بخشی از مقاله
کاربردهای فناوری نانودر صنعت بتن وساختمان
پیشرفت های اخیر در زمینه مواد و فرآیندها، همچنین دست کاری آنها در مقیاس نانو چشم اندازی از تولید مواد در اندازه ماکرو و محصولات جدید را پیش روی ما قرار داده است و فناوری نانو تاکنون به حوزه برخی مواد ساختمانی و معدنی از جمله بتن،فولاد و... وارد شده است و به همین دلیل صنایع بتنی و فولادی به نوبه خود یکی ازذینفعان فناوری نانو به شمار می رود.
برای نمونه از برخی دستاوردهایی که تا کنون کسب شده اند، می توان به بتن تقویت شده با استفاده از فناوری نانو که قوی تر و بادوام تر از بتن های معمولی بوده و آسان تر هم جایگذاری می شود اشاره نمود. پیش بینی محققان حاکی از این است که در خلال پنج سال آینده پیشرفت های بسیاری در این زمینه پدیدار خواهد شد و فناوری نانو، دستیابی به پیشرفت های فوق العاده ای را فراسوی فناوری معمولی،امکان پذیر خواهد نمود.
فناوری نانو و بتن
در سطح علوم پایه به منظور درک ساختمان بتن، تجزیه و تحلیل های بسیاری در مقیاس نانو در حال انجام است که برای این منظور از فناوری هائی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ الکترونی پیمایشی((SEM و پرتو یونی متمرکز ((FIB، که برای مطالعه در مقیاس نانو توسعه یافته اند، استفاده می شود.
یکی از جنبه های اساسی فناوری نانو طبیعت میان رشته ای آن است که به عنوان نمونه در یک تعامل تحقیقاتی میان شاخه های مهندسی پزشکی و ساخت و ساز، از مدل سازی مکانیکی استخوان به منظور مطالعه نحوه نفوذ و انتشار کلر در بتن (که عامل هواخوردگی میلگردها است) استفاده شده است.
مروری بر جنبه های فنی کاربرد نانومواد در بتن:
افزودن نانو ذرات هماتیت (Fe2o3) به بتن علاوه بر افزایش استحکام بتن، پایش سطوح تنش را نیز امکان پذیر می سازد.
نانو لوله های چند جداره موجب افزایش مقاومت فشاری ( 25 + نیوتن بر متر مربع) و مقاومت خمشی ( 8+ نیوتن بر متر مربع ) بتن می شوند.
به منظور افزایش استحکام بتن، می توان از باکتری ها استفاده نمود، به طوری که افزودن میکرو ارگانیزم های بی هوازی به مخلوط آب و بتن، موجب افزایش 25 در صدی مقاومت 28 روزه بتن می شوند، همچنین رسوب دهی ملات سیمان ماسه ای منجر به رشد ماده پر کننده (فیلر) در داخل خلل و فرج سیمان(نوعی از بتن خود تعمیر کن self repairing) می شود.
استفاده از نانو ذرات در مواد چسباننده مختلف موجب بهبود ویژگی های مربوط به خرابی بتن می شود.
هم اکنون سیلیس((Sio2 جزئی از بتن معمولی است. یکی از نتایج مطالعه بتن در مقیاس نانو این است که با استفاده از نانو ذرات سیلیس می توان میزان تراکم ذرات در بتن را افزایش داد که این به افزایش چگالی میکرو و نانو ساختارهای تشکیل دهنده بتن ودر نتیجه بهبود ویژگی های مکانیکی آن می انجامد.
افزودن نانو ذرات سیلیس به مواد مبتنی بر سیمان هم موجب کنترل تجزیه ناشی از واکنش بنیادی C-S-H (کلسیم- سیلیکات- هیدرات)، که در اثر نشت((leaching کلسیم در آب رخ می دهد، و نیز جلوگیری از نفوذ آب به درون بتن می شود که هر دوی این موارد دوام بتن را افزایش می دهد.
متناسب با میزان افزایش تراکم ذرات، آسیا کردن کلینکر سیمان پرتلند معمولی(OPC) به همراه ماسه استاندارد، منجر به تولید ذرات ریز تری در مقایسه با ذرات حاصل از آسیا نمودن سیمان پرتلند معمولی به تنهایی می شود، و نکته مهم اینکه با افزایش میزان ریزی و در نتیجه تراکم ذرات، مقاومت فشاری بتن تا حد سه تا شش برابر افزایش می یابد.
