مقاله در مورد کاربرد نانو مواد در صنعت بتن

بخشی از مقاله

کاربرد نانو مواد در صنعت بتن
مقدمه
مواد نانو به عنوان موادي که حداقل يکي از ابعاد آن (طول، عرض، ضحامت) زير 100nm باشد تعريف شده اند، يک نانومتر يک هزارم ميکرون يا حدود 100000برابر کوچکتر از موي انسان است. به طور کلي، در يک تقسيم‌بندي عمومي، محصولات نانومواد را مي توان به صورت‌هاي زير بيان کرد:
فيلم‌هاي نانو لايه (Nano Layer Thin Films) ) براي کاربردهاي عمدتا الکترونيکي، نانو پوشش هاي

حفاظتي براي افزايش مقاومت در برابر خوردگي، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي و نانو ذرات به عنوان پيش سازنده(precursor ) يا اصلاح ساز(Modifier ) پديده‌هاي شيميايي و فيزيکي. منظور از يک ساختار (Nanostructured Solid ) يا واضح تر يک بدنه نانوساختار جامدي است که در آن انتظام اتمي، اندازه کريستال هاي تشکيل دهنده و ترکيب شيميايي سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد.

خواص فيزيکي و شيميايي مواد نانو (در شکل و فرم‌هاي متعددي که وجود دارند از جمله ذرات، الياف، گلوله و...)در مقايسه با مواد ميکروسکوپي تفاوت اساسي دارند. تغييرات اصولي که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکي‌اي اندازه بلکه از نظر خواص جديد آنها در سطح مقياس نانو مي‌باشد.

هدف نهايي از بررسي مواد در مقياس نانو، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني باعملکرد بالا مي باشد، که آنها را مي توان به عنوان مصالحي با عملکرد بالا و چند منظوره به شمار آورد. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواص جديد و متفاوت نسبت به مواد معمولي مي‌باشد به گونه‌اي که مصالح بتوانند کاربردهاي گوناگوني را ارائه نمايند.

1- مواد نانو کامپوزيت
مواد نانو کمپوزيت بر پايه پليمر (ماتريس پليمري) اولين بار در سال‌هاي 70 معرفي شده اند که از فناوري sol-gel جهت انتشار (Disperse ) دادن ذرات نانو کاني درون ماتريس پليمر استفاده شده است.
هر چند تحقيقات انجام شده در دو دهه گذشته براي توسعه تجاري اين مواد توسط شرکت تويوتا در ژاپن صورت گرفته است، ولي رشته نانو کمپوزيت پليمر هنوز در مرحله جنيني و در آغاز راه مي‌باشد. در اين شرايط نانو آلومينا، بهترين ساختار نانويي است که افق جديدي را در صنعت سراميک‌ نويد مي دهد، زيرا کاربرد اين مواد پديده اي است که از نظر مکانيکي، الکتريکي و خواص

حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف کاربرد دارد. از جمله مي‌توان به چند نمونه اشاره کرد: تکنولوژي نانو فلز آرتونايد که اخيرا الياف تجاري نانو آلومينا را توليد کرده است و ذرات نانويي غير فلز مانند: نانوسيليکا، نانو زيرگونيا و مواد ديگر اصلاح کننده سراميک ها.

2- بتن با عملکرد بالا
يکي از چالش‌هايي که در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است، بتن با عملکرد بالا (HPC) مي باشد. اين نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزيت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزيت و چند فازي مرکب و پيچيده مي باشد. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگي به نانو ساختار ماده زمينه بتن و سيماني دارد که چسبندگي، پيوستگي و يکپارچگي را بوجود مي آورد.

بنابراين، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و کاربرد آنها اهميت دارد.روش معمولي براي توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتن مسلح با انواع مختلف الياف مي‌باشد. در مورد بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانيکي بهتر، بتن با عملکرد بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافه ديگري را دارا مي‌باشد، از جمله مي‌توان به خاصيت الکترو مغناطيسي و قابليت بکار گيري در سازه هاي اتمي (محافظت از تشعشعات) و افزايش موثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمان‌ها و ... را نام برد.
3- نانو سيليس آمورف

در صنعت بتن، سيليس يکي از معروفترين موادي است که نقش مهمي در چسبندگي و پر کنندگي بتن با عملکرد بالا (HPC) ايفا مي کند.
محصول معمولي همان سليکيافيوم يا ميکرو سيليکا مي‌باشد که داراي قطري در حدود0.1 تا 1 ميليمتر بوده و داراي اکسيد سيليس حدود 90% مي‌باشد. مي‌توان گفت که ميکروسيليکا محصولي است که براي افزايش عملکرد کامپوزيت مواد سيماني به کار برده مي‌شود.

