نانو در بتن (Nano Concrete) و کاربردهای آن

ماهیت میان رشته ای یکی از جنبه های نانو تکنولوژی است. تعامل این علم با بتن می تواند نقطه عطفی در صنعت ساخت و ساز باشد. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی نو از مصالح ساختمانی با قابلیت های بالا و خواص متفاوت نسبت به مصالح معمولی بوده است. استفاده از افزودنی ها و جایگزینی مصالح متداول مورد استفاده در بتن با مصالح جدید، اکثراً مورد توجه بوده است. نانو موادها از سری مواد جدید هستند که خواص مکانی و فیزیکی بتن را ارتقاء می دهند.

در صنایع بتن استفاده از نانو تکنولوژی به چند دهه اخیر بر می گردد. حدوداً ۸۰ سال پیش تاکنون استفاده از سیلیکا در ابعاد میکرون بصورت گسترده ای در بتن پایه سیمانی مورد استفاده قرار می گرفت. استفاده از ذرات کوچکتر از میکروسیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن می شود. با این وجود دانش و درک ضعیف از اثر نانو ذرات در تکنولوژی بتن، به تحقیقات فراوانی در این زمینه نیاز دارد.

ساختار بتن با مواد نانو

بتن ماده‌ای با قالب نانو، چند فازی و با اجزا گوناگون است. این فرم شامل فازهای نامنظم کریستالی در ابعاد میکرومتر تا نانومتر است. فاز غیر بلوری و نانو ساختار کلسیم-سیلیکات-هیدرات (C-H-S) باعث ایجاد چسبی میشود که اجزا بتن را به هم می چسباند. بتن در مقیاس نانو شامل مولکول‌ها، سطوح (دانه ها و فیبرها) و پیوندهای شیمیایی است. مشخصاتی که این مقیاس را توصیف میکنند شامل ساختارهای مولکولی، گروه های عمل گر سطحی، مقاومت و طول پیوند می‌باشد.

فرم غیر بلوری و فازهای کریستالی و محدوده بین فازی، در این اندازه بوجود میایند. ویژگی‌ها و فرآیندها در اندازه نانو، سروکار داشتن ذرات و فازها در مقیاس میکرو، اثرات بارهای اعمالی و محیط پیرامون در مقیاس ماکرو تعریف میشود.

 

نانو تکنولوژی در بتن

مهندسی نانو و علم آن که اغلب با تعبیر بهسازی نانویی در بتن عنوان میشوند. این عبارات برای تشریح دو مسیر در بررسی های نانو تکنولوژی در بتن استفاده می شوند.

سنجش و شرح ساختار مواد پایه سیمانی در مقیاس نانو و میکرو به این موارد می پردازد:

  • درک بهتر رفتار در مقیاس بزرگ (ماکرو)
  • عملکرد آن از طریق تکنیکهای پیشرفته مدل سازی مربوط به سطح اتمی یا مولکولی

نانو مهندسی شامل تکنیک های دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری به منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده ال است. به کمک آن میتوان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالا به وجود آورد.

فعالیت‌های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی در بتن شامل بررسی موارد زیر است:

  1. هیدراسیون در سیمان
  2. تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن
  3. اضافه کردن نانو ذرات به سیمان
  4. بتن و پوشش های سیمانی
  5. مشاهده تاثیرات آنها بر رفتار
  6. مشخصات ایجاد شده در بتن

افزودنی های موجود بتن همیشه تمامی مشخصات آن را بهبود نمی بخشند. نانو فناوری نشان داده است که قابلیت بهبود عملکرد بتن را به صورت همه جانبه دارد. ذرات نانو با توجه به ابعادشان می توانند نقش پر کننده حفرات را بازی کنند. همچنین می توانند با تشکیل نانو کریستال ها مشخصات بتن را ارتقا بخشند. میکرو سیلیس از جمله افزودنی های پر مصرف امروزی است با این حال مشاهده شده که استفاده از نانو سیلیس تاثیر بهتری روی رفتار بتن دارد.

