مقاله بررسی تاثیرکاربرد نانو سیلیس بر خصوصیات مکانیکی بتن

بخشی از مقاله

بررسی تاثیرکاربرد نانو سیلیس بر خصوصیات مکانیکی بتن

خﻻصه

در مقاله پیشرو به بررسی وضعیت کنونی استفاده از نانو سیلیس در بتن برای بهبود خواص مکانیکی و همچنین نیل به سمت توسعه پایدار پرداخته شده است که به کارگیری نانو سیلیس به همراه برخی مواد افزودنی مانند (خاکستر بادی،پودر آجرو...) موجب کاهش اثرات سوء زیست محیطی و کاهش مواد زائد میشود. مقاله های مختلفی بررسی شده اند تا به درک تاثیر نانو سیلیس در خمیر سیمان، مﻻت سیمان و بتن کمک کند. بهره گیری از ابزار و مواد ساختار نانو و خواص انها، استفاده بهینه به طور همزمان و همچنین جدا از نانو سیلیس و ترکیباتی در ابعاد میکرو، یک مخلوط بتنی جدید بوجود آورده که منجر به ایجاد ساختار بتن با ماندگاری باﻻ در آینده می شود.
کلمات کلیدی: بتن، نانو سیلیس، مقاومت فشاری، محیط زیست

1. مقدمه

بتن ماده ای بسیار ناهمگن تولید شده توسط ترکیبی از پودر سیمان و سنگدانه با اندازه های مختلف و آب ،با خواص طبیعی فیزیکی ،مکانیکی و شیمیایی است . واکنش بین سیمان و آب ،هیدرات سیلیکات کلسیم تولید می کند،که باعث مقاومت بتن و دیگر خواص مکانیکی بتن و همچنین برخی از محصوﻻت جانبی از جمله هیدروکسید کلسیم CH ،منافذ ژلی و غیره میشود. با وجود سیمان هیدراته و محصوﻻت جانبی حاصل در همه جای بتن ، کنترل واکنش در بتن بعد قالب گیری و سفت شدن دشوار است و این مشکل عمده ی موجود در صنعت بتن است. موضوع مهم، در حالت تازه و سخت بتن،شکاف ها و مشکﻻت ناشی از آن ها می باشد. ترک ها در سازه های بتنی و فرسایش زودرس به دلیل واکنش های سیلیسی قلیایی ، که یک واکنش شیمیایی است به وجود می آید. به غیر از موارد فوق نفوذپذیری گازها از طریق منافذ و میکرو ترک ها در بتن منجر به مشکل خوردگی شده وکه در تعمیرات بتن باعث وخامت بیشتر می شوند. عﻻوه بر این انبساط و انقباض بتن، که باعث ایجاد ترک در بتن در سنین باﻻ می شود، حمله سولفات باعث فروپاشی در بتن و شسته شدن مواد شیمیایی می شود که هر دو مورد به دلیل هیدروکسید کلسیم اضافیCH است. محصول جانبی در طول هیدراسیون سیمان طبق معادله زیر است.

با توجه به معادله باﻻ، CSHفاز مقاومت است در حالی که محصول جانبیCH که فاقد هر گونه خواص سیمانی است وبه راحتی در اثر حمله شیمیایی شسته می شود. با افزودن مواد مناسب سیمانی سیلیسی یا الومینی ،به سیمان که با CH واکنش نشان می دهند . تولیدCSH اضافی و جایگزینی با CH باعث بهبود ساختار منافذ ،کاهش نفوذپذیریگازها و آّب در بتن می شوند .کاهش مقدار CH در طول هیدراسیون سیمان فرصت حمله سولفات و شسته شدن با مواد شیمیایی را کاهش می دهد و با ترک خوردگی بتن تا حدی مقابله خواهد کرد. برای حل مشکل فوق روش های مختلفی مانند واکنش پوزوﻻنی سیمان با استفاده از مواد سیمانی به منظور واکنش شیمیایی با CH جانبی برای به دست آوردن مقدار CSH اضافی استفاده شده و یا

1

استفاده از مواد سیمانی مانند ساییده خاکستر بادی ،گرانول پوزوﻻنی برای پر کردن منافذ درجهت کاهشCH و به دست آوردن CSH اضافی مورد بررسی قرار گرفته است. افزودن مواد سیمانی در بتن نه تنها در بهبود خواص مکانیکی بتن میشود، بلکه در کارایی آن تغییر زمان قالب پذیری و دوام موثر است.

