بخشی از مقاله
چکیده
با گسترش روز افزون جمعیت و افزایش میزان ساخت و ساز وهمچنین به دلیل محدود بودن منابع و مصالح مصرفی تقاضا براي استفاده از مصالح نوین در صنعت ساختمان سازي افزایش یافته و در همین راستا تلاش براي یافتن راهحلهایی براي اصلاح، بهبود کیفیت، افزایش کارایی مصالح، کاهش مصرف ماده خام و انرژي موجب استفاده از فناوري هاي نوین در این صنعت گردیده است.
سالهاي زیادي است که بتن بعنوان یک ماده ساختمانی مهم در ساخت و سازههاي بتنی چون ساختمانها، سدها، پلها، تونلها، راهها، اسکلهها و برجها و سازههاي خاص دیگر کاربرد دارد. در اکثر این موارد به بتن بعنوان مادهاي مقاوم در برابر نیروهاي فشاري نگریسته میشده است. انجام پروژههاي وسیع تحقیقاتی بر روي مواد مختلف تشکیل دهنده بتن و آزمایش بتنهاي مختلف با مواد جدید در سالهاي اخیر منجر به پیدایش بتنهایی شده است که علاوه بر تأمین مقاومت خواص دیگري از این ماده نظیر دوام، کارایی، نرمی و مقاومت در برابر عواملی چون آتش، محیط و هوازدگی را دستخوش تغییرات اساسی نموده است.
علاوه بر دگرگونی و تحول در مواد تشکیل دهندة بتن، مانند افزودنی-هاي مختلف، انواع الیافها و حتی مواد زائدي که ارزش خاصی نداشته و باعث آلودگی محیط زیست نیز میشوند، توانایی فناوري نانو در حوزه بتن توانسته دگرگونی خاصی را در ترکیب بتن بوجود آورد و نقش بتن را بیش از پیش در امر عمرانی پررنگ نماید.
هدف نهایی از این تحقیق اولاً مقایسه عملکرد فناوري نانو تکنولوژي با شرایط گذشته در طبقهبندي از خواص بتنی است، که عملکرد بالاي این تکنولوژي است، و آنها را می توان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود.ثانیاً به بررسی تأثیر میکرو سیلیس، نانو سیلیس، دي اکسید تیتانیوم در بتن و پیدایش خاصیت خود تمیز شوندگی و خود ترمیم شوندگی پرداخته میشود.
.1 مقدمه
یکی از بزرگترین فناوري هاي نوین در قرن حاضر نانو تکنولوژي1 است که استفاده از آن در راستاي برطرف نمودن نیاز صنعت ساختمان میتواند بسیار حائز اهمیت میباشد. از مزایاي استفاده از این فناوري میتوان به افزایش کیفیت مصالح صرفه جویی در مصرف انرژي و به تبع آن صرفهجویی اقتصادي اشاره نمود. هم اکنون سیلیس - Sio2 - جزئی از بتن معمولی است.
یکی از نتایج مطالعه بتن در مقیاس بتن نانو این است که با استفاده از نانو ذرات سیلیس میتوان میزان تراکم ذرات در بتن را افزایش داده که این به افزایش چگالی میکرو و نانو ساختارهاي تشکیل دهنده بتن و در نتیجه بهبود ویژگیهاي مکانیکی آن می-انجامد. افزودن نانو ذرات سیلیس به مواد مبتنی بر سیمان هم موجب کنترل تجزیه ناشی از واکنش بنیادي C-S-H - کلسیم- سیلیکات- هیدرات - ، که در اثر نشت2 کلسیم در آب رخ میدهد، و نیز جلوگیري از نفوذ آب به درون بتن میشود که هر دوي این موارد دوام بتن را افزایش میدهد.
متناسب با میزان افزایش تراکم ذرات، آسیا کردن کلینکر سیمان پرتلند معمولی به همراه ماسه استاندارد، منجر به تولید ذرات ریزتري در مقایسه با ذرات حاصل از آسیا نمودن سیمان پرتلند معمولی به تنهایی میشود، و نکته مهم اینکه با افزایش میزان ریزي و در نتیجه تراکم ذرات، مقاومت فشاري بتن تا حد سه تا شش برابر افزایش مییابد. 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 گیري مقاومت الکتریکی برشی - مقطعی - امکان پذیر میسازد.
