بخشی از مقاله
چکیده - بتن در مفهوم وسیع، به هر ماده یا ترکیبی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی تشکیل شده باشد، گفته می شود. بتن دارای چهار رکن اصلی است. چهار رکن بتن شامل: شن - نخودی و بادامی - ،ماسه، سیمان و آب می باشند. بتن از پر کاربرد ترین مصالح ساختمانی است. کاربرد بتن را می توان در تمامی کارهای عمرانی از قبیل ساختمان، مخازن، نیروگاه ها همچنین سازه های دریایی مثل اسکله ها، جاده ها، راهها، مسیر های انتقال آب، سدها و ... مشاهده کرد.
تاکنون مطالعات زیادی در زمینه بهبود کیفیت بتن انجام شده است. مطالعات بر روی تغییر در ترکیب بتن - طرح اختلاط - را بررسی کرده اند. یکسری از مواد افزودنی جدید که توانسته اند خواص مکانیکی و فیزیکی بتن را ارتقا دهند، نانو مواد ها هستند. ثابت شده است که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو باعث افزایش مقاومت فشاری بتن گردیده است، با این حال کمبود دانش و درک ضعیف از اثر ذرات فوق ریز و نانو ذرات در تکنولوژی بتن، تحقیقات فراوانی را در این زمینه می طلبد. در این تحقیق طرح اختلاط نانویی با استفاده از نانو آلومینا و اکسید آهن که باعث سبکی و افزایش مقاومت بتن می شود، ساخته شده است.
-1 مقدمه
دوام و مقاومت سازه های بتنی در صنعت ساخت و ساز به علت قرار گیری در معرض عوامل محیطی و طبیعی توجه زیادی را در علم تکنولوژی بتن به خود جلب کرده است. مطالعات و آزمایش های زیادی صورت گرفته تا با استفاده از انواع مواد افزودنی، مقاومت بتن بهبود یابد و به بتن سبک تر دست یابیم. با گسترش جمعیت، افزایش در ساخت و ساز و نیز به دلیل محدود بودن منابع و مصالح مصرفی تقاضا برای استفاده از مصالح جدید در صنعت ساختمان افزایش یافته است .[1] بتن یکی از مصالح معمول در ساخت و ساز می باشد که مشکلاتی نظیر مقاومت و... در آن وجود دارد. برای رفع مشکلات بتن به دنبال فناوری های نوین در این صنعت هستند.
از بزرگترین فناوری های نوین حال حاضر، نانو تکنولوژی است. نانو ذرات به علت اندازه ذرات بسیار کوچک و سطح ویژه بالای آنها، خصوصیات ویژه ای را در طرح اختلاط بتن از خود نشان داده اند .[2] پیشرفت در تکنولوژی و همچنین نیاز بشر به سازه های بتنی باعث شده تا تحقیقات زیادی بر روی خواص و رفتار مواد صورت گیرد .[3] نتیجه آن پیدایش نانو مواد گوناگون می باشد. نانو مواد به عنوان افزودنی جایگزین درصدی از سیمان می کنند.
فناوری نانو پدیده جدیدی نیست. نانو تکنولوژی به عنوان رویکردی نوین در تمام رشته ها کاربرد دارد .[4] همچنین نانو ذرات مخلوط در بتن به عنوان ماده افزودنی باعث بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی بتن می شوند. فناوری نانو در صنایع ساختمان نقش بسزایی دارد. بیشرین سهم صنایع فولاد، شیشه و بتن ایفا می کند .[5] استفاده از این فناوری باعث افزایش کیفیت مصالح، صرفه جویی در مصرف انرژی می شود .[6]
فعالیت های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی شکل1 در بتن شامل: بررسی ذاتی هیدراسیون در سیمان، تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن، اضافه کردن نانو ذرات به سیمان، بتن و پوشش های سیمانی و مشاهده تاثیرات آن ها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است .[7] استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمیگردد. هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد.
عموما در سازه های اصلی باعث افزایش خواص مکانیکی نمونه ها می شود. همچنین در بخش نازک کاری نیزکاربرد نانو پوششها در نمای داخلی و خارجی ساختمان ها نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است .[8] این مقاله به بررسی انواع نانو ذرات مورده استفاده در بتن می پردازد. همچنین ویژگی های نانو ذرات موجود در بتن را بررسی می کند. با هدف کاهش انتشار دی اکسید کربن در سیمان، نانو مواد را جایگزین درصدی از سیمان در بتن مخلوط می کنند .[9] هدف از این تحقیق آزمایشگاهی بدست آوردن میزان دقیق نانو مواد آلومینا و اکسید آهن جهت افزایش مقاومت و دوام بتن می باشد.
-1-1 هدف تحقیق
این پژوهش ابتدا به شناخت نانو ذرات آلومینا و اکسید آهن می پردازد. سپس تاثیر نانو مواد آلومینا و اکسید آهن را بر روی بتن مشخص می کند. همچنین درصد قابل قبول هر یک از نانو مواد مخلوط در بتن را بررسی می کند. از طرفی با هدف کاهش انتشار دی اکسید کربن در سیمان، نانو مواد را جایگزین درصدی از سیمان در بتن مخلوط می کنند.
