بخشی از مقاله
بررسی خصوصیات مکانیکی بتن خود تمیز شونده حاوی نانو دی اکسیدتیتانیوم
خلاصه
با گسترش شهرها و تولید روز افزون آلودگیهای تولید شده به دست بشر، نیاز جدی به ارایه راهکارهای عملی در راستای رفع یا کاهش آلاینده های زیست محیطی احساس می شود. نانو بتن خود تمیز شونده با عملکرد فوتوکاتالیستی خود می تواند نقش مفیدی در تجزیه وکاهش آلودگیها بردارد از این رو سازه های نمایان، نمای ساختمانها و مبلمان شهری که بخش وسیعی از مساحت شهر ها را تشکیل می دهند را میتوان با بتن های خود تمیز شونده اجرا نمود.[12]
در میان چند ماده شیمیایی با قابلیت تمیز شدن خود به خودی، استفاده از نانو دی اکسید تیتانیوم (Tio2) به عنوان فتوکاتالیستی با ارزش و پرکاربرد برای کفپوش پیاده رو ها، جداول بتنی، نمای ساختمانها و سایر پوشش های نمایان، رشد قابل توجهی پیدا کرده است.[4] استفاده از این ذرات چه در مقیاس نانو و چه در مقیاس میکرو می توانند منجر به رفع آلودگی و تجزیه مواد آلی و معدنی آلاینده طی یک فرآیند فوتوکاتالیستی شود.[9] برای این منظور عملکرد زیست محیطی بتن ها وکفپوشهای بتنی حاوی نانو دی اکسید تیتانیوم در چند محیط پرآلاینده و شلوغ مورد ارزیابی قرار گرفت و نتایج ارزشمندی به دست آمد. از طرفی با برسی مقاومت فشاری بتن خود تمیز شونده ملاحظه شد که نانو تیتانیوم موجب کاهش مقاومت فشاری بتن می گردد. لذا برای جبران ضعفهای مقاومتی این بتن دوست دار محیط زیست، از ترکیب نانو سیلیس استفاده شد و موجب بهبود مقاومت فشاری بتن گردید.[10] جذب آب هردو ماده نانو ساختار، حدودا 50-40 درصد نمونه شاهد می باشد.
واژه های کلیدی: نانو تیتانیوم، بتن سبز، خود تمیز شونده، فوتوکالیست، مبلمان شهری، مقاومت فشاری
.1 مقدمه
معـزل امـروزی شـهرهای بـزرگ، آلـودگی هـوا و اثـرات نـامطلوب زیسـت محیطـی آن اسـت هرچنـد کـه منطقـی تــرین روش کــاهش آلاینــدگی، حــذف منشــا تولیــد آلــودگی اســت امــا متاســفانه در بیشــتر شــهرهای بــزرگ دنیــا بیشترین آلـودگی توسـط وسـایل نقلیـه وکارخانجـات صـنعتی تولیـد مـی گـردد. راهکارهـایی چـون اسـتفاده از خـودرو برقــی، بامهــای ســبز، اســتفاده از وســایل نقلیــه عمــومی و ســایر راهکارهــای ترافیکــی خــدمات شــهری بــه علــت اینکــه مجری طرح افراد جامعه هستند، به نـدرت نتیجـه مطلـوب را شـاهد بـوده ایـم امـا پوششـهای خـود تمیـز شـونده مـورد اسـتفاده در مبلمــان شــهری شــامل(کفپــوش پیــاده رو هــا، جــداول بتنــی، نمــای ســاختمانها، آســفالت خیابانهــا، ترانشــه ها، پلها و تونلها) به دلیل اینکه ادارات و دولـت مجـری طـرح مـی باشـد بـا سـرعت بیشـتر و نتیجـه مطلـوبتر مـی توانـد انجام گردد.
