه المادة البيضاء الشبيهة بالصخور هي نفس المادة التي تتكون منها الحجر الجيري والطباشير، وفي سياق الخرسانة، تعمل كملاط طبيعي يسد الشقوق. وكان الباحثون مهتمين بشكل خاص بكيفية سلوك هذا الخليط الحي تحت الظروف المحددة لمنطقتهم، حيث تؤدي الرطوبة العالية والزلازل المتكررة إلى إجهاد المباني باستمرار. لقد هدفوا إلى إيجاد التوازن المثالي: كمية كافية من البكتيريا لعلاج الشقوق بفعالية، ولكن ليس الكثير بحيث تصبح الخرسانة ضعيفة جدًا أو مرنة للغاية بحيث لا تستطيع دعم المبنى.

بدأ الفريق بالتحقق من جودة مكونهم البكتيري، وهو منتج تجاري يُباع كمبيد للفطريات. وقد تأكدوا من أن السائل يحتوي على العدد الصحيح من البكتيريا الحية وأنها نقية وخالية من الملوثات الأخرى. ثم صمموا سلسلة من خلطات الخرسانة، بدءًا من وصفة قياسية ثم إضافة كميات مختلفة من مغذي لاكتات الكالسيوم. واختبروا ثلاثة مستويات من هذا المغذي، ووجدوا أن إضافة واحد بالمائة من وزن الإسمنت عززت بشكل كبير قدرة الخرسانة على مقاومة قوى السحق. هذه الخلطة، بدون أي بكتيريا بعد، وصلت قوتها إلى 336.14 كجم/سم² بعد 28 يومًا، وهو تحسن ملحوظ عن الخلطة القياسية. وهذا يشير إلى أن المغذي نفسه لم يكن مجرد غذاء للبكتيريا، بل كان أيضًا مادة مضافة مفيدة جعلت الخرسانة أكثر كثافة وقوة.

بعد ذلك، أدخل الباحثون البكتيريا في الخليط، مع الحفاظ على مستوى المغذي عند نسبة الواحد بالمائة المثالية. وقاموا بتغيير كمية السائل البكتيري المضاف، حيث اختبروا جرعات بنسبة 2.5% و5% و10% من إجمالي حجم الماء. وهنا، كشفت النتائج عن مقايضة دقيقة. فبينما كانت البكتيريا ضرورية لعملية الإصلاح الذاتي، فإن إضافة الكثير منها بدأ في إضعاف الخرسانة. ومع زيادة جرعة البكتيريا، انخفضت قدرة المادة على مقاومة قوى السحق، رغم أنها ظلت قوية بما يكفي لتلبية معايير السلامة. والأهم من ذلك، اكتشف الباحثون تكلفة خفية لإضافة البكتيريا: أصبحت المادة أقل صلابة. والصلابة هي مقياس لمدى انحناء أو تمدد المادة تحت حمل ما قبل أن تنكسر. كانت الخرسانة القياسية صلبة وتحافظ على شكلها جيدًا، لكن الخلطات التي تحتوي على البكتيريا أصبحت أكثر مرونة بشكل ملحوظ. كانت الخلطة ذات أقل جرعة بكتيرية لا تزال أقل صلابة بنسبة 28% تقريبًا عما تتوقعه أكواد البناء لهذه القوة، وكانت الخلطة ذات أعلى جرعة أقل صلابة بنسبة 50% تقريبًا. هذا الاكتشاف أمر بالغ الأهمية لأنه بينما يمكن للخرسانة أن تتحمل الوزن، إلا أنها ستنحني بسهولة أكبر تحت ذلك الوزن، مما قد يؤثر على كيفية تمايل المبنى أثناء الزلزال.

ولمعرفة ما إذا كانت البكتيريا تعمل بالفعل كما هو مخطط لها، أخذ الفريق أفضل الخلطات أداءً — وهي التي تحتوي على واحد بالمائة من لاكتات الكالسيوم و2.5% من البكتيريا — وقاموا بعمل شقوق متعمدة في الأسطوانات الخرسانية. ثم وضعوا هذه القطع المشقوقة في الماء، لمحاكة الظروف الرطبة حيث يجب أن يحدث الإصلاح. وعلى مدار 21 يومًا، حدث تحول مذهل. بدأت البكتيريا، التي استيقظت بوجود الماء وغذائها المغذي، في التكاثر وإنتاج كربونات الكالسيوم. نمت هذه المادة المعدنية البيضاء داخل الشقوق، وملأت الفجوات تمامًا وأغلقت الفراغ. وعندما فحص الباحثون الشقوق الملتئمة تحت مجهر قوي، تأكدوا من أن الرواسب البيضاء كانت بالفعل كربونات الكชัน، وهي نفس المعدن الذي تتكون منه الخرسانة نفسها. ومع ذلك، كانت عملية الشفاء هذه تعتمد كليًا على الرطوبة. فعندما احتفظوا بعينات مشقوقة مماثلة في هواء جاف، لم يحدث أي التئام، مما يثبت أن البكتيريا تحتاج إلى الماء باستمرار لتستيقظ وتقوم بعملها.

تخلص الدراسة إلى أن الخرسانة الحيوية (bioconcrete) هي تقنية قابلة للتطبيق في مناطق مثل الإكوادور، حيث الرطوبة عالية والنشاط الزلزالي شائع، ولكنها تتطلب إدارة دقيقة. فالوصفة المثالية التي وجدها الباحثون تجمع بين واحد بالمائة من لاكتات الكالسيوم وجرعة صغيرة من البكتيريا. توفر هذه الخلطة دفعة كبيرة في القوة والقدرة على سد الشقوق تمامًا في غضون ثلاثة أسابيع، بشرط بقاء الهيكل رطبًا. ومع ذلك، فإن المادة ليست بديلاً مثاليًا لجميع أنواع الخرسانة. نظرًا لأن البكتيريا تقلل من صلابة المادة، فإن هذه الخرسانة الحيوية مناسبة بشكل أفضل للعناصر غير الإنشائية مثل الأرصفة، أو الطبقات الواقية، أو خزانات المياه، حيث يكون منع التسربات أكثر أهمية من الصلابة القصوى. أما بالنسبة للأعمدة أو العوارض الإنشائية الرئيسية، فسيتعين على المهندسين قياس صلابة الخليط المحدد بدلاً من الاعتماد على الحسابات القياسية، لأن وجود البكتيريا الحية يغير سلوك المادة بطرق لا تتوقعها المعادلات القياسية. وتؤكد الأبحاء أن الطبيعة يمكنها بالفعل المساعدة في إصلاح بيئتنا العمرانية، لكنها تذكرنا أيضًا بأن إدخال الحياة في مادة بناء يغير طابعها الأساسي، مما يتطلب فهمًا جديدًا لكيفية أداء هذه الهياكل بمرور الوقت.