کاربرد مواد نانو در صنعت بتن
مقدمه:
مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زیر 100nm باشدتعریف شده اند ، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچکتر از موی انسان است . به طور کلی ،دریک تقسیم بندی عمومی ، محصولات نانو مواد را می توان به صورتهای زیر بیان کرد•: فیلمهای نانو لایه ( Nano Layer Thin Films ) برای کاربردهای عمدتاً الکترونیکی•نانو پوششهای حفاظتی (Nano Coating ) برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی•نانو ذرات به عنوان پیش سازنده (Precursor) یا اصلاح ساز (Modifier) پدیده های شیمیایی و فیزیکی•نانولوله ها (Nanotubes) منظوراز یک ماده نانو ساختار یا واضح تر یک بدنه نانو ساختار ( Nanostructured Solid ) جامدی است که در آن انتظام اتمی ، اندازه کریستالهای تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متری گسترده شده باشد .
خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهای متعددی که وجود دارند ازجمله ذرات ، الیاف ، گلوله و . . . ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارند . تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آنهادر سطح مقیاس نانو می باشد .
هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکردبالا می باشد ، که آنها را می توان به عنوان مصالحی باعملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملکرد چندمنظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی میباشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند .
در مطالب بعدی که خواهدآمد مواد نانو ساختاری معرفی خواهند شد که با توجه به نوظهور بودن چنین موادی میتوانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند . 2. موادنانوکمپوزیت:
مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری ) اولین باردرسالهای 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژی سول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است .
هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این موادتوسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای 80 صورتگرفته است ، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و درآغاز راه می باشد .
در این شرایط نانو آلومینا ، بهترینساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نویدمی دهد . زیرا کاربرد این مواد پدیده ای است که از نظرمکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و دررشته های مختلف کاربرد دارد . از جمله می توان به چندنمونه اشاره کرد:•تکنولوژی نانوفلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آوردهاست . •ذرات نانویی غیر فلزمانند:نانو سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد .
3. بتن با عملکرد بالا ([1]HPC) :
یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، بتن باعملکرد بالا(HPC ) می باشد . این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد . خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی ، پیوستگی ویکپارچگی را بوجود می آورد .
بنابراین ، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربردآنها بسیار حائز اهمیت می باشد . روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می باشد . درمورد بتن به طورخاص ، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر ، بتن با عملکرد بالای چندمنظوره (MHPC) خواص اضافه دیگری را دارا می باشد ، از جمله می توان به خاصیت الکترومغناطیسی ، و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات ) و افزایش موثر بودن آن درحفظ انرژی ساختمانها و ... را نام برد .
. نانو سیلیس آمورف:
در صنعتبتن ، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پرکنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC) ایفا می کند .
محصول معمولی همانسلیکیافیومیا میکرو سیلیکا می باشد که دارای قطری درحدود 1/0 تا 1 میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیسحدود 90% می باشد . می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که درمحدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت موادسیمانی به کاربرده می شود .
محصول نانو سیلیس متشکلاز ذراتی هستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطرکمتر از 100nm یا بصورت ذراتخشک پودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار میباشند ، که مایع آن معمول ترین نوع محلول نانو سیلیس می باشد ، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم([2]SCC) به کار گرفته شده است . نانوسیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان میدهد مانند:
• خاصیت ضد سایش
• ضد لغزش
• ضد حریق
• ضد انعکاس سطوح
آزمایشات نشان داده اند که واکنش موادنانو سیلیس(Colloidal Silica ) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکروسیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همانتاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکرو سیلیکا را درسنین اولیه دارا می باشد .
تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ریولوژی ، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است . آنچه که دراینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانوسیلیس با قطری در محدوده 5 تا 100 نانومترمیباشد .
5. نانو لوله هاNANOTUBES) )
همان گونه که در مقدمهمقاله مطرح شد معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاحعملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند . امروزه از الیاف فلزی ، شیشه ای ، پلی پروپلین ، کربن و . . . دربتن برای مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات رویبتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی (Carbon Nanotubes ) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلحکردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد .
نانولوله کربنی توسط LIJIMA درسال 1991 کشف شده است وکارهای بسیاری بر روی ساختارنانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسیو اصلی بازی میکند . کربن 60 و نانو لوله های نویندارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قویتر وبسیار سبک می کند بطوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایندودر آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که درکامپوزیت ها به کار برده می شوند .
نانو لوله ها با توجه به تحقیقاتانجام شده در مرکز تحقیقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) ، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناختهشده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظهحرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند ، بطوریکه هادیبودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد .
نانولوله ها طبقه جدیدی ازمحصولات می باشند که انقلابیجدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آوردهاند . یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره می توانند به عنوان نانولوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن موادمورد استفاده قرار گیرند . بنابراین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلیذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکردبالای چند منظوره , بازی می کنند .
6. نتیجه گیری:
منظور از مقاله ارائه شده نشان دادنمصالح جدید ساختمانی و بیان مزایای استفاده از این نوعمواد در صنعت ساختمان می باشد ، البته به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه های فراوانی برای کارهای نظری و عملی در دانشگاه هایکشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه برای گام های بلندتر در اینزمینه باز شود.