توضیحات مربوط به نویسنده اوّل *Corresponding author: Email:mh_omran@yahoo.com
عمومـاً فرآینـد پـاک سـازی آلودگیهـا، تمیـز کـردن نمـای سـاختمان هـا، تصـفیه وحـذف برخـی آلاینـده هـای تولیـد شده به دست بشر با صـرف هزینـه و وقـت زیـادی همـراه اسـت و اسـتفاده از پوششـهایی کـه زمینـه هـای تمیـز شـدن و زدودن خود به خودی آلودگی سـطوح را فـراهم آورنـد، بسـیار مفیـد مـی باشـد از ایـن رو کـاربرد ایـن نـوع مـواد روز به روز افزایش یافته و بشر برای حفظ محیط زیست خود ناچار به استفاده از این تکنولوژی نو می باشد.[9]
در کشــورهای پیشــرفته خصوصــا آمریکــا اســتفاده از بــتن هــای خــود تمیــز شــونده در بزرگراههــا، پیــاده روهــا و نمــای ساختمانها به صورت الزامـی درآمـده بـه طـوری کـه در نشـریه راههـای آمریکـا تاکیـد فـراوان بـه اسـتفاده از نـانو ذرات تیتانیوم شده است.[12]
در ایران تا کنون اقـدام عملـی و قابـل لمسـی بـرای بـه کـار بـردن بتنهـای خـود تمیـز شـونده، عملیـاتی نشـده اسـت و تنهــا در برخــی کارخانجــات تولیــد رنــگ اخیــرا تولیــد رنگهــای خــود تمیــز شــونده را در دســت تولیــد قــرار داده انــد رنگهای خـود تمیـز شـونده درکنـار مبلمـان شـهری بتنـی مـی تواننـد نقـش مکملـی در زیبـا سـازی شـهر هـا را بـازی نماید. بتن های سازگار بـا محـیط زیسـت عـلاوه بـر نقـش خـود تمیـز شـوندگی و زیسـت محیطـی خـود، موجـب زیبـا ســازی چهــره شــهر هــا مــی شــوند از ایــن رو اســتفاده از دی اکســید تیتــانیوم در نماهــای ســیمانی و مبلمــان شــهری علاوه بر حذف آلاینده ها، موجب حفظ ظاهر زیبا در تمام مدت عمر خود می باشند.
.2 نحوه عملکرد :
فوتوکاتالیستها می توانند آلودگی های محیطی متعددی را از طریق اکسیداسیون با استفاده از نورخورشید یا نور مصنوعی نابود کرده و حذف نمایند. در علم شیمی فوتوکاتالیز عبارتست از تسریع یک واکنش نوری درحضور یک کاتالیست به این معنا که یک ماده کاتالیتیک در یک واکنش شرکت کرده و ترانس فورمیشن شیمیایی را تسریع می کند و نهایتاً خودش در پایان یک سیکل کاتالیکی بدون تغییر باقی می ماند. فتوکاتالیستها مستقیماً در واکنشهای اکسایش و
کاهش دخالت ندارند و فقط شرایط موردنیاز برای انجام واکنشها را فراهم میکنند.
تعدادی از فوتوکاتالیستها شامل(دی اکسیدتیتانیم - اکسیدروی - اکسید آهن - اکسیدتنگستن ) تا کنـون شناسـایی شـده است و در این میان تیتانیوم دارای عملکرد بهتری بوده است. در مکانیسم عمل تیتانیوم زمانی که پرتو های((UV نور بـه سطح یک فتو کالیست نیمه هادی مانند تیتانیوم برخورد میکنند موجب تحریک الکتـرون در اتمهـای تیتـانیوم مـی شـود. الکترونها روی سطح فوتوکاتالیست پخش شده و با مواد خارجی اطراف خود واکنش انجام میدهند که اغلب الکترونها سـبب تشکیل رادیکالها ویون هیدروکسید((OH می گردد که قادر به اکسیداسیون مواد شـیمیایی آلـی در اطـراف خـود، احیـای فلزات، تخریب چربیها وآلودگیها، تخریب باکتریها و ویروسها می شوند.[4]
شکل1-2 مکانیزم عمل نانو دی اکسید تیتانیوم
.3 مشخصات مواد و مصالح مورد استفاده در تحقیق:
-1-3سیمان مصرفی:
در انتخاب سیمان مصرفی مواردی چون در دسترس بودن، ازران بودن و پرکاربرد بودن مد نظر قرار گرفت و سیمان پرتلند تیپ2 کارخانه سیمان نهاوند با قابلیت دوام در برابر سولفات مورد استفاده قرار گرفت.[1]
-2-3نانو سیلیس:
نانو سیلیس از شرکت پیشگامان نانو مواد ایران تهیه شد که تست xrd اندازه ذرات آن را در محدوده12 نانو متر مورد استفاده قرار گرفت.
