کاربرد مواد نانو در صنعت بتن

 

مقدمه

مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن ( طول ، عرض ، ضخامت ) زیر nm100 باشد تعریف شده اند. یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچکتر از موی انسان است. به طور کلی در یک تقسیم بندی عمومی ، محصولات نانو مواد را می توان به صورت های زیر بیان کرد :

- فیلم های نانو لایه برای کاربردهای عمدتا" الکترونیکی نانو پوشش های حفاظتی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، حفاظت در برابر عوامل مخرب محیطی نانو ذرات به عنوان پیش سازنده یا اصلاح ساز پدیده های شیمیایی و فیزیکی نانو لوله ها منظور از یک ماده نانو ساختار یا واضح تر یک بدنه نانو ساختار جامدی است که در آن انتظام اتمی ، اندازه کریستالهای تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متری گسترده شده باشد.

خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو ( در شکل و فرم های متعددی که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف ، گلوله و ... ) در مقایسه با مواد میکروسکپی تفاوت اساسی دارند. تغییرات اصولی که وجود دارند نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد .

هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد ، که آنها را می توان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود. منظور از عملکرد چند منظوره با ظهور خواص جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربدهای گوناگونی را ارائه نمایند. در مطلب بعدی که خواهد آمد مواد نانو ساختاری معرفی خواهند شد که با توجه به نوظهور بودن چنین موادی می توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند.

1-     مواد نانو کمپوزیت

  مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر ( ماتریس پلیمری ) اولین بار در سالهای 70 معرفی شده اند که از تکنولوژی سول ژل ( Sol-Gel ) جهت انتشار دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است . هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای 80 صورت گرفته است ، ملی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه است. در این شرایط نانو آلومینا ، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می دهد. زیرا کاربرد این مواد پدیده ای است که از نظر مکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی بطور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته های مختلف کاربرد دارد. از جمله می توان به چند نمونه اشاره کرد : تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیرا" بطور تجاری ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرمیک بوجود آورده است . ذرات نانویی غیر فلز مانند سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد.

2-     بتن با عملکرد بالا  HPC

  یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، بتن با عملکرد بالا می باشد. این نوع بتن مقاوم یکی اانواع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فلز مرکب و پیچیده می باشد. خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی ، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد.

بنابراین مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.

روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی اتز جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع الیاف می باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر ، بتن با عملکرد بالای چند منظوره خواص اضافه دیگری را  دارا می باشد. از جمله می توان به خاصیت الکترومغناطیسی، قابلیت به کارگیری در سازه های اتمی ( محافظت از تشعشعات ) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمانها و ... را نام برد.

3-    نانو سیلیس آمورف

         در صنعت بتن ، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پرکنندگی بتن با عملکرد بالا ایفا می کند.

محصول معمولی همان سیلیکافیوم یا میکروسیلیکا می باشد که دارای قطری در حدود 0.1 تا 1 میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیس حدود 90% می باشد. می توان گفت که میکروسیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانومتر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کاربرده می شود.

محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطر کمتر از nm 100 یا بصورت ذرات خشک پودر یا به صورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشد ، که مایع آن معمول ترین نوع محلول نانو سیلیس می باشد ، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم SCC به کارگرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان می دهد مانند : خاصیت ضد سایش ضد لغزش ضد حریق ضد انعکاس سطوح

آزمایشات نشان داده اند که واکنش مواد نانو سیلیس با هیدرواکسیدکلسیم در مقایسه با میکروسیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزولانی مقدار بالای میکروسیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد. تمام کارهای انجام یافته برروی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی در بخش اصلاح خواص ریولوژی ، کارپذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است . آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده 5 تا 10 نانومتر می باشد.

4-    نانو لوله ها

   همانگونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولا" الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شود. امروزه از الیاف فلزی ، شیشه ای ، پلی پروپلین ، کربن و ... در بتن برای مسلح کردن استفاده می شود ولیکن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح کردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد.

نانو لوله کربنی توسط LUIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوریکه تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می کند. کربن 60 و نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند بطوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت ها به کار برده می شوند.

نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن ( وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) ، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند. بطوریکه هادی بودن  حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد.

نانو لوله ها طبقه بندی جدیدی از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند. بنابرین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق بهنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره را بازی می کنند.

منبع : سایت علمی واطلاع رسانی عمران ایران