خاکستر فرار یکی دیگر از مواد مورد استفاده در ساخت بتن است؛ استفاده از این ماده علاوه بر افزایش دوام و استحکام بتن، میزان مصرف سیمان را نیز کاهش می دهد؛ ولی افزودن خاکستر فرار به بتن موجب کند شدن فرآیند عمل آوری بتن و کمتر شدن مقاومت کوتاه مدت آن در مقایسه با بتن معمولی می شود. در صورت افزودن نانو ذرات سیلیس به بتن ساخته شده با خاکستر فرار، با وجود اینکه قسمتی از سیمان مصرفی با سیلیس جایگزین می شود، چگالی و استحکام بتن و مخصوصاَ مقاومت کوتاه مدت بتن افزایش چشمگیری می یابد.
همچنین تحقیق در مورد اضافه نمودن نانو ذرات اکسید آهن یا هماتیت (Fe2o3) به بتن نشان داده است که این ذرات علاوه بر افزایش مقاومت بتن ،پایش سطوح تنش( خستگی) بتن را از طریق اندازه گیری مقاومت الکتریکی برشی ( مقطعی) امکان پذیر می سازد.
نوعی دیگر از نانو ذرات افزودنی به بتن در جهت بهبود ویژگی های آن، دی اکسید تیتانیوم(Tio2) است؛ Tio2 یک رنگدانه سفید است که می توان آن را به عنوان یک روکش بازتاب کننده مطلوب استفاده نمود.
Tio2 از طریق واکنش های فوتو کاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده های آلی، ترکیبات آلی فرار ((VOC و غشاهای باکتریایی است و به همین دلیل برای ایجاد خاصیت ضد عفونی کنندگی به رنگ ها، سیمان ها و شیشه ها اضافه می گردد.
چنانچه از Tio2 در سطوح بیرونی سازه ها استفاده شود، قادر است غلظت آلاینده های موجود در هوا را کاهش دهد. Tio2 ماده ای آب دوست است و با اضافه شدن به سطحی، موجب ایجاد خاصیت خود تمیز کنندگی در سطح می گردد.
بتن تولید شده با این ذرات هم اکنون در پروژه هایی در سر تا سر دنیا در حال استفاده است، این بتن دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است که سفیدی و درخشندگی خود را به طور موثری حفظ می کند، این در حالی است که سازه های ساخته شده با بتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.
نانو لوله های کربنی((CNT از جمله نانو ذرات دیگری با ویژگی های قابل توجهی هستند که تحقیقات برای بررسی مزایای حاصل از اضافه نمودن آنها به بتن در حال انجام است. در صورت افزودن مقادیر کوچکی (در حدود یک در صد وزنی) از نانو لوله های کربنی به نمونه های متشکل از آب و بخش عمده ای سیمان پرتلند، خواص مکانیکی نمونه ها به طور قابل توجهی بهبود می یابد.
نانو لوله های تک جداره(MWNT) اکسید شده بالاترین میزان افزایش را هم در مقاومت فشاری (25+ نیوتن بر متر مربع) و هم در مقاومت خمشی( 8+ نیوتن بر متر مربع) نمونه ها نشان دادند.به طور تئوری اثبات شده است که وجود مقدار زیادی نقایص ساختاری بر روی سطح نانو لوله های چند جداره اکسید شده می تواند به ایجاد اتصال بهتر میان نانو ساختارها و ملات بینجامد؛ لذا می توان نتیجه گرفت که ازطریق ایجاد نقایصی بر روی سطح میلگردهای تقویت کننده بتن، خواص مکانیکی کامپوزیت بهبود می یابد.
در مورد افزودن نانو لوله ها به هر ماده ای دو مشکل عمده وجود دارد: یکی ایجاد اتصال میان نانو لوله ها با همدیگر و دیگری فقدان چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه ماده توده، که از دلایل این مشکل، بر هم کنش های میان صفحات گرافیتی نانو لوله هاست. این خاصیت، آنها را به سمت جمع شدن کنار یکدیگر به صورت دسته ها یا طناب هایی سوق می دهد و گاهی اوقات امکان دارد این طناب ها به یکدیگر گیر کرده باشند.
برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانو لوله ها درون شبکه ماده توده، باید نانو لوله ها را از یکدیگر جدا نمود، علاوه بر این به دلیل طبیعت گرافیتی نانو لوله ها و وجود خاصیت لغزندگی در آنها،امکان ایجاد چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه وجود ندارد.
در صورت استفاده از صمغ عربی به منظور از پیش پراکنده سازی نانو لوله ها، مخصوصاَ در صورت کاربرد نانو لوله های تک جداره ((SWNT، ویژگی های مکانیکی بتن به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. برای تعیین مقادیر بهینه نانو لوله های مورد مصرف و نیز شاخص های مؤثر در پراکنده سازی نانو لوله ها در مخلوط، به تحقیقات بیشتری نیاز است.
هزینه بالای افزودن نانولوله های کربنی به بتن،توجه به مزایای آن را تحت الشعاع قرار داده است؛ لذا فعالیت هایی در جهت کاهش قیمت نانو لوله ها در حال انجام است که در این صورت مزایای حاصل از افزودن آنها به مواد سیمان بیشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.
روکش ها، زمینه مطالعاتی دیگری هستند و تحقیق فعالانه ای در مورد روکش های محافظ محتوی نانو ذرات برای حفاظت سطحی از بتن در حال انجام است. کاربرد ویژه این روکش ها در حفاظت در برابر شوره گذاری است. هم اکنون مطالعات به سمت کاربرد برخی از انواع نانو ذرات در چسب های (ملات های binder) مختلف و نحوه تاثیر آنها بر روی ویژگی های کلیدی مرتبط با فرسایش بتن، مانند ممانعت از انتقال یون های کلر، مقاومت در برابر دی اکسید کربن، پخش بخار آب، جذب آب و عمق نفوذ، هدایت می شوند. تا کنون نوعی حلال متشکل از رزین اپوکسی با وزن مولکولی پایین و نانو ذرات رس (nano-clay )، نتایج امید وار کننده ای را نشان داده است.
تحقیقات کنونی نشان داده اند که حسگر های مبتنی بر فناوری نانو می توانند کاربردهای زیادی در سازه های بتنی، به منظور کنترل کیفیت و پایش دوام بتن داشته باشند. به طوری که این حسگرها می توانند برای هدف های مختلفی؛از جمله 1)اندازه گیری چگالی بتن؛
2) نظارت بر فرآیند عمل آوری بتن و اندازه گیری میزان افت(انقباض) بتن؛
3) اندازه گیری پارامتر های کلیدی معین و اثر گذار بر دوام بتن مانند دما،رطوبت،غلظت کلر،PH، دی اکسید کربن،میزان خستگی(تنش)، خوردگی میلگردها وارتعاش( ویبراسیون)، طراحی شوند.
با توجه به مزیت های کاربرد نانو مواد دربتن می توان در صنایع مختلف معدنی استفاده نمود که عبارتند از :
لاینینگ دیواره های تونل ها به علت داشتن استحکام بالا و مقاومت فشاری وخمشی و تراکم و...
در تونل های راه به دلیل خاصیت باز تابندگی می توان از این نوع بتن ها در دیواره ها استفاده نمود که فضای روشنی را فراهم می سازدو باعث کاربرد لامپهای کمتر می شود.
بدلیل مقاومت در برابر نفوذ اب دیگر نیاز به نوارهای واتر استاب که از نفوذ اب به بتن جلوگیری می کنددر دیواره ها نیست.
به علاوه این بتن ها به دلیل دارا بودن ترکیبات مناسب چسبندگی مناسب با شبکه های فولادی(مش) ارجحیت استفاده نسبت به بتن های معمولی را دارند.
همچنین به دلیل تراکم و مقاومت در برابر سطوح تنش استفاده از این نوع بتن ها به عنوان دوغاب و خمیر پر کننده چال هایی که در ان راک بولت (میل مهار)نصب شده است توصیه می شود.
