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.

منبع:سايت علمي و اطلاع رساني عمران ايرا