بخشی از مقاله
استفاده از نانو تکنولوژي در بهبود خواص بتن
خلاصه
يکي از مهمترين پيشرفتهاي بوجود آمده در صنعت عمران ،کاربرد نانو تکنولوژي و عملکرد بتن در ترکيب با اينگونه نانو مواد در جهت بهبود خواص و رفتار وساختار آنها و نيز توان بکارگيري مصالح نانو در جهت ساخت بتن با عملکرد بالا و چند منظوره است .استفاده از نانو مواد در توليد بتن علاوه بر تاثيرات مثبت بر خواص آن از جمله مقاومت فشاري،به دليل مصرف کمتر سيمان،کاهش مصرف انرژي و کاهش گازهاي گلخانه اي را به همراه دارد. در اين مقاله سعي گرديده تا خواص اين مواد معرفي و برتري هر کدام مورد بررسي قرار گيرد.
کلمات کليدي: نانو تکنولوژي،بتن ،نانوساختار،مقاومت فشاري،نانو سيليس
مقدمه
نانو تکنولوژي يک رشته جديد نيست بلکه به معني رويکرد جديد در تمام رشته ها است . نانو تکنولوژي چشم انداز جديدي از توليد مواد، در مقياس نانو را با خواص و چيدمان اتمي متفاوت در اختيار ما قرار مي دهد. هدف نانو تکنولوژي در واقع ساخت اشيا، اتم به اتم است . با رويکردي از پايين به بالا، رويکردي که طبيعت ميليون ها سال است که انجام مي دهد..
حوزه نانو تکنولوژي يک ميليارد است ، ابعادي که اتم ها با يکديگر ترکيب شده و مولکول ها بر يکديگر اثر متقابل دارند و هدف اين است که بشر بتواند مولکول ها را آن گونه که خود مي خواهد، مرتب کند و رفتار کنند . در اين صورت بسياري از خواص ماده قابل کنترل مي گردد، همان گونه که اتم هاي موجود در کربن آمورف با تغيير آرايش مولکولي توليد الماس مي کنند و لايه هاي گرانيت تبديل به نانو تيوپ هاي کربني مي شوند و عنصر طلا ، اين فوق رساناي زرد به عنصر سبز رنگ نارسانا تبديل مي شود.
فناوري نانو ، کاربزد وسيعي در حوزه هاي مختلف پزشکي و الکترونيک تا صنعت ساختمان را در برگرفته است . تا کنون نانو تکنولوژي در صنعت ساختمان در حوزه هاي مختلفي ، از توليد شيشه هاي هوشمند گرفته تا توليد سطوح آنتي باکتريلاي ، سطوح خود تميز شونده ، سطوح تصفيه کننده هوا، سطوح با قابليت خود ترميم شوند گي کاربرد پيد اکرده است . همگام با توسعه نانوتکنولوژي در صنايع مختلف ، توجه به کاربردهاي اين علم ، در قلمرو بتن هم ، مورد توجه قرار گرفته است در چند سال اخير تحقيقات بسياري بر روي کاربرد فناوري نانو در تکنولوژي بتن انجام شده است . اين فناوري به سبب خواص ويژه ذرات در اين فاز، طرفداران زيادي بين محققين علم مواد و بتن پيدا نموده است . در اين بين ، محققيين زيادي اکسيدهاي مختلفي با مقياس نانو را براي بهبود خواص فيزيکي ، مکانيکي و دوام بتن استفاده نموده اند از پان جمله مي توان به نانو سيليس T(nano-sio٢)، نانو اکسيد آهن (nano-Fe2O3)، نانو لوله هاي کربني ، نانواکسيد تيتانيوم (nano-Tio٢)، نانو اکسيد آلومينيوم (nano-Alo٢٣) و ساير موارد اشاره نمود. استفاده از اين ذرات در بتن با توجه به ريزي ، درسطح مخصوص ، واکنش پذيري و قابليت فعال سازي بالاي آن ها و از طرفي ساختار متخلخل تنن و وجود حفراتي در ابعاد نانو، مي تواند به بهبود خواص بتن کمک نمايد.[٢]
نانو بتن
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 هيدارته سيليکا- کلسيم را کنترل مي کند به همين دليل بتن از بعضي جهات يک ماده نانو است . حملات شيميايي از طريق منافذ بتن به فولاد درون آن نفوذ مي کند و آن را اکسيد مي کند که باعث خورندگي ، ترک و در نهايت شکست بتن مي شود و به همين دليل ميکرو ساختار بتن شايسته توجه بيشتري است .