-3-3نانو تیتانیوم:
نانو تیتانیوم تهیه شده از شرکت معتبر نانو پارس لیما با اندازه نانو ذرات 20 نانومتر مورد استفاده قرار گرفت
-4-3فوق روان کننده:
فوق روان کنندهSR340 بر پایه پلی کربکسیلاک اتر با خاصیت حفظ کارایی طولانی مدت به صورت مایع قهوه ای رنگ تولید شده در شرکت دماوند سفید تحت لیسانس LG در بتن استفاده شد. میزان مصرف پیشنهاد شده بین0/2 الی 1/5 درصد وزن سیمان می باشد.
-6-3پودر سنگ
-4دانه بندی سنگدانه ها طبق استاندارد .[7]ASTM .C-136-06
ریزدانه ها:
در طرح اختلاط بتنعموماً, مصالح ریزدانه نسبت به مصالح درشت دانه تاثیر بیشتری دارند. مجموع مساحت سـطح ریزدانه ها بیشتر از مساحت سطح درشت دانه های هموزن آنهاست. هر چه دانه ها ریزتر باشند خمیـر سـیمان بیشـتری برای پوشاندن سطح دانه ها لازم خواهد بود که در نتیجه بتن حاصله غیراقتصادی می شود و چنانچه بـرای بیشـتر کـردن خمیر سیمان از آب اضافی استفاده شود, مقاومت بتن حاصله کاهش می یابد.[2]
درشت دانه ها:
مطالعات انجام شده نشان می دهد که بتن های با بزرگتـرین بعـد دانـه 9/5 میلیمتـر تـا 12/5 میلیمتـر, بیشـترین مقاومت فشاری را خواهند داشت. این افزایش مقاومت را ناشی از کاهش تنش بین ملات و سنگدانه ها در اثر افزایش سطح تک تک دانه ها می دانند.[2] دانه های کوچکتر به دلیل کم بودن تمرکز تـنش در اطـراف آنهـا, مقاومـت فشـاری بـتن را افزایش می دهند که این تمرکز تنش ناشی از اختلاف بین مدول الاستیسیته ملات و سنگدانه ها می باشـد.[6] از ایـن رو حد اکثر دانه بندی استفاده شده در طرح اختلاط بتن12.5 میلیمتر مورد استفاده قرار گرفت.
×نمودار-1-4 دانه بندی شن استفاده شده در طرح نمودار-2-4 دانه بندی ماسه استفاده شده در طرح
-6 طرح اختلاط:
(1-6 طرح اختلاط بتن کفپوشها و بلوکهای بتنی پیش ساخته جهت تست میدانی خود تمیز شوندگی:
الف)روش مرطوب (دو نم):
این روش خود شامل دو بخش(رویه نمایان و بتن اصلی کفپوش) می باشد که قسمت نمایان آن از مصالح سنگی رنگی و سیمان سفید تهیه می شود و قسمت بدنه اصلی کفپوش به صورت مخلوط اصطلاحا دو نم (مرطوب) و با بتن معمولی ساخته می شود. برای این منظور ابتدا بتن رویه که متشکل از دانه های سنگی رنگی و پودر سنگ کفپوش داخل قالب فولادی ریخته شده و با زدن چند ضربه هموار و یکنواخت می گردد سپس بتن اصلی مرطوب که با درصد آب کم در میکسر با هم مخلوط شده اند را درون قالب ریخته و مجددا تسطیح می گردند. نهایتا قالب تحت فشار جکهای هیدرولیکی70 تن کاملا پرس شده و یک کفپوش بسیار محکم با رویه ای با قابلیت سازگار با محیط زیست ساخته می شود و از نظر اقتصادی کاملا مقرون به صرفه می باشد.