در این برهه ،محققان در حال سرمایه گذاری در فناوری نانو برای ایجاد نسل جدیدی از مواد بتنی برای غلبه بر موانع فوق و تﻻش برای رسیدن به سازه های بتنی پایدار هستند. نیاز روز برای تکامل مواد (بهبود یا عملکرد بهتر) برای برنامه های مهندسی خاص و اصﻻح بخش عمده ای از مواد از نظر ترکیب ساختار یا نانو ساختار در مسیر تعیین شده برای ایجاد مواد جدید مد نظر است مواد جدید تر همچنین می توانند توسط مواد هوشمند و مخلوط کردن مواد موجود در سطح پایه بدست آورده شوند. با پیشرفت فن آوری نانو، مواد نانو توسعه یافته اند که می توان به مخلوط بتن برای مطالعه خواص فیزیکی ، شیمیایی و مکانیکی افزود. در میان مواد مختلف نانو تولید شده: نانو سیلیس ،نانو آلومینا ،نانو تیتانیا ، نانو زیکو نیا، نانو آهن و نانو لوله های کربن CNT و یا الیاف و غیره را میتوان نام برد. افزودن نانو سیلیس منجر به ، افزایش امکان واکنش با هیدروکسید کلسیم CH و تولید هیدرات سیلیس کلسیم CSH به منظور افزایش مقاومت بیشتر در ساختار سیمان و همچنین باعث پر کردن منافذ در اثر استفاده از نانو سیلیس در بتن می شود ساختارنانویی C-H-S در شکل شماره 1 قابل مشاهده میباشد .[1] از این رو، در این مقاله، به بررسی مطالعات انجام شده درباره ی اثر نانو سیلیس در بتن پرداخته شده است.

شکل شماره -1ساختارنانویی C-H-S کریستال شده در ﻻیه کلسیت گرفته شده به وسیله [2] AFM

2. بتن و توسعه پایدار

بتن درصنعت ساخت و ساز منحصر به فرد است، تنها ماده ای مختص به این کار و در نتیجه مورد توجه برای سرمایه گذاری و تحقیقات در این صنعت است. بتن یک ترکیب تشکیل شده از سنگدانه، سیمان، و آب است، یک نانو ساختار پیچیده و چند مرحله ای است که در طول زمان مسن می شود. توسعه پایدار توسط کمیسیون جهانی محیط زیست به عنوان توسعه ای که پاسخگوی نیازهای حال حاضربشر، بدون به خطر انداختن توانایی نسل های آینده برای رفع نیازهای خود تعریف شده است. توسعه پایدار اساسا یک ایده برای بهتر شدن سیاره زمین با ادامه رشد و توسعه انسانی است. شیوه های ساخت و ساز در حال حاضر بر اساس مصرف مقادیر زیادی از مصالح ساختمانی و آب آشامیدنی و در نتیجه کمبود این منابع پس از یک دوره طوﻻنی استوار است. توسعه پایدار مﻻت سیمان باعث صرفه جویی منابع طبیعی و انرژی و همچنین حفاظت از محیط زیست با کاهش مواد زائد می شود. خواص مﻻت در حالت تازه مانند کارایی توسط توزیع اندازه سنگدانه ها و خواص در حالت سخت ، مانند استحکام و دوام، توسط درجه بندی مخلوط و فشرده سازی تحت تاثیر قرار میگیرد. خواص رئولوژیکی خمیر سیمان تازه نقش مهمی در تعیین کارایی بتن ایفا می کنند. میزان آب برای روانی، هیدراسیون و خواص حالت سخت تعیین کننده است که تا حد زیادی به نسبت سیمان به آب بستگی دارد. عواملی مانند آب، هیدراسیون اولیه، مواد افزودنی کاهنده آب و مواد معدنی (مواد افزودنی مانند میکروسیلیس) در تعیین درجه لخته شوندگی در خمیر سیمان تاثیر دارند .[2]

2

3. روش تحقیق

این تحقیق با استفاده از روش مطالعه مروری به مطالعه جنبه های مختلف و آزمایش های انجام شده بر تاثیر نانو سیلیس بر خواص بتن و همچنین برخی کاربرد های آن پرداخته است.