يکي از چالش هايي که در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است توليد بتنهاي با عملکرد با لا، مقاومت زياد و دوام در برابر شرايط نامناسب جوي مي باشد . اين نوع بتن هاي مقاوم ، از خلوط سيمان هاي مقاوم به همراه ساير افزودني ها ساخته مي شوند استفاده از خاکستر بادي ، الياف ، ميکرو سيليس ، پليمرها به عنوان افزودني باعث بهبود خواص بتن ، اقزايش مقاومت ، دوام بيشتر و سايش کمتر و مقاومت در برابر خوردگي مي شود . مواد نانو ساختار نيز با توجه به رفتارهاي بارزي که از خود نشان داده اند ، مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هاي اخير قرار گرفته اند. در اين ميان صنعت بتن نيز با توجه به نيازهاي خود چه از نظر استحکام ، مقاومت و دوام و نيز کارآيي بالا، از استفاده کنندگان مهم مواد نانو ساختار مي باشد.
خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگي به نانوساختار ماده زمين بتن و سيماني دارد که چسبندگي ، پيوستگي و يکپارچگي را بوجود مي آورد بنابراين مطالعات بتن و خمير سيمان در مقايسه نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و کاربرد آنها بسيار حائز اهميت مي باشد با استفاده از نانو ذرات در بتن مي توان خواص ديگري از جمله خاصيت الکترو مغناطيسي و قابليت بکارگيري در سازه هاي اتمي ( محافظت از تشعشعات ) و حفظ انرژي ساختمان ها و ... را کنترل نمود با توجه به مقاومت بالا در برابر خوردگي و سايش در مناطقي که نياز به استفاده از بتن هاي با کارآيي بالامي باشد ، براي مثال باندها، فرودگاه ، پل ها ، ساختمان هاي بلند ( آسمانخراش ها ) و پارکينگ ها کاربرد زيادي دارند. همچنين با توجه به اينکه مي تواند از نانوذراتي در بتن استفاده نمود که جلوي تشعشات راديواکتيو را بگيرد از اين نوع بتن ها در ساخت بلوک هاي نگهداري ضايعات هسته اي نيز استفاده مي شود .[٢]
انواع نانو مواد
نانولوله هاي کربني (CNT)
تحقيقات گسترده اي درخصوص کاربردهاي نانولوله هاي کربني در حال انجام است وتاکنون خواص قابل ملاحظه اي از آن ها کشف شده است ؛ براي مثال باوجود اينکه چگالي آن ها يک ششم چگالي فولاد است ، مدول يانگ آنهاپنج برابر واستحکام آنها هشت برابر فولاد است . درصورت افزودن نيم الي يک درصد وزني از اين نانولوله ها به ماتريس بتن خواص نمونه ها به طور قابل توجهي بهبود مي يابد. (نانولوله ها ي کربني به صورت هاي تک جداره وياچند جداره مورد استفاده قرار مي گيرند.