مواد نانو به عنوان موادي که حداقل يکي از ابعاد آن (طول، عرض، ضحامت) زير 100nm باشد تعريف شده اند، يک نانومتر يک هزارم ميکرون يا حدود 100000برابر کوچکتر از موي انسان است. به طور کلي، در يک تقسيم‌بندي عمومي، محصولات نانومواد را مي توان به صورت‌هاي زير بيان کرد:
فيلم‌هاي نانو لايه (Nano Layer Thin Films) ) براي کاربردهاي عمدتا الکترونيکي، نانو پوشش هاي حفاظتي براي افزايش مقاومت در برابر خوردگي، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي و نانو ذرات به عنوان پيش سازنده(precursor ) يا اصلاح ساز(Modifier ) پديده‌هاي شيميايي و فيزيکي. منظور از يک ساختار (Nanostructured Solid ) يا واضح تر يک بدنه نانوساختار جامدي است که در آن انتظام اتمي، اندازه کريستال هاي تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد.
خواص فيزيکي و شيميايي مواد نانو (در شکل و فرم‌هاي متعددي که وجود دارند از جمله ذرات، الياف، گلوله و...)در مقايسه با مواد ميکروسکوپي تفاوت اساسي دارند. تغييرات اصولي که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکي‌اي اندازه بلکه از نظر خواص جديد آنها در سطح مقياس نانو ميباشد.
هدف نهايي از بررسي مواد در مقياس نانو، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني باعملکرد بالا مي باشد، که آنها را مي توان به عنوان مصالحي با عملکرد بالا و چند منظوره به شمار آورد. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواص جديد و متفاوت نسبت به مواد معمولي ميباشد به گونه‌اي که مصالح بتوانند کاربردهاي گوناگوني را ارائه نمايند.
1- مواد نانو کامپوزيت
مواد نانو کمپوزيت بر پايه پليمر (ماتريس پليمري) اولين بار در سال‌هاي 70 معرفي شده اند که از فناوري sol-gel جهت انتشار (Disperse ) دادن ذرات نانو کاني درون ماتريس پليمر استفاده شده است.
هر چند تحقيقات انجام شده در دو دهه گذشته براي توسعه تجاري اين مواد توسط شرکت تويوتا در ژاپن صورت گرفته است، ولي رشته نانو کمپوزيت پليمر هنوز در مرحله جنيني و در آغاز راه ميباشد. در اين شرايط نانو آلومينا، بهترين ساختار نانويي است که افق جديدي را در صنعت سراميک نويد مي دهد، زيرا کاربرد اين مواد پديده اي است که از نظر مکانيکي، الکتريکي و خواص حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف کاربرد دارد. از جمله ميتوان به چند نمونه اشاره کرد: تکنولوژي نانو فلز آرتونايد که اخيرا الياف تجاري نانو آلومينا را توليد کرده است و ذرات نانويي غير فلز مانند: نانوسيليکا، نانو زيرگونيا و مواد ديگر اصلاح کننده سراميک ها.
2- بتن با عملکرد بالا
يکي از چالش‌هايي که در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است، بتن با عملکرد بالا (HPC) مي باشد. اين نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزيت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزيت و چند فازي مرکب و پيچيده مي باشد. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگي به نانو ساختار ماده زمينه بتن و سيماني دارد که چسبندگي، پيوستگي و يکپارچگي را بوجود مي آورد.
بنابراين، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و کاربرد آنها اهميت دارد.روش معمولي براي توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتن مسلح با انواع مختلف الياف ميباشد. در مورد بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانيکي بهتر، بتن با عملکرد بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافه ديگري را دارا ميباشد، از جمله ميتوان به خاصيت الکترو مغناطيسي و قابليت بکار گيري در سازه هاي اتمي (محافظت از تشعشعات) و افزايش موثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمان‌ها و ... را نام برد.
3- نانو سيليس آمورف
در صنعت بتن، سيليس يکي از معروفترين موادي است که نقش مهمي در چسبندگي و پر کنندگي بتن با عملکرد بالا (HPC) ايفا مي کند.
محصول معمولي همان سليکيافيوم يا ميکرو سيليکا ميباشد که داراي قطري در حدود0.1 تا 1 ميليمتر بوده و داراي اکسيد سيليس حدود 90% ميباشد. ميتوان گفت که ميکروسيليکا محصولي است که براي افزايش عملکرد کامپوزيت مواد سيماني به کار برده ميشود.