4. فناوری نانو در بتن

علم نانو و مهندسی نانو بعضاً( به نام اصﻻح نانو بتن گفته میشود) مواردی هستند که بطور ساده به توصیف دو راه اصلی استفاده از فناوری نانو در پژوهش بتن میپردازد.راه اول: علم نانو که با اندازه گیری خصوصیات نانو و میکرو ساختار مواد مبتنی بر سیمان برای درک بهتر خواص ساختار ابعاد بزرگتر و عملکرد آن از طریق استفاده از تکنیک های توصیف پیشرفته و مدل سازی سطح مربوط به اتمی یا مولکولی تاثیر گذار مربوط است که به این روش به روش پایین به باﻻ معروف است(شکل.(2راه دوم: نانو مهندسی شامل تکنیک دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری برای توسعه نسل جدیدی از طراحی چند منظوره و مواد مرکب سیمانی با عملکرد برتر مکانیکی، دوام و به طور بالقوه داشتن طیف وسیعی از خواص مانند: مقاومت الکتریکی کم، قابلیت خود سنجش ، خود تمیز شوندگی، خود ترمیمی، انعطاف پذیری باﻻ، و کنترل ترک است. بتن را می توان توسط اختﻻط بلوک های نانوساختار و یا دیگر نانو ذرات (به عنوان مثال، نانوذرات و نانولوله ها) برای کنترل رفتار مواد و اضافه کردن خواص، و یا توسط ضمیمه های مولکول بر روی ذرات سیمان، فاز سیمان، سنگدانه، و مواد افزودنی (از جمله مواد افزودنی در ابعاد نانو) برای ارائه کارایی بهتر نانو مهندسی کرد که به روش باﻻ به پایین معروف است(شکل.[2] (2

شکل شماره-2رویکردهای از باﻻ به پایین و از پایین به باﻻ در نانو تکنولوژی [2]

5. تعاریف نانو ابعاد

در مقایسه با سایر فن آوری ها، فناوری نانو دارای تعریف و ساختار بسیار ضعیفی است "نانو" یک کلمه یونانی و به معنای کوتوله است . این به معنی کار با کوتوله نیست اما یک کلمه مشترک برای همه چیز که کوچکتر از 1 میکرون یا 1 میلیون از یک میلی متر است. 1 میکرون 1000 نانومتر است. علوم نانو و نانو مهندسی (اصﻻح نانویی ) در بتن به طور کلی توصیف نظری از دو روش اصلی برنامه های کاربردی و دست آوردها در بتن است .[3]

3

6. نانوسیلیس

در مقایسه با میکروسیلیس، نانو سیلیس دارای خلوص بیشتر اکسید سیلیس و همچنین سطح ویژه ی باﻻتری می باشد این دو خصوصیت اصلی باعث به وجود آمدن تفاوت های عمده بین این دو ماده می شود .از نقطه نظر خواص فیزیکی، میزان سطح ویژه نانو سیلیس معموﻻً 600-60 مترمربع بر گرم است

.همچنین مقدار چگالی ویژه بین 40-30 گرم بر لیتر می باشد .اندازه ذرات نانو سیلیس همانطور که در شکل شماره 3 قابل مشاهده است نیز بایستی از 100 نانومتر کوچکتر باشند .

