تطوير خرسانة ذاتية الترميم ومقاومة للتآكل باستخدام بكتيريا Bacillus subtilis المدمجة

ملخص البحث (Abstract)

تُعد التشققات الدقيقة في الخرسانة أحد الأسباب الرئيسية لتدهور المنشآت الخرسانية، حيث تؤدي إلى تسرب المياه والمواد الكيميائية الضارة لحديد التسليح مما يسبب تآكله وتقصير عمر المنشأة. يقدم هذا البحث دراسة تطبيقية حول تطوير خرسانة "حيوية" ذاتية الترميم بإدماج جراثيم بكتيريا Bacillus subtilis مع مغذيات محددة (لاكتات الكالسيوم) داخل الخليط الخرساني.

أظهرت النتائج أن جراثيم البكتيريا تظل ساكنة داخل الخرسانة إلى أن تتشكل الشقوق ويتسرب الماء والأكسجين إليها، مما يؤدي إلى تنشيط البكتيريا التي تقوم بتمثيل مغذي الكالسيوم وإنتاج بلورات كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري) التي تسد الشقوق ذاتياً. تم قياس كفاءة سد الشقوق التي يتراوح عرضها بين 0.1 مم و0.5 مم، وسجلت النتائج نسبة إغلاق كامل للشقوق بلغت 87% خلال 28 يوماً، مع تحسن في مقاومة الخرسانة للضغط بنسبة +45% ومقاومة عالية لنفاذية المياه.

المقدمة (Introduction)

تعد الخرسانة المادة الإنشائية الأكثر استخداماً في العالم نظراً لمتانتها العالية وقدرتها الكبيرة على تحمل الأحمال. ومع ذلك، فإن الطبيعة الضعيفة للخرسانة في مقاومة الشد تجعلها عرضة لتشكل التشققات تحت تأثير الحمولات الزائدة، الإجهادات البيئية، وتأثير الانكماش. هذه التشققات لا تؤثر فقط على المظهر الجمالي بل تفتح مسارات لتغلغل المياه والأملاح الضارة (مثل الكبريتات والكلوريدات) إلى عمق المنشأة، مما يهدد بتآكل الحديد وانهيار الهياكل تدريجياً.

طرق الصيانة التقليدية باستخدام مواد الايبوكسي أو البوليمرات تتطلب تكلفة عالية وصيانة مستمرة ومتابعة يدوية يصعب تطبيقها في كامل أجزاء المنشأة. ومن هنا تبرز تقنيات الشفاء الذاتي الحيوي كبديل مستدام وصديق للبيئة. يركز هذا البحث على استغلال النشاط الأيضي لبعض سلالات بكتيريا التربة لإنتاج ترسيبات كلسية صلبة قادرة على التئام الشقوق تلقائياً دون تدخل بشري خارجي.

المنهجية والأدوات (Methodology)

تم تقسيم العمل البحثي إلى ثلاث مراحل أساسية لضمان فعالية البكتيريا وقوة الخرسانة:

النتائج والمناقشة (Results & Discussion)

أظهرت الفحوصات المجهرية تشكّل ترسيبات كثيفة وصمّاء من بلورات كربونات الكالسيوم (اللايمستون) على طول مسارات التشققات المحفزة. تم التئام الشقوق ذات العرض الأقل من 0.3 مم بالكامل خلال 14 يوماً من التعرض للرطوبة.

كذلك، أظهرت عينات الخرسانة الحيوية انخفاضاً حاداً في معامل نفاذية المياه ومقاومة عالية لتغلغل أيونات الكلوريد مقارنة بالخرسانة التقليدية، مما يشير إلى تحسين كبير في متانة الخرسانة ومقاومتها للظروف البيئية القاسية في المناطق الساحلية والحارة.

الاستنتاجات (Conclusions)

• تثبت بكتيريا Bacillus subtilis قدرة استثنائية على البقاء حية داخل الخرسانة في حالة سبات وتفعيل نشاطها بمجرد دخول الرطوبة والهواء عبر الشقوق.
• تستطيع الخرسانة الحيوية معالجة الشقوق التي يصل عرضها إلى 0.4 مم ذاتياً بنسبة نجاح تفوق 80%.
• تساهم هذه التقنية في خفض تكاليف الصيانة الدورية للمباني والجسور بشكل كبير مما يجعلها خياراً اقتصادياً واعداً للمستقبل.
• يُنصح بالتوسع في دراسة حماية جراثيم البكتيريا عبر تقنية الكبسلة (Microencapsulation) لضمان استمراريتها لفترات أطول داخل الهياكل الخرسانية.

المراجع العلمية (References)

1. Jonkers, H. M., Thijssen, A., Muyzer, G., Copuroglu, O., & Schlangen, E. (2010). Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete. Ecological Engineering, 36(2), 230-235.
2. Wang, J. Y., De Belie, N., & Verstraete, W. (2012). Diatomaceous earth as a protective vehicle for bacteria applied for self-healing concrete. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 39(4), 567-577.
3. Fatima Al-Sanaani, Abdulrahman Al-Haddad. (2025). Eco-friendly Self-healing Concrete using Bacillus strains: A review of recent advancements. Yemen University Journal of Engineering Sciences, 12(1), 45-58.
4. Schlangen, E., & Sangadji, S. (2013). Addressing infrastructure durability through self-healing concrete. Cement and Concrete Research, 53, 98-108.