1. پیشینه تحقیق
Qing وهمکاران - 2007 - نشان دادند که نانو سیلیس خواص پوزولانی بالاتري از میکرو سیلیس نشان داده، که افزایش مقاومت بیشتري را نتیجه می دهد. آنها یکی از دلایل بهبوده مقاومت فشاري را ناشی از فعالیت پوزولانیک نانو سیلیس دانستهاند G.Li . [17] در سال 2004 گزارش کرده که این ذره میتوانند حتی تاثیر و سرعت واکنش خاکستر بادي - که معمولا بسیار کند واکنش پوزولانی از خود نشان میدهد - را در بتن افزایش دهد
آزمایشهاي Jo وهمکاران - 2007 - مقدار این افزایش مقاومت فشاري را براي ملات هاي حاوي نانو سیلیس 3 تا % 12 نشان میدهد. آنها با تاکید بر نقش پر-کنندگی ذرات نانو، نشان میدهد که ریزدانگی این ذرات باعث افزایش دماي هیدراسیون گردیده که در نتیجه سرعت کسب مقاومت نیز بیشتر میگردد و نیز نشان داده است که خاصیت پوزولانیک نانو سیلیس به مراتب بالاتر از میکرو سیلیس بوده و در نتیجه سرعت واکنش بیشتري را ایجاد میکند
H.Li .[19] و همکاران - 2007 - نشان دادهاند که همچنین این ذرات مقاومت خستگی بتن را بهبود میدهد. آنها همچنین گزارش کردهاند که در اثر افزودن نانو سیلیس، ریز ساختار بتن بهبود یافته و ساختار متراکم با منافذ کمتر ایجاد میکند - 2005 - T.Ji .[20] نشان داده است که نفوذ پذیري بتن حاوي نانو سیلیس کاهش مییابد. عمده ترین دلیل توسعه مقاومت فشاري بتن با نانو سیلیس را نقش پرکنندگی ذرات نانو در بین ذرات سیمان میداند آن ها این مکانیزم را اینگونه بیان میکنند که ذرات نانو سیلیس به علت ریزدانگی بسیار بالا و چسبندگی سطحی ذرات، در بین ذرات ژل C-S-H قرار گرفته و ذرات ژل را پرمیکنند. این امر موجب یکپارچگی و افزایش دوام آن میگردد
H.Li .[21] و همکاران - 2006 - افزایش مقاومت سایشی بتن را با نانو سیلیس گزارش کردهاند. انها متوجه شدند که نانو ذرات آهن مقاومت سایشی بتن را بیش از نانو سیلیس بهبود میبخشد - 2005 - Bjeornstreom .[22] در بررسی مخلوط نمودن نانو سیلیس با مواد اولیه بتن، بهبود رفتار بتن را دربرابر یخ زدگی و آب شدگی با افزودن نانو سیلیس را گزارش کرده است
متدین و پورمعلم در سال 1390 به تاثیر نانو مواد بر مقاوم سازي بتن پلها و اثر آن بر ظرفیت تردد و راهها که موجب بهبود بتن و حفظ و نگهداري آن میشود، پرداختند .[24] مقدم و پورمعلم در سال 1391 به کاربرد نانو فناوري در تثبیت زیرسازي راهها که موجب جلوگیري از نفوذ آبهاي سطحی میباشد، پرداختند
2. تعریف فناوري نانو
نانو تکنولوژي توانایی ساخت، کنترل و استفاده ماده در ابعاد نانومتري است. اندازه ذرات در نانو تکنولوژي بسیار تاثیرگذار است و خواص شمیایی و فیزیکی بیولوژیکی تک تک اتمها و ملکولها با خواص حجم بزرگ ماده متفاوت است. این اندازه در مواد مختلف متفاوت است اما به طور معمول مواد نانومتري به موادي که حداقل یکی از ابعاد آن ها کمتر از 100 نانومتر باشد گفته میشود.
نسبت سطح به حجم بالاي مواد نانو یکی از مهمترین خصوصیات مواد تولید شده در خاصیت نانویی میباشد. در این مقیاس رفتار سطوح بر رفتار توده ماده غالب میشود. در این ابعاد فیزیک کوانتوم امکان تغییر خواص ماده مانند خواص مغناطیسی را ایجاد میکند. روش ساخت مواد نانو را می توان به دو روش کلی طبقه بندي نمود:
- 1 روش بالا به پایین : این روش عبارت است از کوچک کردن اندازه ساختار ها از میکرومتر به نانومتر. در واقع این امکان وجود دارد که مواد را آنقدر تجزیه کنیم تا به حد نانومتري برسند. امروزه این عمل توسط شکست شمیایی و فیزیکی انجام میشود.
- 2 روش پایین به بالا: این روش بر اساس در کنار هم قرار دادن توده هاي اتمی و مولکولی به صورت کنترل شده به منظور ساخت سیستم هاي بزرگتر است.روش دوم را فقط براي ساخت مواد درمقیاس نانو متري می توان استفاده کرد اما روش اول را هم براي تولید نانو و هم مواد میکرو کاربرد دارد.
