بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد نانو ذرات درکاهش زبری سطوح سازههای هیدرولیکی
خلاصه
برآورد ضریب زبری اهمیت زیادی در تخمین دبی جریان رودخانهها دارد. همچنین تحلیل برآورد دبی جریان از جمله مسایل مهم در مدیریت منابع آب به شمارمیرود. ازطرفی کاهش زبری در طراحی سازههای هیدرولیکی و مهندسی رودخانه به منظور افزایش سرعت و به تبع آن دبی عبوری از مقاطع مختلف موضوع مورد توجه محققان و همینطور صنعتگران مرتبط میباشد. بدین منظور پروژهای تحت عنوان کاربرد نانو ذرات در کاهش زبری سطوح سازههای هیدرولیکی تعریف و در آزمایشگاههای مؤسسه تحقیقات آب به اجرا در آمد. نانو ذرات مهندسی شده موادی هستند که بر اساس خواصی مانند اندازه، سطح، شکل و خواص شیمیایی برای کاربردهای موردنظر و مشخص طراحی و تولید شدهاند.[1]که دراین مقاله نانو ذرات سیلیس در قیاس با بتن معمولی قرار گرفته است. با استفاده از این محصول میتوان سطوح بسیار صاف و یکدستی در لایه رویه پدیدار کرد که میتواند دبی و سرعت انتقال آب در کانالها، کلاریفایرها و سرزیر سدها را بسیار بالا برد.[1] برای اثبات این مزیت در این تحقیق یک فلوم آزمایشگاهی به طول 10 متر، ارتفاع 60 سانتیمتر و عرض 55 سانتیمتر استفاده شد که در مرحله اول دیوارهها و کف این کانال با بتن معمولی پوشانده و در پنج دبی و مقاطع مختلف سرعت جریان اندازهگیری شد سپس در مرحله دوم آزمایش دیوارهها و کف کانال با سیمان حاوی نانو ذرات پوشانده و شرایط آزمایش مرحله اول تکرار گردید و سرعت جریان در این حالت نیز اندازهگیری گردید. با مقایسه نتایج آزمایشها، اثر مطلوب این بتن جدید در افزایش سرعت انتقال آب در سازههای هیدرولیکی و همچنین امکان کاهش قابل توجه حجم سازههای بتنی مشاهده گردید.
کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی، ضریب زبری، فلوم، بتن
-1 مقدمه
نانو تکنولوژی یکی از عمده ترین زمینه های تحقیقاتی در بازه وسیعی از علوم و فنون در طی دو دهه اخیر بوده است. تکنولوژی نانو تغییرات شگرفی در برخی صنایع مانند الکترونیک و بیومکانیک به وجود آورده است و در حال حاضر این تکنولوژی در صنعت جهت تولید مواد ، دستگاه ها و سیستم هایی در مقیاس میکرو، نانو و حتی مولکولی ، مورد استفاده قرار میگیرد.
هر چند که با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو در کلیه علوم و صنایع توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در مهندسی عمران و بطور عام در ساخت و سازشده است ولی اخیراً با توجه به تقویت کننده ها و استحکام دهنده های نانویی در مصالح ساختمانی، موج جدیدی با شتابی فزاینده صنعت ساخت و ساز را در بر گرفته است.[2]
به نظر میرسد یکی از عمدهترین کاربردهای فنآوری نانو در مهندسی عمران، کاربرد نانو ذرات در ساخت سیمان و بتن میباشد. در این تحقیق سعی شده است امکان استفاده از چنین موادی در سازههای هیدرولیکی و انتقال آب مورد بررسی قرار گیرد. پارامتر مورد ارزیابی فنی قرار گرفته در این تحقیق سرعت جریان و ضریب زبری میباشد.
-2 ویژگیهای نانو ذرات مورد استفاده در بتن
امروزه سیمان با توجه به کاربردهای مختلف و مصارف گوناگون، نقش مهمی در زندگی بشر ایفا میکند با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو در تمامی علوم و صنایع، باید اذعان داشت که توجه کمی به کاربردهای این پدیده در استفاده از سیمان و ترکیبات آن شده است. ولی اخیراً توجه به استفاده از تقویت کنندهها و استحکام دهنده های مدرن در مصالح ساختمانی، موج جدید بهرهمندی از فنآوری نانو نیز با شتاب فزایندهای صنایع مرتبط با سیمان را در بر گرفته است.