محصولات نانو سيليس متشکل از ذراتي هستند که داراي گوله‌اي شکل بوده و با قطر کمتر از 100nm يا بصورت ذرات خشک پودر يا به صورت معلق در مايع محلول قابل انتشار مي‌باشند، که مايع آن معمول‌ترين نوع محلول نانوسيليس مي باشد، اين نوع محلول آزمايشات مشخص در بتن خود تراکم ([2] SCC ) به کار گرفته شده است. نانو سيليس معلق کاربردهاي چند منظوره از خود نشان مي دهد مانند:
خاصيت ضد سايش
ضد لغزش
ضد حريق
ضد انعکاس سطوح

آزمايشات نشان داده‌اند که واکنش مواد نانو سيليس (Colloidal Silica) با هيدرواکسيد کلسيم در مقايسه با ميکروسيليکا سريع‌تر انجام گرفته و مقدار بسيار کم اين مواد همان تاثير پوزالاني مقدار بسيار بالاي ميکروسيليکا را در سنين اوليه دارا مي باشد. تمام کارهاي انجام يافته بر روي کاربرد مواد نانو سيليس کلوئيدي (Colloidal Nano Silica )در بخش اصلاح مواد ريولوژي، کارپذيري و مکانيکي خمير سيمان بوده است. آنچه که در اينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانو سيليس با قطري در محدوده 5 تا 100nm مي‌باشد.

4- نانو لوله‌ها (NANOTUBES)
همان گونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولا الياف براي مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانيکي بتن بکاربرده مي شوند. امروزه از الياف فلزي، شيشه‌اي، پلي پرويلين، کربن و ... در بتن براي مسلح کردن استفاده مي شود و ليکن تحقيقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله‌ کربني (Carbon Nan otubes )انتشار نيافته است تا بتوان از نتايج براي مسلح کردن بوسيله نانولوله ها استفاده کرد.

نانو لوله کربني توسط LIJIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهاي بسياري بر روي ساختار نانو در بخش فيزيک کوآنتم انجام يافته است بطوري که تحقيقات نوين روي تکنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهاني نقش اساسي و اصلي بازي مي کند. کربن 60 و نانو لوله‌هاي نوين داراي ساختاري هستند که آنها را از فولاد قوي‌تر و بسيار سبک مي کند بطوريکه مي توانند خميدگي و کشش را بدون شکستن تحمل نمايند و در آينده جايگزين الياف کربن خواهند شد که در کامپوزيت‌ها بکار برده مي شوند.

نانو لوله‌ها با توجه به تحقيقات انجام شده در مرکز تحقيقات بتن (وابسته به موسسه ACI شاخه ايران) داراي مقاومت کششي بيش از هر نوع الياف بتني شناخته شده مي‌باشند و نيز نانو لوله‌ها خواص ويژه قابل ملاحظه حرارتي و الکتريکي از خود نشان مي دهد، بطوريکه هادي بودن حرارت آنها بيش از دو برابر الماس و هادي بودن الکتريکي آنها 1000برابر مس است.
نانو لوله‌ها طبقه جديدي از محصولات مي‌باشند که انقلابي جديد در زمينه مصالح و مواد نانو کامپوزيت‌هاي چند منظوره بوجود آورده اند ومي‌توانند به عنوان نانو لوله‌هاي کربني در نقش الياف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گيرند. بنابراين نانو لوله‌هاي کربني از اجزاي کليدي بدست آوردن هدف اصلي ذکر شده در فوق به عنوان مسالح ساختماني با عمکرد بالاي چند منظوره، بازي مي‌کنند.
5- نتيجه‌گيري
منظور از مقاله ارائه شده نشان دادن مصالح جديد ساختماني و بيان مزاياي استفاده از اين نوع مواد در صنعت ساختمان مي باشد، البته به دليل نو بودن اين نوع مصالح زمينه‌هاي فراواني براي کارهاي نظري و عملي در دانشگاه هاي کشور مي باشد با معرفي مصالح و ساختار نانو راه براي گام‌هاي بلندتر در اين زمينه باز خواهد شد.