3. کاربرد هاي نانو درمهندسی عمران
با توجه به نو بودن این فناوري هر ساله کاربرد هاي بیشتري از از این فناوري در صنایع مختلف معرفی می شود. در مورد کاربرد این فناوري در مهندسی عمران و صنعت ساختمان می توان به موارد زیر به صورت خلاصه اشاره کرد که با توجه به موضوع مقاله به توضیح نانو در بتن میپردازیم:
نانو شیشه ها، نانو آسفالتها، نانو ضد آب کنندهها، نانو کامپوزیتهاي خاك رس، تاثیر در مقاومت بتن وسیمان، تاثیر نانو بر محیط زیست و نانو پوشش ها
4. بهبود خواص بتن و سیمان
استفاده از نانو ذرات باعث بهبود خواص فیزیکی و افزایش کیفیت بتن و سیمان میشود. هم چنین این ذرات و روکشهایی از همین جنس میتواند از نفوذ عوامل مخرب خارجی به داخل بتن که سبب کاهش پایداري و تاب فیزیکی میشود، جلوگیري کند. از کاربردهاي نانو در بتنها میتوان به استفاده از آن در بتنهاي خود متراکم و " بتنهاي با عملکرد بالا" اشاره کرد. اضافه کردن نانو سیلیس سبب بهبود تراکم ذرات شده و استحکام بتن را بالا میبرد و از نفوذ آب به درون آن جلوگیري میکند.
استفاده از دي اکسید تیتانیوم سبب ایجاد خاصیتی به نام خود تمیز شوندگی و ضد عفونی کنندگی می شود و رنگ سفید و درخشندگی به آن میدهد. از کاربرد هاي دیگر فناوري نانو در بتن میتوان به نانو لولههاي کربنی اشاره نمود که به جاي فولاد به کار میرود و با این که چگالی در حدود یک ششم فولاد دارند، اما مدول الاستیسیته آنها پنج برابر و استحکام آنها هشت برابر فولاد است. از این افزودنی میتوان به عنوان یک تسلیح کننده مناسب با قابلیت پل زدن بین تركها و کاهش ابعاد و تغییر شکل تركها استفاده کرد. ذرات هیماتیت نانو نیز سبب افزایش مقاومت بتن میشود.
5. نانو ذرات سیمان
یکی از فواید کریستالهاي نانو مقیاس که با استفاده از نانو ذرات تشکیل شده است، پر شدن فضاها و حفرات خالی ماتریس سیمان است. اضافه کردن نانو ذرات که منجر به تشکیل نانو کریستالها میشود، باعث افزایش مقاومت فشاري، کششی و برشی میشود .[4] سیمان در صنعت به صورت پودر تولید و مصرف میشود. ابعاد ذرات سیمان معمولی عموما در حد میلی و میکرو هستند. اخیرا نانو ذرات سیمان براي بهبود عملکرد سیمان پیشنهاد شده است. دو روش براي ساخت نانو ذرات سیمان پیشنهاد شده است:
- 1 خرد کردن ذرات سیمان معمولی به وسیله آسیابهاي پر قدرت - کل به جزء - .
2 - ترکیبات شیمیایی - جزء به کل - . چسب هاي سیمانی که با استفاده از نانو ذرات سیمان به وجود میآیند، زمان عمل آوري کمتر و مقاومت فشاري اولیه بالاتري نسبت به سیمان هاي معمولی دارند
6. معرفی میکرو سیلیس و طریقه استفاده از آن در بتن
میکروسیلیس یک سوپر پوزولان است که در صورت کاربرد درست از میکروسیلیس، تأثیر بسیار قابل توجهی در افزایش مقاومت و دوام سازههاي بتنی دارد. در میکروسیلیس حرارت زایی بتن تا حد زیادي ناشی از همان مکانیزمهایی است که باعث افزایش دوام و مقاومت بتن میشود، در حقیقت خواص پرکنندگی و واکنش پوزولانی میکروسیلیس میتواند باعث کاهش میزان حرارت زایی بتن شود.
حرارت زایی یک گرم میکروسیلیس بیشتر از یک گرم سیمان پرتلند معمولی است و در مواردي بیشتر از 2 برابر آن خواهد بود. اما مقاومت زایی بالاتر میکروسیلیس 2 - تا حدود 4 برابر سیمان - امکان کاهش مقدار کل مواد سیمانی بتن جهت دستیابی به یک مقاومت مشخص را فراهم نموده و بدین شکل استفاده از میکروسیلیس می تواند باعث کاهش حرارت زایی بتن شود.