محصولات نانو سيليس متشکل از ذراتي هستند که داراي گوله‌اي شکل بوده و با قطر کمتر از 100nm يا بصورت ذرات خشک پودر يا به صورت معلق در مايع محلول قابل انتشار مي‌باشند، که مايع آن معمول‌ترين نوع محلول نانوسيليس مي باشد، اين نوع محلول آزمايشات مشخص در بتن خود تراکم ([2] SCC ) به کار گرفته شده است. نانو سيليس معلق کاربردهاي چند منظوره از خود نشان مي دهد مانند:
خاصيت ضد سايش
ضد لغزش
ضد حريق
ضد انعکاس سطوح
آزمايشات نشان داده‌اند که واکنش مواد نانو سيليس (Colloidal Silica) با هيدرواکسيد کلسيم در مقايسه با ميکروسيليکا سريع‌تر انجام گرفته و مقدار بسيار کم اين مواد همان تاثير پوزالاني مقدار بسيار بالاي ميکروسيليکا را در سنين اوليه دارا مي باشد. تمام کارهاي انجام يافته بر روي کاربرد مواد نانو سيليس کلوئيدي (Colloidal Nano Silica )در بخش اصلاح مواد ريولوژي، کارپذيري و مکانيکي خمير سيمان بوده است. آنچه که در اينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانو سيليس با قطري در محدوده 5 تا 100nm ميباشد.
4- نانو لوله‌ها (NANOTUBES)
همان گونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولا الياف براي مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانيکي بتن بکاربرده مي شوند. امروزه از الياف فلزي، شيشه‌اي، پلي پرويلين، کربن و ... در بتن براي مسلح کردن استفاده مي شود و ليکن تحقيقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربني (Carbon Nan otubes )انتشار نيافته است تا بتوان از نتايج براي مسلح کردن بوسيله نانولوله ها استفاده کرد.
نانو لوله کربني توسط LIJIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهاي بسياري بر روي ساختار نانو در بخش فيزيک کوآنتم انجام يافته است بطوري که تحقيقات نوين روي تکنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهاني نقش اساسي و اصلي بازي مي کند. کربن 60 و نانو لوله‌هاي نوين داراي ساختاري هستند که آنها را از فولاد قوي‌تر و بسيار سبک مي کند بطوريکه مي توانند خميدگي و کشش را بدون شکستن تحمل نمايند و در آينده جايگزين الياف کربن خواهند شد که در کامپوزيت‌ها بکار برده مي شوند.
نانو لوله‌ها با توجه به تحقيقات انجام شده در مرکز تحقيقات بتن (وابسته به موسسه ACI شاخه ايران) داراي مقاومت کششي بيش از هر نوع الياف بتني شناخته شده مي‌باشند و نيز نانو لوله‌ها خواص ويژه قابل ملاحظه حرارتي و الکتريکي از خود نشان مي دهد، بطوريکه هادي بودن حرارت آنها بيش از دو برابر الماس و هادي بودن الکتريکي آنها 1000برابر مس است.
نانو لوله‌ها طبقه جديدي از محصولات مي‌باشند که انقلابي جديد در زمينه مصالح و مواد نانو کامپوزيت‌هاي چند منظوره بوجود آورده اند ومي‌توانند به عنوان نانو لوله‌هاي کربني در نقش الياف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گيرند. بنابراين نانو لوله‌هاي کربني از اجزاي کليدي بدست آوردن هدف اصلي ذکر شده در فوق به عنوان مسالح ساختماني با عمکرد بالاي چند منظوره، بازي مي‌کنند.