شکل شماره –3تصویر نانو سیلیس گرفته شده به وسیله [1] TEM

از نقطه نظر شیمیایی نیز مقدار خلوص SiO2 در نانو سیلیس باﻻتر از 99/5 درصد است و مقدارهر کدام از اکسیدهای Al2O3,Fe2O3 و TiO2 کمتر از 0/1 درصد می باشد سایر اکسیدها در نانو سیلیس یا وجود ندارد یا مقدار کمتر از 0/01 درصد به خود اختصاص می دهند [4] شکل شماره 4 نحوه اتصاﻻت سیلیکات ها رانمایش میدهد.

شکل شماره –4اتصاﻻت سیلیکات [5]

4

7. برخی مطالعات انجام شده در تاثیر نانو سیلیس بر خواص بتن

نانو سیلیس به خاطر سطح ویژه باﻻ، دارای فعالیت زیاد بوده و میتواند با کریستال های هیدروکسید کلسیم به سرعت وارد واکنش شود و ژل کلسیم سیلیکات هیدراته را تولید کند. بنابراین اندازه و مقدار این کریستال ها در بتن کاهش پیدا میکند، از طرف دیگر کلسیم هیدراته تولید شده باعث پر شدن حفرات موجود در بتن و بهبود در اتصال بین سنگدانه ها و خمیر سیمان میشود .[6] در حدود 60 درصد از محصول ناشی از هیدراسیون آب و سیمان، ژل کلسیم سیلیکات هیدراته میباشد. قطر متوسط ژل سیلیکات هیدراته در حدود 10 نانو متر است، از این رو نانو سیلیس میتواند حفرات موجود در ساختار ژل کلسیم سیلیکات هیدراته را به خوبی پر نموده و باعث قفل و بست بهتر این فاز شود .[7]

در بتن معمولی بخشی از هیدروکسید کلسیم تولید شده ناشی از هیدراسیون سیمان به مرور زمان شسته شده به صورت رسوب از بتن خارج میگردد و اثر آن به صورت منافذ میکرو ساختاری باقی میماند، از طرف دیگر در نمونه های حاوی نانو سیلیس که این هیدروکسید کلسیم با نانو سیلیس واکنش داده و ژل کلسیم سیلیکات هیدراته تولید میکند که موجب کاهش میزان رسوب و شسته شدن آن از بتن (مطابق با شکل شماره (5میگردد .[8]

سایش مقابل در مقاومت×

مقاومت فشاری (مگاپاسکال)

شکل شماره –5نمودار رابطه بین شاخص مقاومت در برابر سایش و مقاومت فشاری نمونه ها [8]

رمضانیان پور و همکاران (1388) نشان دادند که نفوذ پذیری آب در بتن حاوی نانو سیلیس به شکل محسوسی نسبت به بتن معمولی و بتن حاوی میکرو سیلیس کاهش پیدا میکند همانطور که جی بیان میکند، این کاهش در عمق نفوذ میتواند نتیجه بهبود تراکم ناحیه ی انتقال، ناشی از فعالیت پوزوﻻنی شدید نانو سیلیس و حذف حفرات ریز موجود در ساختار ژل سیلیکاتی نانو سیلیس باشد .[9]

چینگ و همکاران (2005) مشاهده کردند، نانو سیلیس خواص پوزوﻻنی باﻻتری نسبت به میکروسیلیس از خود نشان میدهد(مطابق با شکل شماره (6 و افزایش مقاومت باﻻتری را موجب میشود. همچنین یکی از دﻻیل بهبود مقاومت فشاری را ناشی از فعالیت پزوﻻنی نانو سیلیس دانسته بر این اساس ذرات نانو سیلیس آمورف با درصد خلوص باﻻی 99 درصد و سطح ویژه زیاد با کریستال های هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراسیون، واکنش داده و تولید ژل کلسیم سیلیکات هیدراته مینماید، این واکنش احتماﻻ اتصال خمیر سنگدانه را بهبود می بخشد .[10]

5

شکل شماره –6تصاویر SEM از کریستال های کلسیم هیدروکسید در ناحیه سنگدانه و خمیر سیمان 28 روزه (a با 3 درصدنانو سیلیس (b با 3 درصد میکرو سیلیس (c استفاده از میکرو سیلیس و نانو سیلیس [10]