(2-6 طرح اختلاط بتن جهت تعیین خصوصیات مکانیکی بتن خود تمیز شونده براساس استاندارد :ACI-211
طرح اختلاط بتن خود تمیز شونده به گونه ای انتخاب شد که از حداقل آب مورد نیاز جهت انجام واکنش هیدراتاسیون بهره گرفته و برای رسیدن به کارایی مورد نظر از فوق روان کننده به میزان1درصد وزن سیمان استفاده شد.
برای استفاده بتن به صورت شاتکریت سعی شد دانه بندی ریز دانه با حداکثر سایز12/5 میلیمتر انتخاب گردد و از شن بادامی استفاده نگردید.[6]
-7 تعداد نمونه ها:
✓ 6 عدد نمونه کفپوش پرسی به ابعاد30*30*3 سانت جهت تست خود تمیز شوندگی
✓ 60 عدد نمونه مکعبی جهت تعیین مقاومت فشاری بتن با ابعاد 10*10*10سانتیمتر
✓ 30 عدد نمونه مکعبی جهت تعیین جذب آب بتن با ابعاد 10*10*10سانتیمتر
-8تست میدانی بتن های خود تمیز شونده در چند محل آلوده وپر تردد:
(1-8کفپوش محوطه داخل سایت دانشگاه آزاد اسلامی واحد تویسرکان
تست خود تمیز شوندگی کفپوشهای بتنی در شلوغ ترین پیاده رو دانشگاه آزاد واحد تویسرکان نصب شد به طوریکه پس از گذشت چند ماه از زمان شروع تست روز به روز سطح کفپوش سفید تر شده و با تابش نور خورشید و بارش نزولات جوی اثر خود تمیز شوندگی نانو دی اکسید تیتانیوم مشهود تر می گردد.
شکل1-8 تست خود تمیز شوندگی نانو تیتانیوم در کفپوش پیاده رو ها
(2-8نیوجرسی های بتنی وسط بزرگراه همدان:
قطعات بتنی وسط بلوارها و بزرگراهها در معرض بیشترین آلودگی می باشند و نقش تعیین کننده ای در زیبایی شهر ایفا می نمایند [12] این عامل بد منظره که در اثر تردد وسایل نقلیه و بارندگیهای اسیدی رخ می دهد پس از مدتی موجب جذب دوده ، چربی و سایر آلودگیها به سطح نمایان قطعات بتنی شده وتمیز کردن آنها مستلزم صرف وقت و هزینه فراوان می باشد . در تست میدانی قطعات بتنی حاوی نانو دی اکسید تیتانیوم به وضوح مشاهده گردید که مواد آلاینده چسبیده شده به سطح نیوجرسیها وجداول بتنی اطراف بلوار ها در اثر بارش باران و نور خورشید موجب اکتیو شدن خاصیت فتوکالیستی نانو دی اکسید تیتانیوم شده و بسیاری از آلودگیهای آن برطرف شده و سطح نمایان کار سفید باقی مانده است. این درحالی است که در نمونه شاهد سطحی کدر و پر از آلودگی مشاهده گردید.
(3-8تونل تویسرکان
شکل-2-8 تست خود تمیز شوندگی نانو تیتانیوم نیوجرسیهای وسط بزرگراه شکل-3-8 نیوجرسیهای جداکننده دومنظوره