نانو ذرات رس (Nano-Clay)
برخي از انواع نانوذرات درچسب هاي (ملات هاي binder) مختلف ونحوه تاثير آنها برروي ويژگي هاي کليدي مرتبط با فرسايش بتن ؛ مانند ممانعت ازانتقال يون هاي کلر، مقاومت دربرابر دي اکسيد کربن ، پخش بخار آب، جذب آب وعمق نفوذ هدايت مي شوند. نوعي حلال متشکل از رزين اپوکسي باوزن ملکولي پايين ونانوذرات رس(Nano-Clay)، نتايج اميدوارکننده اي را در اين زمينه نشان داده است .
نانوذرات اکسيد آهن يا هماتيت Fe2O3
درصورت اضافه نمودن نانوذرات اکسيد آهن به ماتريس بتن علاوه بر افزايش مقاومت بتن ، پايش سطوح تنش بتن را ازطريق اندازه گيري مقاومت الکتريکي برشي امکان پذير مي سازد.
نانوذرات دي اکسيد تيتانيوم (TiO2)
نانو ذرات دي اکسيد تيتانيوم هم براي بهبود ويژگي هاي بتن در نماي ساختمان ها به عنوان پوشش بازتاب کننده مورد استفاده قرار مي گيرد.اين نانو ذرات ازطريق واکنشهاي فوتوکاتاليستي قوي قادر به شکستن وتجزيه آلاينده هاي آلي،ترکيبات آلي فرار(VOC) وغشاي باکتريايي هستند، به همين جهت براي ايجاد خاصيت ضد عفوني کنندگي به رنگ ها، سيمان ها وشيشه ها اضافه مي شوند.بتن حاويTiO2 داراي رنگ سفيد و درخشندگي خاصي است و اين درخشندگي رابطور موثري حفظ مي نمايد. درحالي که ساختمان هاي ساخته شده بابتن معمولي فاقد چنين ويژگي هستند.
حسگرها
حسگرها ي مبتني برفناوري نانو نيز مي توانند به نوبه خودکاربردهاي زيادي در سازه هاي بتني داشته باشند؛ براي کنترل کيفيت ودوام بتن ، اين حسگرها مي توانند براي هدف هاي مختلفي نظير؛ اندازه گيري چگالي، ميزان افت بتن ، پارامترهاي موثر دردوام بتن مانند؛ دما، رطوبت ، غلظت کلر، PH ؛دي اکسيدکربن ، تنش ، خوردگي ميلگردها وارتعاش طراحي شوند.[٥]
استفاده از فناوري نانو جهت بهبود عملکرد ترميم بتن
فناوري نانو مي تواند به مقاوم سازي بتن ها کمک کند و همچنين روکش هاي ضد خوردگي بتن با استفاده از اين فناوري توليد مي شود.يکي از روش هاي محافظت از بتن هاي در معرض شرايط محيطي خورنده، مانند محيط هاي دريايي، استفاده از روکش هايي است که نفوذ عوامل مخرب خارجي را به درون بتن سد مي کنند.اين نوع پوشش خلل و فرج سطح بتن را پر کرده و براق مي کند و علاوه بر اين در برابر شرايط بد آب و هوايي، حلال ها،
پاک کننده هاي صنعتي و خوردگي مقاوم است .
بتن نيمه شفاف
استفاده تکنولوژي نانو همچنين امکان توليد بتن نيمه شفاف فراهم نموده است که تحول عظيم در زمينه طراحي ساختمانها و سازه هاي شهري از قبيل پلها ايجاد مي نمايد.اين نوع بتن با افزودن فيبرهاي شيشه به بتن براي توليد محصولي فوق العاده تهيه مي شود.
اين نوع بتن نيمه شفاف مقاومت بسيار بالايي دارد و مي تواند براي مصارف معمولبتن به کار گرفته مي شود .مواد افزودني شيميايي مي تواند به بهبود خواص فيزيکي و مکانيکي اين محصول کمک نمايد.
اين نوع بتن در حال حاضر يک محصول آزمايشگاهي است ،توليد اين محصول پر هزينه بوده و هنوز به توليد انبوه رسيده است .[٤]