روشها و مواد مختلفی با استفاده از فن آوری نانو برای رفع مشکلات موجود در زمینه سیمان و بتن پیشنهاد و به کار گرفته شدهاند که مهمترین آنها عبارتند از:
نانو ذرات سیلیس
نانو ذرات حاصل از آسیا کردن
نانو لولههای کربنی
نانو ذرات هماتیت
دی اکسید تیتانیوم
در این تحقیق از نانو ذرات سیلیس در پوشش و ساخت بتن استفاده شده است که در ادامه شرح مختصری از خصوصیات فنی آن ارائه میگردد. سیلیس Sio2 جزئی از بتن معمولی است و یکی از نتایج مطالعه بتن در مقیاس نانو این است که با استفاده از نانو ذرات سیلیس میتوان میزان تراکم ذرات در بتن را افزایش داد که این به افزایش چگالی میکرو و نانو ساختارهای تشکیل دهنده بتن و در نتیجه بهبود ویژگی های مکانیکی آن می انجامد.[4]
نانو سیلیس متشکل از ذراتی است که دارای شکل گلولهای بوده و با قطر کمتر از 100 نانومتر یا به صورت ذرات خشک پودر یا به صورت معلق در مایع محلول، قابل انتشار است و خواص چند منظوره از خود نشان میدهد مانند سرعت بندش بسیار بالا، خاصیت ضد سایش، ضد لغزش، ضد حریق و ضد انعکاس سطوح که در نتیجه از این روش در ساخت تونل، آببندی، معدنکاری و تثبیت شیبها استفاده میشود.[4]
افزودن نانو ذرات سیلیس به مواد مبتنی بر سیمان هم موجب کنترل تجزیه ناشی از واکنش بنیادی،کلسیم- سیلیکات- هیدرات، که در اثر نشت کلسیم در آب رخ میدهد، و نیز جلوگیری از نفوذ آب به درون بتن می شود که هر دوی این موارد دوام بتن را افزایش می دهد.[3]
خاکستر فرار یکی دیگر از مواد مورد استفاده در ساخت بتن است، استفاده از این ماده علاوه بر افزایش دوام و استحکام بتن، میزان مصرف سیمان را نیز کاهش می دهد. ولی افزودن خاکستر فرار به بتن موجب کند شدن فرآیند عمل آوری بتن و کمتر شدن مقاومت کوتاه مدت آن در مقایسه با بتن معمولی می شود اما در صورت افزودن نانو ذرات سیلیس به بتن ساخته شده با خاکستر فرار، با وجود اینکه قسمتی از سیمان مصرفی با سیلیس جایگزین می شود، چگالی و استحکام بتن و مخصوصا مقاومت کوتاه مدت بتن افزایش چشمگیری می یابد.[5]
-1 -2 بررسی دادهها
به منظور تحقیق در خصوص نقش نانو ذرات استفاده شده در کاهش زبری، پارامتر سرعت جریان به عنوان پارامتر هیدرولیکی انتخاب گردید و سری آزمایش های هیدرولیکی در یک فلوم آزمایشگاهی با مشخصات ذیل طرح ریزی گردید.
مشخصات فلوم آزمایشگاهی:
طول 10 متر، ارتفاع 60 سانتیمتر و عرض 55 سانتیمتر
جنس دیواره و کف : بتن معمولی در مرحله اول آزمایش و بتن عملآوری شده با نانو ذرات سیلیسی در مرحله دوم آزمایش بوده است. نقطه کنترل هیدرولیکی: بالادست فلوم به استفاده از شیر هیدرولیکی برای تنظیم دبی ورودی و پایین دست فلوم با استفاده از دریچه برای تنظیم تراز سطح آب میباشد. شکل شماره 1 نمایی از فلوم آزمایشی مورد استفاده را نشان می دهد.
شکل-1 تصویر فلوم آزمایشگاهی
با توجه به طول فلوم، سرعت جریان در 6 مقطع طولی، 3مقطع عرضی در 3 عمق متفاوت جهت اندازهکیری سرعت جریان انتخاب گردید. اندازهگیری سرعت جریان در چهار دبی 20، 40، 80 و100 لیتر بر ثانیه انجام شد. همچنین در هر آزمایش تراز سطح آب نیز همزمان برداشت گردید. سپس با توجه به قوانین حاکم بر جریانات متغیر تدریجی[6] و فرمول (1) که در آن: : n ضریب زبری، : v سرعت جریان، : R شعاع هیدرولیکی و : S شیب خط انرژی میباشد، ضریب زبری را در هر مرحله از آزمایش محاسبه گردید.
شکل شماره((2 موقعیت مقاطع طولی و عرضی اشاره شده فوق را در فلوم آزمایشکاهی نشان میدهد.
شکل -2 تصویر شماره فلوم آزمایشگاهی