پرليت
مقدمه:
پرليت نوعي سنگ سيليكوني حاصل از گدازه هاي آتشفشاني است كه با توجه به سوابق به دست آمده از قرن سوم پيش از ميلاد شناخته شده بود و با توجه به ويژگي هايي كه در كاهش مصرف انرژي دارد در سال 1940 در امريكا و در سال1946 در اروپا مورد بهره برداري قرار گرفت.
امروزه پرليت در صنايع مختلف از جمله ساختمان، نفت، پتروشيمي، نساجي، فيلتراسيون، نظامي، كشاورزي و... كاربردهاي فراواني دارد.

شركت تعاوني وارش سبز درفك نیز از سال 1379 تحقيقات گسترده اي را در زمينه پرليت آغاز نموده و با بهره گيري از دانش فني متخصصين خود موفق به بهره گيري از پرليت در ساخت مصالح سبك ساختماني گرديد.

خواص فيزيكي پرليت
سفيد رنگ
0/5 رطوبت آزاد

6/5-8/0 PH
105 ضريب انكسار
2/2-2/4 جرم مخصوص
32-400kg/m دانسيته توده
870-1100 c نقطه نرمي
1280-1350 c نقطه ذوب

0/2 Btu/lb F گرماي ويژه
3/5m/g مساحت سطح ويژه
8/3 ppm آهن محلول
3-4darci نفوذپذيري
600ml100gr جذب آب
دربازهاي غليظ داغ و HFمحلول در محلول 1نرمال سود:نسبتا محلول(%10>)دراسيدهاي معدني1نرمال: كمي محلول(%3>)درآب يا اسيدهاي ضعيف :بسياركم محلول(%1>) حلاليت

پرليت با بيش از 300 نوع كاربري نقش به سزايي در صنايع مختلف دارد كه تعدادي از آنها به شرح زير مي باشد:
1- صنعت ساختمان
دانسيته (kg/m) قابليت انتقال حرارت(w/mc ) نوع ملات
1440 0/467 ملات پلاستر سيمان،آهك،شن و ماسه
1410 0/649 ملات پلاستر گچ،شن و ماسه

1280 0/461 ملات پلاستر گچ
710 0/205 ملات پلاستر گچ- پرليت با روكش نشاسته اي
627 0/162 ملات پلاستر گچ- پرليت با روكش قهوه اي رنگ
1-1- ساخت قطعات بتني سبك و قطعات پيش ساخته
1-2- كرونبندي سقف
1-3- شات كريت

1-4- پلاسترها(گچ و پرليت)
1-5- پوشش پلي استري
2- صنعت نفت
2-1- ايزولاسيون مخازن و لوله هاي نفتي
2-2- جذب آلايندگي هاي سطح آب(نشت نفتي)
3- صنعت كشاورزي
3-1- حمل سموم دفع آفات نباتي
3-2- بهبود خواص خاك(ايجاد تخلخل)

3-3- تهيه كودهاي شيميايي
3-4- حفاظت از چمن ها در استاديوم ورزشي و زمين چمن
4- صنعت آب و فاضلاب
4-1- فيلتراسيون جهت تصفيه آب
5- صنايع غذايي ، شيميايي ، دارويي و ...
5-1- ماده كمكي فيلتراسيون

5-2- پركننده بي اثر ( PH خنثي)
5-3- مادۀ پاك كننده و ساينده سبک
6- صنعت نساجي
6-1- براي ايجاد سطوح پرزدار
7- صنايع شيميايي و پتروشيمي
7-1- ماده پركننده حجيم و سبك (كاغذ، رنگ، كالك، صابون گريس و....)

8- صنعت ريخته گري و فلزات مذاب
8-1- براي گرفتن سرباره هاي مواد مذاب و حفظ حرارت قطعات ريخته شده
9- استفاده در ساخت مواد پاك كننده بعنوان ماده كمكي
10- استفاده بعنوان عايق

رما در مخازن نگهداري گازهايي مايع شده ( اكسيژن، نيتروژن، متان، پروپان، آمونياك و.....)
11- از پرليت اصلاح شده يا بوسيله قير در جلوگيري از انتقال رطوبت استفاده مي گردد.
از ديگر مواد استفاده پرليت ميتوان به كاربرد آن بعنوان پركننده هاي مقاوم در مقابل آتش و نيز عايق حرارتي در درجه حرارت هايي كه عايق كاري در دماهاي بين 200 تا 800 درجه سانتيگراد موردنیاز است نام برد.