نانو ذرات سیمان

یکی از فواید کریستال های نانو که با استفاده از نانو ذرات تشکیل شده است، پر شدن فضاها و حفرات خالی ماتریس سیمان است. اضافه کردن نانو ذرات که منجر به تشکیل نانو کریستال ها می شود، باعث افزایش مقاومت فشاری، کششی و برشی بتن میشود. ابعاد ذرات سیمان معمولی عموماً در حد میلی و میکرو هستند. اخیرا نانو ذرات سیمان برای بهبود عملکرد سیمان پیشنهاد شده است که در قالب دو روش برای ساخت نانو ذرات سیمان عبارتند از:

  1. خرد کردن ذرات سیمان معمولی به وسیله آسیاب های پر قدرت
  2. ترکیبات شیمیایی، چسب های سیمانی که با استفاده از نانو ذرات سیمان به وجود می آیند، زمان عمل آوری کمتر و مقاومت فشاری اولیه بالاتری نسبت به سیمان های معمولی دارند.

نانو رس ها

استفاده از ذرات نانو رس باعث بهبود رفتار مکانیکی مثل مقاومت در مقابل نفوذ کلرید ها، ایجاد بتن خود متراکم، کاهش نفوذ پذیری و کاهش افت در بتن می شود. رس و مشخصات رس که در ترکیب با سیمان تاثیر گذار میباشد، در مقیاس نانو وجود دارد. ابعاد ذرات رس در طبیعت در حد میکرو و ریز تر از میکرو است. ساختار رس شامل لایه های کریستالی فیلوسیلیکات آلومینیوم با ضخامت تقریبی در حد یک نانو متر است. تاثیر رس بر روی سیمان موضوع جدیدی نیست و در اکثر کاربردها از رس کلسینه شده (Calcined clay) استفاده می شود. با این حال تمرکز بر روی امکانات مهندسی نانو در رس قرار گرفته است. اکثر این تحقیقات بر روی رس طبیعی (کلسینه نشده) انجام میشود. بدلیل آب دوست بودن (Hydrophilic) ذرات رس، کنترل مقدار آب مورد نیاز در کامپوزیت های رس – سیمان اهمیت زیادی دارد.

 

نانو سیلیس

به دلیل خصوصیات بارز پوزولانی میکروسیلیس، استفاده از آن جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشورهای پیشرفته رو به افزایش است. استفاده از آن در بتن دارای فواید بسیار زیادی از جمله: کاهش ترکهای ناشی از هیدراتاسیون سیمان، دوام بهتر در مقابل آسیب های سولفات ها و آب های اسیدی و دست یافتن به مقاومت های نهایی بالا با استفاده از انواع سوپر روان کننده های بتن می باشد.

از دیگر مزایای مصرف میکروسیلیس کاهش تحرک یون های کلر و در نتیجه کاهش عمق نفوذ کلر در بتن بویژه در نواحی ساحلی شمال و جنوب ایران می باشد، از آن میتوان در بتن ریزی های مربوط به ساخت اسکله های دریایی، شمع ها، ستون ها و قطعات پیش ساخته، فونداسیون ماشین آلات و کلیه سازه های بتنی که در معرض حملات شیمیایی بویژه یون کلر و سولفات ها قرار دارند استفاده نمود. از طرف دیگر اضافه کردن ۱۰ درصد نانو سیلیس باعث افزایش 26 درصدی مقاومت فشاری بتن میگردد. در حالی که همین مقدار میکروسیلیس افزایش ۱۵ درصدی مقاومت فشاری بتن را در بر دارد.

نانو ذرات اکسید آهن

استفاده از نانو ذرات اکسید آهن در ملات سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی و همچنین عامل ایجاد قابلیت خود پایش و هوشمند بودن ( Self-Sensing Capabilities) بتن میگردد. توده ملات سیمان که با نانو ذرات اکسید آهن مخلوط گردیده است، تحت اثر بارگذاری های مختلف، مقاومت الکتریکی متفاوتی نشان می دهد. وجود این قابلیت فوق العاده به خصوص برای سازه هایی که از حس گر های مدفون داخل سازه، بهره مند نیستند قابل توجه است. همچنین میتوان عملکرد حسگر های سنجش تنش را بهینه سازی کرد.