با توجه به رشد سريع تحقيقات علمي و عملي علوم و فنون نانو در كليه علوم و صنايع توجه بسياري كمي به كاربردهاي اين پديده در صنعت ساختمان و بطور عام در ساخت و ساز شده است. ولي اخيراً با توجه به تقويت كننده‌ها و استحكام دهنده‌هاي نانويي در مصالح ساختماني، موج جديدي با شتاب فزاينده صنعت ساخت و ساز را در برگرفته است. كربن نانوتيوبها، استوانه‌هاي تو خالي از تك ورقه‌هاي گرافيتي هستند كه به شكل استوانه پيچيده شدهاند، اين مواد داراي خواص ساختاري مكانيكي و الكتريكي فوق‌العاده‌اي هستند كه ناشي از خواص ويژه پيوندهاي كربني و تقارن استوانه‌اي آنهاست. در مورد كربن، كربن نانوتيوبها ، خواص، كاربردها و روشهاي توليد انواع مختلف آنها بر حسب نياز، تحقيقاتي تاكنون انجام گرفته است و از آنجا كه نانولوله‌هاي كربن از كربن گرافيتي ساخته شدهاند مقاومت بسيار خوبي در برابر حملات شيميايي و نيز پايداري حرارتي خيلي خوبي دارند.
مقدمه
نانوتكنولوژي يا آنترل مواد در مقياس مولكولي، گشايش اسرار طبيعت در تمام عرصه ها از مهندسي تا پزشكي را نويد ميدهد.
در آينده نه چندان دور، در خانه هاي جديد آجرها ممكن است هنگامي که ترکي در آنها ظاهر ميشود خودشان را تعمير کنند. ماشينها نيز ممكن است با لايهاي به استحكام الماس پوشانده شوند که آنها را در برابر خراشها محافظت ميكند. پزشكان نيز خواهند توانست
صدها نوع بيماري را تنها با قرار دادن يك قطره خون در يك دستگاه تشخيص داده و پس از چند ثانيه نتيجه را دريافت آنند.
نانوتكنولوژي در جهاني بسيار کوچك آنترل ميشود. هدف نانوتكنولوژي ساخت اشياء، اتم به اتم، ملكول به مولكول و با يك رويكرد از پايين به بالاست، راهي که طبيعت ميليونها سال است انجام ميدهد.
نانو يك پيشوند علمي است که به معني « يك ميلياردم » است و حوزه نانوتكنولوژي در حدود ميلياردم متر است، ابعادي که در آن اتمها با هم تر کيب شده و مولكولها روي هم اثر متقابل دارند. هدف اين است که اگر بشر بتواند به اتمها بگويد که چه طور خودشان را مرتب آنند و چگونه رفتار آنند،
بسياري از خواص يك ماده قابل آنترل ميگردد. همان طور که در طبيعت اتمهاي کربن موجود در زغال سنگ را با تغيير دادن ترتيب قرار گرفتن آنها به الماس تبديل ميكنند، بنابراين خواصي مانند رنگ، استحكام و شكنندگي نيز در سطح اتمي قابل تعيين خواهند بود.
دانشمندان بر اين عقيده اند که اگر بتوانند يك آجر را اتم به اتم بسازند، مولكولهايش را نيز ميتوانطوري تعليم داد تا هنگاميكه يك ترك ظاهر
ميشود آن را تعمير آنند يا اينكه با کم يا زياد کردن تخلخل، خود را با شرايط مرطوب هوا وفق دهند.
CNT ديباچه کربن نانوتيوپ :
يكي از مهمترين زمينه هاي (CNT) کربن نانوتيوبها تحقيقاتي در نانوتكنولوژي مي باشند خواص و پتانسيل ويژه و انحصاري آنها براي کاربردهاي ارزشمند تجاري، طيف وسيعي از الكترونيك تا آنترل فرايندهاي شيميايي را در بر ميگيرد.
همانطور که اشاره شد کربن نانوتيوبها استوانه هاي تو خالي از تك ورقه هاي گرافيتي هستند که به شكل استوانه پيچيده شده اند اين مواد داراي خواص ساختاري و مكانيكي و الكتريكي فوق العادهاي هستند که ناشي از خواص ويژه پيوندهاي کربن و تقارن استوانه اي آنهاست.