لی و همکاران (2007) نشان داده اند که این ذرات مقاومت خستگی بتن را نیز بهبود میدهند.که بر این اساس افزودن نانو سیلیس در ریز ساختار بتن باعث بهبود یافتن و ساختار متراکم تر و با منافذ کمتری میشود،مطابق شکل شماره 7 مشاهده میشود که ضریب همبستگی((S معادله خستگی بتن در دوحالت استفاده از نانو ذرات((a و نانو الیاف((b افزایش پیدا میکند .[11]درحالی که دنشترم (2004) بهبود رفتار بتن را در برابر یخ زدگی و آب شدگی با افزودن نانو سیلیس به طرح اختﻻط گزارش کرده است.[12]

لگاریتم نیرو ×لگاریتم نیرو

شکل شماره -7 منحنی خستگی بتن هنگامی که احتمال شکست 10 درصد است[11] (a) p–S–lg N curves; (b) p–lg S–lg N

جی (2005) عمده ترین دلیل توسعه مقاومت فشاری بتن با نانو سیلیس را نقش پرکنندگی ذرات نانو در بین منافذ خمیر سیمان میداند و علت آن را اینگونه بیان میکند که ذرات نانو سیلیس به علت ریز دانگی باﻻ و چسبندگی سطحی ذرات، در بین ذرات ژل کلسیم سیلیکات هیدراته قرار گرفته و ذرات ژل را پر میکنند و این امر موجب یکپارچگی ژل کلسیم هیدراته و افزایش دوام بتن میگردد، شکل های شماره 8 و9 این تغییرات ساختاری را با افزودن نانو سیلیس و خاکستر بادی نشان میدهد .[13]

6

شکل شماره –8 ریز ساختار بتن بعد از 28 روز عمل آوری-به همراه خاکستر بادی (سمت راست) به همراه نانو سیلیس (سمت چپ) [13]

شکل شماره –9 ریز ساختار بتن بعد از 180 روز عمل آوری-به همراه خاکستر بادی (سمت راست) به همراه نانو سیلیس (سمت چپ) [13]

جو و همکاران (2007) مقدار افزایش مقاومت فشاری 3 تا 12 درصدی را برای مﻻت های حاوی نانو سیلیس نشان داده اند. آنها همچنین با تاکید بر نقش پرکنندگی ذرات نانو نشان میدهند که ریزدانگی این ذرات باعث افزایش دمای واکنش هیدراسیون (مطابق شکل شماره (10گردیده و در نتیجه کسب مقاومت را نیز افزایش میدهد.[14]

ساعت گرم بر کالری

زمان برحسب ساعت

شکل شماره –10منحنی کالری متری حرارت تکاملی [14]

لی و همکاران (2004) نیز یکی از دﻻیل افزایش مقاومت بتن را به تاثیر پرکنندگی ذرات نانو در منافذ خمیر سیمان میدانند. آنها نشان دادند که قرار گیری ذرات نانو باعث جلوگیری از توسعه کریستال های هیدروکسید کلسیم و درنتیجه کاهش حجم کریستال ها در مقابل افزایش حجم ژل کلسیم هیدراته در ماتریس سیمانی می گردد.[15] لی و همکاران (2004)در آزمایش دیگر نشان دادند که با جایگزینی 5 ٪سیمان توسط NS (متوسط اندازه 15 ± 5 نانومتر ) ، مقاومت فشاری 7و 28 روزه مﻻت ها 20 ٪ و 17 ٪ افزایش میابد ، در حالی که 15 درصد جایگزینی میکروسیلیس افزایش مقاومت 7٪ و 10 ٪ در مقایسه نمونه فبلی مﻻت سیمان پورتلند را نشان داد. تجزیه و تحلیل تجربی نشان داده است که مقاومت فشاری و خمشی خمیر سیمان با

7

نانو سیلیس و نانو آهن از مﻻت سیمان ساده با همان نسبت آب به سیمان باﻻتر است که تغییرات ساختاری مربوط به این آزمایش در شکل شماره 11 و 12 نشان داده شده است .[16]