دی اکسید تیتانیوم

خود تمیز شوندگی فوتوکاتالیتیک، یکی از مهمترین موارد استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت ساختمان است. آلودگی های طبیعی و صنعتی مثل مونوکسید کربن، ترکیبات آلی آلاینده VOC، کلروفنول ها و آلدئید های ناشی از اتومبیل ها و پساب های صنعتی، در اثر فوتوکاتالیزر و به کمک کاتالیزر بسیار فعال نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم تجزیه می شوند. برای فعال شدن اثر خود تمیز شوندگی در اکسید تیتانیوم، نور طبیعی روز، رطوبت هوا و اکسیژن مورد نیاز است. محصولات خود تمیز کننده و ضد آلاینده بتنی در برخی پروژه ها ساخته شده اند.

نانو ذرات اکسید آلومینیوم

اضافه کردن نانو ذرات اکسید آلومینیوم به مخلوط بتن باعث افزایش قابل ملاحظه در مدول الاستیسیته بتن می گردد. مشاهده شده است که با افزودن ۵ درصد نانو اکسید آلومینیوم، مدول الاستیسیته بتن ۳ تا ۱۴ درصد افزایش پیدا کرده، ولی تاثیر قابل ملاحظه ای بر روی مقاومت بتن نداشته است.

نانو الیاف ها

نانو لوله‌های کربنی (CNTs) و نانو رشته‌های کربنی (CNFs) به عنوان گزینه‌های اصلی نانو تکنولوژی برای مسلح کردن مصالح پایه سیمانی معرفی میشوند. مدول الاستیسیته و مقاومت بسیار بالای این نانو موادها در کنار مقاومت کششی عالی و مشخصات منحصر به فرد الکتریکی و شیمیایی، پتانسیل بالای نانو لوله ها و رشته های کربنی را در ایجاد نسل جدید مصالح پایه سیمانی نشان می دهد. استفاده از این نانو موادها باعث بهبود مشخصات مکانیکی، مقاومت در برابر بخش ترک ها، محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس و ایجاد قابلیت خود-پایش در مصالح پایه سیمانی می شود. نسبت طول به عرض نانو موادها بسیار زیاد است و میتوان آنها را به مانند یک زنجیر طولانی فرض نمود.

تک جداره و چند جداره

نانو لوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و چند جداره (MWCNTs) و نانو رشته های کربنی از گرافین‌های زنجیر وار با ساختارهای بسیار منظم و با مساحت جانبی بسیار زیاد تشکیل شده اند. نانو رشته‌های کربنی برخلاف نانو لوله ها بسیار راحت تر در مخلوط سیمان توزیع می شوند. همچنین فرآوری آنها آسان‌تر است. بطور هم زمان هم مشخصات مکانیکی و هم مشخصات الکتریکی را بهبود می بخشد. بکارگیری نانو رشته‌ها راحت تر و هزینه نهایی آنها برخلاف نانو لوله ها بسیار پایین تر و برای تولید انبوه بتن مفید است.

استفاده از نانو لوله ها در کامپوزیت های پلیمری

استفاده از نانو لوله ها / رشته های کربنی در کامپوزیت های پلیمری بصورت گسترده ای مطالعه شده اند ولی درباره استفاده آنها در بتن و سیمان، مطالعات محدودی انجام شده است. بیش تر تحقیقات انجام شده بر روی مقایسه تاثیر CNTs و CNFs بر ملات سیمان متمرکز شده است. یکی از اشکالات اصلی این افزودنی ها، عدم توزیع یکنواخت آنها در مخلوط سیمان و آب گریزی بسیار بالای آنها است و دلیل دیگر آن جاذبه درونی بالای این نانو مواد است.

یکی دیگر از مشکلات نانو لوله ها / رشته ها عدم چسبندگی مناسب بین CNTs/CNFs با خمیر سیمان است برای ایجاد یک مخلوط همگن و هم زمان چسبندگی عالی بین CNTs/CNFs و ملات سیمان، تحقیقاتی انجام شده است. یکی از روش های مطرح شده، اضافه کردن CNTs/CNFs به صمغ گیاهی (یک صمغ با قابلیت حل شدن در آب که به عنوان عامل پراکنده ساز استفاده می شود) به سیمان است.