-2-1 روش تهیه مقاله
این پژوهش با مراجعه به مقالات، مطالعه کتابها، مجلات و سایتهای معتبر بدست آمده است. تا تاثیر هریک از نانو ذرات بر روی بتن مشخص شود.
-2 نانو ذرات
سیمان در صنعت به صورت پودر تولید و مصرف می شود. ابعاد ذرات سیمان معمولی عموما در حد میلی و میکرو هستند. اخیرا نانو ذرات به عنوان مواد افزودنی برای بهبود عملکرد بتن استفاده میشود. دو روش برای ساخت نانو ذرات سیمان پیشنهاد شده است: - 1 خرد کردن ذرات سیمان معمولی به وسیله آسیاب های پر قدرت - کل به جزء - میباشد - 2 ترکیبات شیمیایی - جزء به کل - است. چسب های سیمانی که با استفاده از نانو ذرات سیمان به وجود می آیند، زمان عمل آوری کمتر و مقاومت فشاری اولیه بالاتری نسبت به سیمان های معمولی دارند .[10]
از جمله مواردی که در سالهای اخیر امیدهای بسیاری برای بهبود خواص مختلف در جهان پدید آورده است، استفاده از فناوری نانو است. در سالهای اخیر، با ورود فناوری نانو دیدگاههای جدیدی در زمینه فناوری بتن ایجاد شده است. از جمله میتوان به بهبود دانش و درک فیزیکی و شیمیایی واکنشها و ریز ساختار بتن و نیز بهبود کیفیت بتنهای موجود و روشهای اجرایی مرتبط با آن با استفاده از مواد جدید در مقیاس نانو یا همان نانو ذرات اشاره نمود .[11]
مواد نانو به موادی گفته می شود که حداقل یکی از ابعاد آن - طول , عرض , ضخامت - زیر 100 نانومتر شکل2 باشد .[12] در سالهای اخیر فناور نانو برای بهبود کیفیت بتن توجه پژوهشگران زیادی را به خود جلب کرده است. نانو ذرات با توجه به رفتارهای بارزی که از خود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه های اخیر قرار گرفته اند. همچنین صنعت ساختمان با توجه به نیازهای خود در خواص فیزیکی و مکانیکی بتن شامل: استحکام , مقاومت و دوام و نیز کارآیی بالا از استفاده کنندگان مهم مواد نانو ساختار به شمار میرود.[13] نانوتکنولوژی در صنعت ساختمان در حوز ههای مختلفی، از تولید شیشه های هوشمند گرفته تا تولید سطوح آنتی باکتریال، سطوح خود تمیز شونده، سطوح تصفیه کننده هوا، سطوح با قابلیت خود ترمیم شوندگی کاربرد پیدا کرده است.
فناوری نانو [12]
با اضافه کردن نانو ذرات که منجربه تشکیل کریستالها خواهد شد، باعث افزایش مقاومت فشاری، کششی و برشی میشود.[14] بتن ماده ای با ساختار نانو، چند فازی و با اجزا مختلف است. این ساختار شامل فازهای نامنظم کریستالی از ابعاد میکرومتر تا نانومتر می باشد. فاز غیر بلور ی و نانوساختار کلسیم-سیلیکات-هیدرات - C-H-S - باعث ایجاد چسبی می شود که اجزا بتن را به هم می چسباند شکل. 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.
-3 بررسی خواص نانو ذرات آلومینا و اکسید آهن بر بتن
نانو ذرات به عنوان جایگزین درصدی از سیمان و همچنین اثر پر کنندگی در بتن دارند. طبق بررسی های انجام شده با اضافه کردن نانو ذرات آلومینا به مخلوط بتن باعث افزایش مدول الاستیسیته بتن می شود .[16] افزودن نانو ذرات آلومینا به بتن مقاومت فشاری افزایش پیدا کرده است. همچنین نمونه های بتنی دارای نانو ذرات آلومینا باعث سبک شدن بتن می شوند .[17] نانو ذرات اکسید آهن حفره های موجود را پر کرده و از مقدار هیدروکسید کلسیم در ماده هیدراسیون کم میکنند .[18] در صورت اضافه نمودن نانو ذرات اکسید آهن به ماتریس بتن علاوه بر افزایش مقاومت بتن، پایش سطوح تنش بتن را از طریق اندازه گیری مقاومت الکتریکی برشی امکان پذیر می سازد .[19] مشاهده شده است که استفاده از نانو ذرات اکسید آهن در ملات سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی و همچنین عامل ایجاد قابلیت خود-پایش - هوشمند بودن - بتن می گردد .[18]
-4 برنامه آزمایشگاهی
در این مقاله به منظور بررسی خواص و جذب آب، نمونه های بتنی، طرح اختلاط های مختلف با برنامه آزمایشگاهی 28 روزه در نظر گرفته شد. در این طرح اختلاط ها مقدار تمام مصالح مانند: شن، ماسه، سیمان و آب یکسان می باشد. در این طرح ها نسبت آب به سیمان ثابت در نظر گرفته شد، اما درصد مواد افزودنی مانند نانو ذرات در هر طرح اختلاط متفاوت است. از نمونه های بتنی برای آزمایش مقاومت و جذب آب در سنین 28 روزه مورده بررسی قرار می گیرد. همچنین نانو مواد به عنوان جایگزین سیمان در نظر گرفته شدند.