مدول يانگ و نسبت تنش به کرنش، که معيار مقاومت يك ماده در برابر تغيير شكل است براي مواد مختلف از 600 متغيروبراي سخترين مواد از قبيل Gpa تا Gpa چند 0/ الماس تغيير ميكند. اين کميت براي نانولوله هااز 4 تغيير مي آند. مقدار متوسط آن براي Tpa ، 4/ تا 15
1/28 است. Tpa حدود MWNT 1 و براي Tap حدود SWNT با افزايش قطر نانولوله ها، مقدار کرنش کاهش يافته و مدول يانگ افزايش پيدا ميكند. نسبت استحکام به دانسيته نيز در طراحي مواد ساختماني بسيار مهم است. اين مقدار براي نانولوله هاي کربني صدها برابر فولاد است.اين کميت براي الياف کربني 40 برابر فولاد است. از آنجا که نانولوله هاي کربن از کربن گرافيتي ساخته شدهاند، مقاومت بسيار خوبي در برابر حملات شيميايي داشته ونيز پايداري حرارتي خيلي خوبي دارند.
ساختمان تيوب
ميتوان کربن نانوتيوبها را نوع اصلاح و تغيير شكل يافته گرافيت تصور کرد. گرافيت از لايه هاي بسيار زياد اتمهاي کربن که بر فرم شش گوش بهم متصل و ورقه هاي مسطحي را تشكيل مي دهند شكل گرفته است. پيوند بين لايه ها ضعيف و پيوند بين اتمها قوي ميباشد.
را ميتوان ورقه يا ورقه هايي از گرافيت تصور CNT ميتواند بشكل CNT . کرد که لوله شده باشند مثل يك ورقه لوله شده ، SWNT نانوتيوبهاي تك جداره شبيه به چندورق که با هم MWNT يا چند جداره لوله شده باشند موجود باشد.
بتن در مقياس نانو:
بتن از جمله مواد خلل و فرج دار است و اين منافذ در مقياس نانو صورت مي گيرد. واکنش شيميايي که بين سيمان آب ايجاد مي شود در مقياس نانو است . اين منافذ نانو، خصوصيات محصول هيدراته سيليكا کلسيم را آنترل ميكند به همين دليل بتن از بعضي جهات يك ماده نانو است .
حملات شيميايي از طريق منافذ بتن به فولاد درون آن نفوذ ميكند و آن را ا کسيد ميكند که باعث خورندگ ي ،ترک و در ايت شكست بتن مي شود و به همين دليل ميكرو ساختار بتن شايسته توجه بيشتري است.
(fumed مخلوطي بتني که حاوي نانو ساختار فومد سيليكا هستند (محصول فرعي توليد شيشه صنعتي)، به silca) عنوان يك ماده افزودني بسيار مهم که باعث مقاومت و دوام ساختار بتني که در معرض خورنده گي نمک قرار گرفته ، شناخته شده است. بطور کلي با افزودن فومد سيليكا که نقش افزودني در دارد و واکنش آن در مقياس نانو است .بتن با دوام و مقاوم ساخته ميشود اما اگر به مقدار زياد افزوده شود بتن را ترد و شكننده ميكند، پس لازم است مقداري که بايد اضافه آنيم رامحاسبه آنيم.
سيمان فعال نانو ساختار
در طول تحقيقات از آناليز شيميايي رزنانس هسته (Nuclear Resonance Reaction Analysis - NRRA) براي مطالعه هيدراتاسيون سيمان در مقياس نانو استفاده مي شود. واکنش بين سيمان و آب در مقياس بسيار ريز صورت مي گيرد.بوسيله اين تحقيق اطلاعات بهتري از اتفاقي که در سطح ذرات سيمان مي افتد و هيدراته مي شوند بدست مي کيد. يك پرتو از اتمهاي نيتروژن به سيماني که به آن آب اضافه شده است، تابانيده مي شود و نتايج بصورت يك گراف کشيده مي شود که به آن برش عمودي هيدروژن در عمق مي گويند،
و سرعت نفوذ آب و کرايش لايه هاي سطحي مختلف را که در طول واکنش حاصل مي شود را نشان مي دهد.
