فناوري نانو و بتن

در سطح علوم پايه به منظور درك ساختمان بتن، تجزيه و تحليل هاي بسياري در مقياس نانو در حال انجام است كه براي اين منظور از فناوري هائي مانند ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM)، ميكروسكوپ الكتروني پيمايشي((SEM و پرتو يوني متمركز ((FIB، كه براي مطالعه در مقياس نانو توسعه يافته اند، استفاده مي شود.

يكي از جنبه هاي اساسي فناوري نانو طبيعت ميان رشته اي آن است كه به عنوان نمونه در يك تعامل تحقيقاتي ميان شاخه هاي مهندسي پزشكي و ساخت و ساز، از مدل سازي مكانيكي استخوان به منظور مطالعه نحوه نفوذ و انتشار كلر در بتن (كه عامل هواخوردگي ميلگردها است) استفاده شده است.

مروري بر جنبه هاي فني کاربرد نانومواد در بتن:

افزودن نانو ذرات هماتيت (Fe2o3) به بتن علاوه بر افزايش استحكام بتن، پايش سطوح تنش را نيز امكان پذير مي سازد.

نانو لوله هاي چند جداره موجب افزايش مقاومت فشاري ( 25 + نيوتن بر متر مربع) و مقاومت خمشي ( 8+ نيوتن بر متر مربع ) بتن مي شوند.

به منظور افزايش استحكام بتن، مي توان از باكتري ها استفاده نمود، به طوري كه افزودن ميكرو ارگانيزم هاي بي هوازي به مخلوط آب و بتن، موجب افزايش 25 در صدي مقاومت 28 روزه بتن مي شوند، همچنين رسوب دهي ملات سيمان ماسه اي منجر به رشد ماده پر كننده (فيلر) در داخل خلل و فرج سيمان(نوعي از بتن خود تعمير كن self repairing) مي شود.

استفاده از نانو ذرات در مواد چسباننده مختلف موجب بهبود ويژگي هاي مربوط به خرابي بتن مي شود.

هم اكنون سيليس((Sio2 جزئي از بتن معمولي است. يكي از نتايج مطالعه بتن در مقياس نانو اين است كه با استفاده از نانو ذرات سيليس مي توان ميزان تراكم ذرات در بتن را افزايش داد كه اين به افزايش چگالي ميكرو و نانو ساختارهاي تشكيل دهنده بتن ودر نتيجه بهبود ويژگي هاي مكانيكي آن مي انجامد.

افزودن نانو ذرات سيليس به مواد مبتني بر سيمان هم موجب كنترل تجزيه ناشي از واكنش بنيادي C-S-H (كلسيم- سيليكات- هيدرات)، كه در اثر نشت((leaching كلسيم در آب رخ مي دهد، و نيز جلوگيري از نفوذ آب به درون بتن مي شود كه هر دوي اين موارد دوام بتن را افزايش مي دهد.

متناسب با ميزان افزايش تراكم ذرات، آسيا كردن كلينكر سيمان پرتلند معمولي(OPC) به همراه ماسه استاندارد، منجر به توليد ذرات ريز تري در مقايسه با ذرات حاصل از آسيا نمودن سيمان پرتلند معمولي به تنهايي مي شود، و نكته مهم اينكه با افزايش ميزان ريزي و در نتيجه تراكم ذرات، مقاومت فشاري بتن تا حد سه تا شش برابر افزايش مي يابد.

خاكستر فرار يكي ديگر از مواد مورد استفاده در ساخت بتن است؛ استفاده از اين ماده علاوه بر افزايش دوام و استحكام بتن، ميزان مصرف سيمان را نيز كاهش مي دهد؛ ولي افزودن خاكستر فرار به بتن موجب كند شدن فرآيند عمل آوري بتن و كمتر شدن مقاومت كوتاه مدت آن در مقايسه با بتن معمولي مي شود. در صورت افزودن نانو ذرات سيليس به بتن ساخته شده با خاكستر فرار، با وجود اينكه قسمتي از سيمان مصرفي با سيليس جايگزين مي شود، چگالي و استحكام بتن و مخصوصاَ مقاومت كوتاه مدت بتن افزايش چشمگيري مي يابد.