استفاده از انرژی فرا صوت برای توزیع یکنواخت نانو لوله های کربنی در خمیر سیمان

یک روش دیگر برای توزیع یکنواخت نانو لوله های کربنی در خمیر سیمان، استفاده از انرژی فرا صوت و همچنین استفاده از سورفکتنت ها است (موادی که اثر کشش سطحی را کاهش میدهند). در این حالت مشاهده شده تا ۵۰٪ باعث افزایش مدول الاستیسیته سیمان می شود. در زمینه مسلح کردن بتن با نانو الیاف و روش‌های اضافه کردن این مواد به بتن، مزایا و معایب هر روش و بسیاری مباحث دیگر همچنان در حال بررسی هستند.

نانو پوشش ها

حفاظت از ساختمان ها توسط اصلاح پلیمری یا پوشش دهی با سطوح آب گریز و غیر قابل نفوذ ممکن است. برای افزایش کارایی سازه ای بتن می بایست از نفوذ آب و آلودگی به بتن جلوگیری شود. این عمل از نفوذ مواد مضر برای بتن و فولاد به درون بتن جلوگیری میکند. و افزایش مقاومت در برابر یخ زدگی را به دنبال دارد. با این حال می‌بایست دوام طولانی مدت این مصالح، سازگار بودن آنها با پوشش زیرین و تاثیر آنها بر روی بقیه مشخصات مکانیکی بررسی شود. این مواد بر اساس فرمول بندی، مکانیزم های متفاوتی دارند:

  1. پوشش‌دهی و عایق‌بندی روی سطح بتن (پلی اورتان، اکریلیک و رزین های اپوکسی) که باعث ایجاد یک سد نفوذناپذیر میشود.
  2. مواد آب-گریزی که روی سطح حفرات بتن کشیده شده و مانع از نفود آب میشوند. (سیلان، سیلوکسان، پلیمر های فلئوريناته).
  3. پر کننده حفرات که درون بتن نفوذ میکند، کریستالیزه شده و حفرات را می بندد. مثل سیلیکات کلسیم مایع و سیلیکو فلورایدهای مایع.

بتن های خود ترمیم شونده

ترک خوردن بتن یکی از دغدغه ها در مورد آن است. ترکها باعث کاستی عملکرد سازه ای و عمر بتن و همچنین نفوذ مواد مضر میگردند. تحقیقات انجام شده در ریز کپسول های حاوی باکتری های پر کننده ترک در مخلوط بتن قرار داده می شود. هنگامی که در بتن ترک ایجاد شود این کپسول ها شکسته می شوند و باکتری های داخل کپسول ها فضای ترک را پر می کند.

آینده بتن نانویی

با استفاده از ویژگی های منحصر به فرد بتن مانند عمل آوری در دمای معمولی، خزش کم، قابلیت شکل گیری در قالب های پیچیده، مقاومت حرارتی تا دمای ۶۰۰ درجه سلسیوس، همساز بودن با انواع رشته ها و فیبرهای موجود، قابلیت استفاده با نانو موادهای موجود مثل نانو سیلیکا و مشخصات غیر سمی بتن، میتوان به صورت موثر برای ساختن ماده ای جدید با قابلیتهای فوق العاده بکار رود.

به عنوان مثال میتوان با نانو سیمان های فرآوری شده، پوسته هایی با ضخامت چند میکرون و با شکل های مختلف همچون استوانه ایجاد کرد و در اجزا الکترونیکی و سنسورهای حرارت بالا بکار برد. همچنین میتوان از نانو لوله های کربنی برای افزایش مقاومت بتن و شکل دهی مدار های الکترونیکی استفاده کرد. یکی از کاربردهای مهم این مواد جدید برای پوشش بتن است، پوششهای پایه سیمانی موجود می بایست ضخیم بوده و برای بهبود چسبندگی آنها نیاز به افزودن مواد پلیمری است.