با مشاهده تصاوير واکنش سيمان و آب لايه سطحي به ضخامت 20 نانومتر مانند يك سد نيمه تراوا عمل مي آند که اجازه مي دهد آب وارد ذرات سيمان شود و با يو اي کلسيم واکنش دهد. يو اي سيليكا که بزرگتر هستند در پشت اين لايه باقي مي مانند. با ادامه يافتن واکنش لايه ژل سيليكات در زير لايه سطحي تشكيل ميشود که عامل تورم سيمان است . و با تورم سطح ناگهان لايه سطحي مي شكافد. اين شكست سيليكاتهايي را که محبوس شده بودند را آزاد مي کند و با يو اي کلسيم واکنش مي دهند و توليد ژل هيدراته سيلكات کلسيم مي آند و باعث سفت شدن بتن مي شود. تكامل تدريجي برش عمودي هيدروژن زمان شكستن لايه سطحي رانشان ميدهد. اين اطلاعات ميتواند براي مطالعه فرايند سفت شدن بتن به صورت تابعي از دما، حرارت، شيمي، سيمان و … مورد مطالعه قرار بگيرد. به شكست سيمان NRRA عنوان مثال با استفاده از 1 ساعت پس از افزايش / 86 مدت 5 0F هيدراته در دماي آب تعيين ميشود.
(ASR) Alkali - Silica Reaction واکنش ژل کلكالي سيليكا بين قلياييهاي ( کلكالي) سيمان و فرم فعال سيليكا درهنگام اختلاط مصالح واکنش صورت مي گيرد. که به برهم کنش کلكالي سيليكا معروف است. اين برهم کنش توليد ژل کلكالي سيليكا ميكند. اگر رطوبت کافي باشد ژل منبسط ميشود و باعث ترك خوردن بتن ميشود. بتن را تضعيف ميكندو آنرا در بعضي نقاط نسبت ASR ASR به نيروهاي خارجي کسيب پذير ميكند. انبساط ژل شامل تبديل و تغيير شكل ژل کمورف در مقياس نانو است که با استفاده از پراش نوتروني تغييراتي که در مقياس نانو در ژل اتفاق مي افتد به عنوان تابعي از شيمي ژل، دما و رطوبت نسبي مورد مطالعه قرار مي گيرد و قابل مشاهده است.
ژل کلكالي سيليكا در مقياس نانو
: fly ash و ژل نانو ساختار ( fly ash) برهم کنش بين خا کستر سيمان پرتلند، بر قدرت و دوام بتن اثر ميگذارد. با استفاده از پراش نوتروني، کيفيت و چگونگي تغييرات مي fly ash را به عنوان تابعي از زمان و تر کيب توان مطالعه کرد.
و ذرات سيمان درمقياس نانو fly ash برهم کنش سرعت هيدراتاسيون سيمان: بسيار مهم است که يك مدل درست از واکنش سيمان با آب به عنوان تابعي از دما، نسبت آب به سيمان واندازه ذرات سيمان داشته باشيم. اما بدست آوردن اين اطلاعات اساسي با ستفاده از روشهاي آناليز مرسوم مشكل است زيرا واکنشها در منافذ نانو ژل سيمان اتفاق ميافتد. روش پراش نوتروني براي اندازه گيري جنبش و حر کت و واکنشهاي آب در اين اندازه بسيار مناسب است. هم چنين محققين توسط اين روش تأثير فا کتورهاي مختلف را بر روي سرعت پيشرفت تر کها در سيمان مطالعه ميكنند.
نتيجه گيري:
نانوتكنولوژي عرصه جديدي است که در آينده تاثيرات زيادي بر ديگر تكنولوژيها و نيز کيفيت زندگي بشر خواهد گذاشت. در ايران نيز حر کت به سوي اين تكنولوژي شروع شده است.
کربن نانوتيوبها يكي از مهمترين موادي هستند که جهت کاربردهاي نانوتكنولوژي مورد بحث و بررسي هستند .
خواص ويژه آنها طيف گستردهاي را در بر مي گيرد از استحكام فوق العاده زيادشان تا رفتار غير معمول الكترونيكي، هدايت حرارتي بالا، قابليت ذخيره و نگهداري ذرات نانوئي داخل تيوبها پتانسيل کاربردهاي فراوان کربن نانوتيوبها و خواص ويژه آنها باعث سعي و تلاش بسيار زيادي در زمينه هاي مختلف در صنعت CNT علمي و مهندسي شده است. کاربردهاي ساختمان، طيف وسيعي از کامپوزيت مواد تا تر کيبات و اجزاء با استحكام بالاي ساختاري و تكنولوژي انتقال حرارت را در بر ميگيرد.