همچنين تحقيق در مورد اضافه نمودن نانو ذرات اكسيد آهن يا هماتيت (Fe2o3) به بتن نشان داده است كه اين ذرات علاوه بر افزايش مقاومت بتن ،پايش سطوح تنش( خستگي) بتن را از طريق اندازه گيري مقاومت الكتريكي برشي ( مقطعي) امكان پذير مي سازد.

نوعي ديگر از نانو ذرات افزودني به بتن در جهت بهبود ويژگي هاي آن، دي اكسيد تيتانيوم(Tio2) است؛ Tio2 يك رنگدانه سفيد است كه مي توان آن را به عنوان يك روكش بازتاب كننده مطلوب استفاده نمود.

Tio2 از طريق واكنش هاي فوتو كاتاليستي قوي قادر به شكستن و تجزيه آلاينده هاي آلي، تركيبات آلي فرار ((VOC و غشاهاي باكتريايي است و به همين دليل براي ايجاد خاصيت ضد عفوني كنندگي به رنگ ها، سيمان ها و شيشه ها اضافه مي گردد.

چنانچه از Tio2 در سطوح بيروني سازه ها استفاده شود، قادر است غلظت آلاينده هاي موجود در هوا را كاهش دهد. Tio2 ماده اي آب دوست است و با اضافه شدن به سطحي، موجب ايجاد خاصيت خود تميز كنندگي در سطح مي گردد.

بتن توليد شده با اين ذرات هم اكنون در پروژه هايي در سر تا سر دنيا در حال استفاده است، اين بتن داراي رنگ سفيد و درخشندگي خاصي است كه سفيدي و درخشندگي خود را به طور موثري حفظ مي كند، اين در حالي است كه سازه هاي ساخته شده با بتن معمولي فاقد چنين ويژگي هستند.

نانو لوله هاي كربني((CNT از جمله نانو ذرات ديگري با ويژگي هاي قابل توجهي هستند كه تحقيقات براي بررسي مزاياي حاصل از اضافه نمودن آنها به بتن در حال انجام است. در صورت افزودن مقادير كوچكي (در حدود يك در صد وزني) از نانو لوله هاي كربني به نمونه هاي متشكل از آب و بخش عمده اي سيمان پرتلند، خواص مكانيكي نمونه ها به طور قابل توجهي بهبود مي يابد.

نانو لوله هاي تك جداره(MWNT) اكسيد شده بالاترين ميزان افزايش را هم در مقاومت فشاري (25+ نيوتن بر متر مربع) و هم در مقاومت خمشي( 8+ نيوتن بر متر مربع) نمونه ها نشان دادند.به طور تئوري اثبات شده است كه وجود مقدار زيادي نقايص ساختاري بر روي سطح نانو لوله هاي چند جداره اكسيد شده مي تواند به ايجاد اتصال بهتر ميان نانو ساختارها و ملات بينجامد؛ لذا مي توان نتيجه گرفت كه ازطريق ايجاد نقايصي بر روي سطح ميلگردهاي تقويت كننده بتن، خواص مكانيكي كامپوزيت بهبود مي يابد.

در مورد افزودن نانو لوله ها به هر ماده اي دو مشكل عمده وجود دارد: يكي ايجاد اتصال ميان نانو لوله ها با همديگر و ديگري فقدان چسبندگي مناسب ميان نانو لوله و شبكه ماده توده، كه از دلايل اين مشكل، بر هم كنش هاي ميان صفحات گرافيتي نانو لوله هاست. اين خاصيت، آنها را به سمت جمع شدن كنار يكديگر به صورت دسته ها يا طناب هايي سوق مي دهد و گاهي اوقات امكان دارد اين طناب ها به يكديگر گير كرده باشند.

براي دستيابي به پراكندگي يكنواخت نانو لوله ها درون شبكه ماده توده، بايد نانو لوله ها را از يكديگر جدا نمود، علاوه بر اين به دليل طبيعت گرافيتي نانو لوله ها و وجود خاصيت لغزندگي در آنها،امكان ايجاد چسبندگي مناسب ميان نانو لوله و شبكه وجود ندارد.