محصولات سراميكي پرليت- فسفات و پرليت در ساخت كوره هاي حرارتي الكتريكي،رآكتورهاي شيميايي و ساير تاسيسات بعلت ويژگي هاي عايق حرارتي اين محصول به طور گسترده اي رواج يافته است.
كاربردهاي پرليت در آينده تنوع و دگرگوني وسيعي خواهد يافت بعضي از زمينه هاي جديد كاربرد پرليت عبارتند از:جانشيني سبوس در غذاي حيوانات، به كارگيري بعنوان كود،سفال هاي آكوستيك،بافت دهنده رنگ،بسته بندي، در ساخت ديگ بخار و كوره هاي پخت سيمان نام برد.

كاربرد پرليت در صنعت ساختمان:
صنعت ساختمان مصرف كننده عمده پرليت بوده و خواهد بود. حدود 65 تا 70 درصد از توليد پرليت در اين صنعت مورد استفاده قرار مي گيرد.به طور كلي پرليت در بخش هاي ساختماني بعنوان آكرگات (قلوه سنگ) در توليد بتن، در تهيه ملات، پلاستر،بعنوان عايق نامتراكم در بين ديوارهاي بنايي و آجري، بعنوان بخشي از صفحات و پانل هاي آماده و بعنوان پركننده و بافت دهنده در رنگها به كار مي رود.

كاربرد پرليت در بتن سبك عايق:
مهمترين مصرف پرليت در ساختمان بعنوان اگرگات (قلوه يا مصالح سنگي) در توليد بتن سبك است كه براي سقف ، كف، ديوارهاي جداكننده و قطعات سبك وزن ساختماني به كار مي رود.بيشترين مورد استفاده از پرليت بعنوان بتن عايق سقف ساختمانانها از قبيل بيمارستان ها، ساختمان هاي اداري، فروشگاهها، انبارهاو ساختمان هاي توليدي است.بتن پرليتي خاصيت عايق دما(سرما و گرما) و مقاومت در برابر آتش را يكجا در خود دارد

.
كاربرد پرليت در بتن پاشي(شات کریت):
از پرليت مي توان بعنوان اگرگات(قلوه سنگ) به همراه سيمان و آب، بتن پرليتي تهيه نمود و از آن به روش شات كريت براي پوشش دادن سطوح شيب دار، قائم و سطوح انحنادار استفاده نمود.

كاربرد پرليت در عايق حرارتي:
چگالي ملات خشك (kg/m) قابليت هدايت گرمايي (W/mk) قدرت تراكم (kpa) چگالي بتن تر(kg/m)
576 0/11-0/13 2413-3447 808±32
488 0/09-0/10 1585-2344 728±32
432 0/08-0/09 965-1378 648±32
352 0/07-0/08 552-861 584±32

يكي از مهمترين خواص پرليت، هدايت حرارتي بسیار كم آن است كه در كارهاي ساختماني و بخصوص مهندسي سردخانه ها موارد استفاده فراواني بوجود آورده است.
ضريب هدايت حرارتي پرليت منبسط شده بسته به وزن مخصوص آن متفاوت و عموما پايين است عايق كاري با اين ماده در حرارتهاي پايين تر از 950 درجه سانتيگراد معمول است.
هدايت حرارتي آن بين 28/0- 8/0 متغيرمي باشد.غير قابل اشتعال بودن از مزيت هاي ديگر پرليت است.
كاربرد پرليت در عايق كردن سقف شيب دار:
پرليت به صورت نامتراكم و يا تراكم شده بين ورقه هاي شيرواني قرار مي گيرد محصولات مذكور را مي توان جهت ايجاد حداقل گرد و خام به كار گرفت.
پس از نصب سقف شيب دار با استفاده از اين مواد، درصد فرونشيني آن حداقل بوده و غير قابل شكستن و تخريب است، لذا يكپارچگي عايق بندي حفظ مي شود و از آنجاييكه اين محصول غير قابل اشتعال است و از مقاومت كافي در مقابل آتش سوزي نيز برخوردار است. بدين ترتيب استفاده از عايق پرليتي در نزديكي سيم هاي برق و اتصالات موجب ایجاد ايمني كافي می گردد.

كف هاي شناور:
از خاصيت عايق آکوستیک بودن پرليت در كف هاي شناور استفاده مي شود، كف عايق متشكل از صفحات فيبر فشرده شده است كه روي يك لايه پر شده از پرليت به كار گرفته مي شود.
پرليت در قسمت زيرين كف ريخته شده و به ارتفاع مورد نظرمی رسد، صفحه فيبر روي پرليت قرار گرفته و توسط كاغذ نفوذ ناپذير در مقابل آب و بالاخره لايه رويي كف پوشيده مي شود. بدين ترتيب مسئله صدا در ساختمان هاي مرتفع تحت كنترل قرار مي گيرد.