شکل شماره –11ریز ساختار بدون مواد نانو (سمت راست) و ریز ساختار حاوی نانو ذرات آهن (سمت چپ) [16]

شکل شماره –12ریزساختار حاوی نانو ذرات سیلیس (سمت راست) و ریز ساختار حاوی نانو ذرات سیلیس و آهن (سمت چپ) [16]

باید توجه داشت که نانو سیلیس به علت درصد خلوص بیشتر و سطح ویژه باﻻتر، فعالیت پوزوﻻنی باﻻیی را داراست.[17] در نتیجه فعالیت پوزوﻻن ها، کسب مقاومت به کندی صورت میگیرد چراکه سیلیس های آمورف ومواد پوزوﻻن ها خود مستقیما با آب واکنش نداشته و میبایست با محصوﻻت حاصل از فرآیند هیدراسیون واکنش داده و ژل کلسیم هیدراته را تولید نماید.[18] خانزادی و خزائنی (1389) بیان میکنند که اولین مکانیزم تاثیر نانو ذرات، مکانیزم هسته زایی است که طی آن ذرات نانو سیلیس با سطح ویژه باﻻی خود هسته هایی را برای توسعه محصوﻻت هیدراسیون ایجاد کرده و در نتیجه به فرآیند هیدراسیون سرعت میبخشد، باشکل گیری محصوﻻت هیدراسیون اثر مکانیزم پرکنندگی افزایش میباید.[19]

در همین رابطه جعفری زاده و همکاران (1388)نشان دادند،با اضافه کردن 3/5 درصد وزنی نانو سیلیس مقاومت فشاری و کششی در سنین 7و 28 روزه افزایش پیدا میکند که علت آن هم فعالیت پوزوﻻنی بسیار زیاد نانو سیلیس است .[20]بیگی و همکاران (1391) نیز بیان میکنند که خصوصیات مکانیکی اعم از مقاومت های فشاری، خمشی و کششی بتن های ساخته شده، با افزایش مقاومت ها به علت واکنش شدید پوزوﻻنی نانو سیلیس بوده و کاهش مقاومت ها وقتی مقدارشان از حد معینی بیشتر میشود به علت سطح ویژه بسیار باﻻی نانو ذرات است که میتواند در یک واکنش فیزیکی به هم چسبیده کلوخه های ناپایداررا ایجاد کند.[21]بیگی و همکاران (1392) در تحقیق دیگر با بکار بردن ترکیب نانو سیلیس و میکرو سیلیس نشان دادند، خصوصیات مکانیکی تا درصد بهینه 1/5 درصد نانو سیلیس و 3 درصد میکرو سیلیس افزایش یافته(مطابق شکل (13 و پس از آن به آرامی کاهش میابد این تحقیق همچنین نشان میدهد که اثر پذیری مدول اﻻستیسیته نسبت به تغییرات درصد نانو سیلیس محسوس تر از تغییرات الیاف پروپیلن است.[22]

8

شکل شماره –13نتایج مقاومت فشاری 28 روزه [22]

سعیدی فر و فاطمی (1393) نیز بیان میکنند، ترکیب نانو سیلیس و ژل میکروسیلیس مقاومت فشاری بتن را افزایش می دهد، شکل شماره 14 نشان دهنده نحوه تغییر مقاومت فشاری بر حسب درصد نانو سیلیس را نشان میدهدو هچنین استفاده از این مواد افزودنی در روانی بتن تاثیر بسزایی دارد .[23]

(مگاپاسکال) فشاری مقاومت×

درصد نانو سیلیس و میکرو سیلیس

شکل شماره –14نتایج مقاومت فشاری 28 روزه ترکیب نانو سیلیس و ژل میکروسیلیس [23]

تحقیقات سنف و همکاران(( 2009 نشان داد، نانو سیلیس باعث اصﻻح ویژگی های مﻻت تازه میشود .مطابق شکل شماره 15 مﻻت دارای نانو سیلیس، مقاومت فشاری باﻻتر را در تمام دورهای آزمایش نشان داد همچنین استفاده از این مواد باعث کاهش جذب آب در نمونه ها شد . [24]