در صورت استفاده از صمغ عربي به منظور از پيش پراكنده سازي نانو لوله ها، مخصوصاَ در صورت كاربرد نانو لوله هاي تك جداره ((SWNT، ويژگي هاي مكانيكي بتن به طور قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد. براي تعيين مقادير بهينه نانو لوله هاي مورد مصرف و نيز شاخص هاي مؤثر در پراكنده سازي نانو لوله ها در مخلوط، به تحقيقات بيشتري نياز است.

هزينه بالاي افزودن نانولوله هاي كربني به بتن،توجه به مزاياي آن را تحت الشعاع قرار داده است؛ لذا فعاليت هايي در جهت كاهش قيمت نانو لوله ها در حال انجام است كه در اين صورت مزاياي حاصل از افزودن آنها به مواد سيمان بيشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.

روكش ها، زمينه مطالعاتي ديگري هستند و تحقيق فعالانه اي در مورد روكش هاي محافظ محتوي نانو ذرات براي حفاظت سطحي از بتن در حال انجام است. كاربرد ويژه اين روكش ها در حفاظت در برابر شوره گذاري است. هم اكنون مطالعات به سمت كاربرد برخي از انواع نانو ذرات در چسب هاي (ملات هاي binder) مختلف و نحوه تاثير آنها بر روي ويژگي هاي كليدي مرتبط با فرسايش بتن، مانند ممانعت از انتقال يون هاي كلر، مقاومت در برابر دي اكسيد كربن، پخش بخار آب، جذب آب و عمق نفوذ، هدايت مي شوند. تا كنون نوعي حلال متشكل از رزين اپوكسي با وزن مولكولي پايين و نانو ذرات رس (nano-clay )، نتايج اميد وار كننده اي را نشان داده است.

تحقيقات كنوني نشان داده اند كه حسگر هاي مبتني بر فناوري نانو مي توانند كاربردهاي زيادي در سازه هاي بتني، به منظور كنترل كيفيت و پايش دوام بتن داشته باشند. به طوري كه اين حسگرها مي توانند براي هدف هاي مختلفي؛از جمله 1)اندازه گيري چگالي بتن؛

2) نظارت بر فرآيند عمل آوري بتن و اندازه گيري ميزان افت(انقباض) بتن؛

3) اندازه گيري پارامتر هاي كليدي معين و اثر گذار بر دوام بتن مانند دما،رطوبت،غلظت كلر،PH، دي اكسيد كربن،ميزان خستگي(تنش)، خوردگي ميلگردها وارتعاش( ويبراسيون)، طراحي شوند.

با توجه به مزیت های کاربرد نانو مواد دربتن می توان در صنایع مختلف معدنی استفاده نمود که عبارتند از :

لاینینگ دیواره های تونل ها به علت داشتن استحکام بالا و مقاومت فشاری وخمشی و تراکم و...

در تونل های راه به دلیل خاصیت باز تابندگی می توان از این نوع بتن ها در دیواره ها استفاده نمود که فضای روشنی را فراهم می سازدو باعث کاربرد لامپهای کمتر می شود.

بدلیل مقاومت در برابر نفوذ اب دیگر نیاز به نوارهای واتر استاب که از نفوذ اب به بتن جلوگیری می کنددر دیواره ها نیست.

به علاوه این بتن ها به دلیل دارا بودن ترکیبات مناسب چسبندگی مناسب با شبکه های فولادی(مش) ارجحیت استفاده نسبت به بتن های معمولی را دارند.

همچنین به دلیل تراکم و مقاومت در برابر سطوح تنش استفاده از این نوع بتن ها به عنوان دوغاب و خمیر پر کننده چال هایی که در ان راک بولت (میل مهار)نصب شده است توصیه می شود.

فناوري نانو و بتن

مطالب مشابه :

کاربرد گچ در صنایع کاغذ

كاني شناسي استان بوشهر

فولاد - فرآیندهای تولید فولاد

ماشین های بسته بندی در صنایع غذایی (راضیه دشتی)

پرسش های متن درس پنجم :صنایع ایران

فناوري نانو و بتن

فناوري نانو و بتن

ZYCOSIL: اعجاز تکنولوژی نانو در ضد آب کردن ساختمان

پرسش و پاسخ های علوم سال اول فصل4