نانو سیمان ها یک الگوی جدید در این حیطه ارائه خواهند داد. میتوان با مواد و تکنیک های جدید، پوشش های نانومتری با مشخصه های خاص مثل مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر حرارت و پوشش ها با خاصیت الکتریکی تولید کرد. همچنین میتوان پوشش هایی ساخت که حرارت کمتری تولید کنند و در نتیجه اصطکاک کاهش یابد. پوشش ها می توانند خود تمیز شونده و خود ترمیم کننده باشند. سطوح بدن ترک را میتوان با تکنولوژی نانو، در مقیاس انبوه تولید کرد.

چالش های نانو تکنولوژی در صنعت بتن

هزینه بالا

نانو تکنولوژی مانند تمامی تکنولوژی های نو، نیاز به یک توجیه اقتصادی دارد. در حال حاضر هزینه‌های بالای نانو ذرات، مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آنها در صنعت می گردد. برای همین بهره‌برداری از نانو تکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل عرضه در بازار محدود گردیده است.

توزیع یکنواخت آنها در ماتریس بتن

مشکل دیگر در زمینه استفاده از نانو موادها توزیع یکنواخت آنها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به صورت کلوخه انباشته شده و در مخلوط به خوبی توزیع نمی شوند. البته برای این حل مشکل میتوان از دستگاه های مخلوط کن قوی استفاده کرد.

جذب آب بسیار بالای ذرات نانو

اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند، مقدار زیادی آب جذب میکنند. این موضوع ممکن است بر کارایی بتن تاثیر گذار باشد.

چالش های دیگری هستند که باید قبل از گسترش استفاده از نانو فناوری در صنعت بتن حل شوند. مانند:

  1. توزیع یکنواخت نانو مواد
  2. سازگاری نانو مواد سیمان
  3. فراوری، تولید، ايمنی
  4. مسائل مربوط به حمل و نقل
  5. تولید انبوه و هزینه ها

همچنین معرفی کردن این مصالح جدید به جامعه از طریق زیر ساخت‌های اجتماعی مستلزم افزایش و درک تاثیر آنها بر روی محیط زیست و سلامت انسان ها می‌باشد. با این حال واضح است که اکنون، بعد از 50 سال از انتشار مقاله مشهور فينمن (Feynman)، نانو فناوری در حال تغییر دیدگاه دانشمندان و مهندسان در مورد یکی از قدیمی ترین ماده های ساخت بشر، یعنی بتن است.

استفاده از نانو فناوری در بتن نوید دهنده ایجاد یک کامپوزیت پایه سیمانی جدید، تقویت شده و پیشرفته با مشخصات منحصر به فرد مکانیکی، حرارتی و الکتریکی در آینده نزدیک است. غالب تحقیقات انجام شده تاکنون بر روی درک بهتر از هیدراسیون ذرات سیمان، نانو ذرات سیلیکا و سنسورها انجام شده‌اند. استفاده از علم نانو در صنعت بتن چالش های زیادی داشته و رو به پیشرفت است.

مقالات دیگر
انواع عایق

پودر آنی گیر متریالی نوین و پرکاربرد

پودر آنی گیر یکی از متریال های نوین است که برای پوشاندن هر نوع درز و شکاف استفاده می شود. در یک پروسه زمانی ممکن است شکاف یا ترک هایی در سازه و ساخت و ساز بنا ظاهر شود. این

انواع چسب ها

چسب اپوکسی چیست و چه کاربردی دارد؟

اپوکسی یک مخلوط دوجزئی است که از رزین و سخت کننده تشکیل شده است. فرایند پخت زمانی آغاز می‌شود که رزین با کاتالیزور ترکیب شود. چسب اپوکسی، واسطی برای تعمیرات بتنی، اتصال بتن به بتن، سنگ و فولاد است. این

واتر استاپ
انواع عایق

واتر استاپ چیست؟ + نکات مربوط به آن

واتر استاپ، نوعی نوار لاستیکی نسبتاً ضخیم است که به منظور جلوگیری از جریان و نفوذ مایعات به ویژه آب به درون شکاف ها و درزهای بتنی مورد استفاده قرار می گیرد. در ساخت و تولید این محصولات از مواد